Причинность (физика)

Причинность – это связь между причинами и следствиями. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Хотя причинность также является темой, изучаемой с точки зрения философии и физики, она операционализируется таким образом, что причины события должны находиться в световом конусе прошлого события и в конечном итоге могут быть сведены к фундаментальным взаимодействиям . Точно так же причина не может иметь следствие за пределами своего будущего светового конуса.

Макроскопическая и микроскопическая причинность

Причинность можно определить макроскопически, на уровне людей-наблюдателей, или микроскопически, для фундаментальных событий на атомном уровне. Строгий принцип причинности запрещает передачу информации со скоростью, превышающей скорость света ; принцип слабой причинности действует на микроскопическом уровне и не обязательно приводит к передаче информации. Физические модели могут подчиняться слабому принципу, но не подчиняться сильной версии. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Макроскопическая причинность

В классической физике эффект не может возникнуть раньше, чем его причина, поэтому такие решения, как опережающие по времени решения потенциала Льенара – Вихерта, отбрасываются как физически бессмысленные. Как в специальной, так и в общей теории относительности Эйнштейна причинность означает, что следствие не может возникнуть по причине, которая не находится в заднем (прошлом) световом конусе этого события. Точно так же причина не может иметь следствие за пределами своего переднего (будущего) светового конуса. Эти ограничения согласуются с ограничением, согласно которому масса и энергия , действующие как причинные влияния, не могут перемещаться быстрее скорости света и/или назад во времени. В квантовой теории поля наблюдаемые событий с пространственноподобными отношениями «где-то в другом месте» должны коммутировать , поэтому порядок наблюдений или измерений таких наблюдаемых не влияет друг на друга.

Другое требование причинности состоит в том, чтобы причина и следствие были опосредованы в пространстве и времени (требование непрерывности ). Это требование имело большое влияние в прошлом, во-первых, в результате непосредственного наблюдения причинных процессов (например, толкание телеги), во-вторых, как проблемный аспект теории гравитации Ньютона (притяжение Земли силой гравитации). солнце посредством действия на расстоянии ), заменяя механистические предложения, такие как теория вихря Декарта ; в-третьих, как стимул к развитию динамических теорий поля (например, электродинамики Максвелла и общей теории относительности Эйнштейна ), восстанавливающих непрерывность передачи влияний более успешным способом, чем в теории Декарта.

одновременность

В современной физике необходимо было уточнить понятие причинности. слово «одновременный» зависит от наблюдателя В специальной теории относительности . ^{[ 5 ]} Принцип – относительность одновременности . Следовательно, релятивистский принцип причинности говорит, что причина должна предшествовать своему следствию по мнению всех инерциальных наблюдателей . Это эквивалентно утверждению, что причина и ее следствие разделены времениподобным интервалом, а следствие принадлежит будущему своей причины. Если два события разделяет временной интервал, это означает, что между ними может быть послан сигнал со скоростью, меньшей скорости света. С другой стороны, если бы сигналы могли двигаться быстрее скорости света, это нарушило бы причинно-следственную связь, поскольку позволило бы передавать сигнал через пространственноподобные интервалы, а это означает, что, по крайней мере, для некоторых инерциальных наблюдателей сигнал будет перемещаться назад во времени . По этой причине специальная теория относительности не допускает связи со скоростью, превышающей скорость света .

В общей теории относительности понятие причинности обобщается самым прямым образом: эффект должен принадлежать будущему световому конусу своей причины, даже если пространство-время искривлено. Новые тонкости необходимо принимать во внимание, когда мы исследуем причинность в квантовой механике и, в частности, в релятивистской квантовой теории поля . В этих двух теориях причинность тесно связана с принципом локальности . Теорема Белла показывает, что условия «локальной причинности» в экспериментах с квантовой запутанностью приводят к неклассическим корреляциям, предсказанным квантовой механикой.

Несмотря на эти тонкости, причинность остается важной и действенной концепцией в физических теориях. Например, представление о том, что события можно упорядочить по причинам и следствиям, необходимо для предотвращения (или, по крайней мере, описания) парадоксов причинности , таких как парадокс дедушки , который спрашивает, что произойдет, если путешественник во времени убьет своего дедушку до того, как он когда-либо встретит бабушка путешественника во времени. См. также Гипотезу о защите хронологии .

Детерминизм (или чем не является причинность )

Слово причинность в этом контексте означает, что все эффекты должны иметь конкретные физические причины из-за фундаментальных взаимодействий. ^{[ 6 ]} Причинность в этом контексте не связана с определяющими принципами, такими как второй закон Ньютона . Таким образом, в контексте причинности сила не заставляет массу ускоряться и наоборот. Скорее, второй закон Ньютона может быть выведен из закона сохранения импульса , который сам по себе является следствием пространственной однородности физических законов .

