Причинность — это связь между причинами и следствиями. [1] [2] Хотя причинность также является темой, изучаемой с точки зрения философии и физики, она операционализируется так, что причины события должны находиться в световом конусе прошлого события и в конечном итоге сводиться к фундаментальным взаимодействиям . Аналогично, причина не может иметь следствия за пределами своего будущего светового конуса.
Причинность может быть определена макроскопически, на уровне человеческих наблюдателей, или микроскопически, для фундаментальных событий на атомном уровне. Сильный принцип причинности запрещает передачу информации быстрее скорости света