Отвращение эмпириков к метафизическим объяснениям (таким как теория вихрей Декарта) означало, что схоластические аргументы о том, что является причиной явлений, либо отвергались как непроверяемые, либо просто игнорировались. Жалоба на то, что физика не объясняет причины явлений, соответственно, была отвергнута как проблема философская или метафизическая, а не эмпирическая (например, « Гипотезы не финго » Ньютона). По мнению Эрнста Маха ^{[ 7 ]} понятие силы во втором законе Ньютона было плеонастическим , тавтологичным и излишним и, как указано выше, не считается следствием какого-либо принципа причинности. Действительно, можно рассматривать ньютоновские уравнения движения гравитационного взаимодействия двух тел:

m_{1}{\frac {d^{2}{\mathbf {r} }_{1}}{dt^{2}}}=-{\frac {m_{1}m_{2}G({\mathbf {r} }_{1}-{\mathbf {r} }_{2})}{|{\mathbf {r} }_{1}-{\mathbf {r} }_{2}|^{3}}};\;m_{2}{\frac {d^{2}{\mathbf {r} }_{2}}{dt^{2}}}=-{\frac {m_{1}m_{2}G({\mathbf {r} }_{2}-{\mathbf {r} }_{1})}{|{\mathbf {r} }_{2}-{\mathbf {r} }_{1}|^{3}}},

как два связанных уравнения, описывающих положения $\scriptstyle {\mathbf {r} }_{1}(t)$ и $\scriptstyle {\mathbf {r} }_{2}(t)$ двух тел, не интерпретируя правые части этих уравнений как силы ; уравнения просто описывают процесс взаимодействия, без необходимости интерпретировать одно тело как причину движения другого, и позволяют предсказывать состояния системы в более поздние (как и более ранние) моменты времени.

Обычные ситуации, в которых люди выделяли некоторые факторы физического взаимодействия как первичные и, следовательно, обеспечивающие «потому что» взаимодействия, часто были ситуациями, в которых люди решали вызвать какое-то положение дел и направляли свою энергию на создание этого состояния. дела — процесс, для установления которого потребовалось время и который оставил новое положение дел, сохраняющееся за пределами времени деятельности действующего лица. Однако было бы трудно и бессмысленно объяснять движения двойных звезд относительно друг друга таким способом, который действительно является обратимым во времени и не зависит от стрелы времени , но при таком установлении направления времени тогда вся система эволюции могла бы быть полностью определена.

Возможность такого независимого от времени взгляда лежит в основе дедуктивно-номологического (ДН) подхода к научному объяснению, рассматривающего событие, которое необходимо объяснить, если оно может быть отнесено к научному закону. С точки зрения ДН физическое состояние считается объясненным, если, применяя (детерминированный) закон, оно может быть получено из заданных начальных условий. (Такие начальные условия могут включать в себя импульсы и расстояние друг от друга двойных звезд в любой данный момент.) Такое «объяснение детерминизмом» иногда называют причинным детерминизмом . Недостатком подхода DN является то, что причинность и детерминизм более или менее идентифицируются. Таким образом, в классической физике предполагалось, что все события вызваны более ранними событиями в соответствии с известными законами природы, кульминацией чего стало утверждение Пьера-Симона Лапласа о том, что если бы текущее состояние мира было известно с точностью, его можно было бы определить. вычисляется для любого момента времени в будущем или прошлом (см. « Демон Лапласа» ). Однако обычно это называют Лапласом. детерминизм (а не «причинность Лапласа»), поскольку он зависит от детерминизма в математических моделях , рассматриваемых в математической задаче Коши .

Путаница между причинностью и детерминизмом особенно остра в квантовой механике , причем эта теория является акаузальной в том смысле, что она неспособна во многих случаях идентифицировать причины фактически наблюдаемых эффектов или предсказать последствия идентичных причин, но, возможно, детерминистична в некоторых интерпретациях ( например, если предполагается, что волновая функция на самом деле не коллапсирует, как в интерпретации многих миров , или если ее коллапс вызван скрытыми переменными , или просто переопределение детерминизма как означающего, что вероятности, а не чем определяются конкретные эффекты).

Распределенная причинность

Теории в физике, такие как эффект бабочки из теории хаоса, открывают возможность существования типа систем с распределенными параметрами в причинности. ^{[ нужна ссылка ]} Теория эффекта бабочки предполагает:

«Небольшие изменения начального состояния нелинейной динамической системы могут привести к большим изменениям в долгосрочном поведении системы».

Это открывает возможность понять распределенную причинность.

Сходный способ интерпретации эффекта бабочки состоит в том, чтобы рассматривать его как подчеркивание разницы между применением понятия причинности в физике и более общим использованием причинности , представленным условиями INUS Маки . В классической (ньютоновской) физике вообще учитываются (явно) только те условия, которые являются одновременно необходимыми и достаточными. Например, когда массивную сферу заставляют скатываться по склону, начиная с точки неустойчивого равновесия , то предполагается, что ее скорость вызвана ускоряющей ее силой гравитации; небольшой толчок, который был необходим, чтобы привести его в движение, явно не рассматривается как причина. Чтобы быть физической причиной, должна быть определенная пропорциональность вытекающему из этого следствию. Проводится различие между срабатыванием и причинностью движения мяча. ^{[ нужна ссылка ]} Точно так же бабочку можно рассматривать как вызывающую торнадо, причем предполагается, что его причина кроется в уже присутствующих заранее атмосферных энергиях, а не в движениях бабочки. ^{[ нужна ссылка ]}

Причинные множества

В теории причинных множеств причинность занимает еще более заметное место. Основой такого подхода к квантовой гравитации является теорема Дэвида Маламента . Эта теорема утверждает, что причинной структуры пространства-времени достаточно, чтобы восстановить его конформный класс , поэтому знания конформного фактора и причинной структуры достаточно, чтобы знать пространство-время. На основании этого Рафаэль Соркин предложил идею теории причинных множеств, которая представляет собой фундаментально дискретный подход к квантовой гравитации. Причинная структура пространства-времени представляется в виде ЧУУ , а конформный фактор может быть реконструирован путём отождествления каждого ЧУУ-элемента с единичным объёмом.

См. также

Причинность - Как один процесс влияет на другой (общий).
Причинный контакт – сообщение о событии, которое причинно влияет на объекты.
Причинная система - система, в которой результат зависит только от прошлых и текущих входов.
Горизонт частиц - измерение расстояний, используемое в космологии.
Философия физики – Истины и принципы изучения материи, пространства, времени и энергии.
Ретропричинность - концепция, согласно которой будущее влияет на прошлое.
Синхронность - юнгианская концепция значимости акаузальных совпадений.
Симметричная во времени теория Уиллера – Фейнмана для электродинамики - Интерпретация электродинамики

Ссылки

^ Грин, Селия (2003). Утраченное дело: причинно-следственная связь и проблема разума и тела . Оксфорд: Оксфордский форум. ISBN 0-9536772-1-4 . Включает три главы, посвященные причинности на микроуровне в физике.
^ Бунге, Марио (1959). Причинность: место причинного принципа в современной науке . Кембридж: Издательство Гарвардского университета.
^ Крамер, Джон Г. (15 июля 1980 г.). «Обобщенная теория поглотителя и парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена» . Физический обзор D . 22 (2): 362–376. Бибкод : 1980PhRvD..22..362C . дои : 10.1103/PhysRevD.22.362 . ISSN 0556-2821 .
^ Прайс, Хью (1997). Стрела времени и точка Архимеда: новые направления физики времени . Оксфордские книги в мягкой обложке (1. выпущены как издание Oxford Univ. Press в мягкой обложке). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-511798-1 .
^ А. Эйнштейн , «К электродинамике движущихся тел», Annals of Physics 17 , 891–921 (1905).
^ «Причинно-следственная связь». Кембриджский словарь английского языка. По состоянию на 18 ноября 2018 г. https://dictionary.cambridge.org/us/dictionary/english/causality .
^ Эрнст Мах, Механика в ее развитии, представленная исторически и критически , Akademie-Verlag, Берлин, 1988, раздел 2.7.

Дальнейшее чтение

Бом, Дэвид. (2005). Причинность и случайность в современной физике . Лондон: Тейлор и Фрэнсис.
Эспиноза, Мигель (2006). Теория причинного детерминизма . Париж: L'Harmattan. ISBN 2-296-01198-5 .

Внешние ссылки

Причинные процессы, Стэнфордская энциклопедия философии
Учебное пособие Калифорнийского технологического института по теории относительности — хорошее обсуждение того, как наблюдатели, движущиеся относительно друг друга, видят разные отрезки времени.
Сигналы быстрее, чем c, специальная теория относительности и причинность . В этой статье объясняется, что сигналы, превышающие скорость света, не обязательно приводят к нарушению причинно-следственной связи.

[1] Грин, Селия (2003). Утраченное дело: причинно-следственная связь и проблема разума и тела . Оксфорд: Оксфордский форум. ISBN 0-9536772-1-4 . Включает три главы, посвященные причинности на микроуровне в физике.

[2] Бунге, Марио (1959). Причинность: место причинного принципа в современной науке . Кембридж: Издательство Гарвардского университета.

[3] Крамер, Джон Г. (15 июля 1980 г.). «Обобщенная теория поглотителя и парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена» . Физический обзор D . 22 (2): 362–376. Бибкод : 1980PhRvD..22..362C . дои : 10.1103/PhysRevD.22.362 . ISSN 0556-2821 .

[4] Прайс, Хью (1997). Стрела времени и точка Архимеда: новые направления физики времени . Оксфордские книги в мягкой обложке (1. выпущены как издание Oxford Univ. Press в мягкой обложке). Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-511798-1 .

[5] А. Эйнштейн , «К электродинамике движущихся тел», Annals of Physics 17 , 891–921 (1905).

[:0-6] «Причинно-следственная связь». Кембриджский словарь английского языка. По состоянию на 18 ноября 2018 г. https://dictionary.cambridge.org/us/dictionary/english/causality .

[:1-7] Эрнст Мах, Механика в ее развитии, представленная исторически и критически , Akademie-Verlag, Берлин, 1988, раздел 2.7.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]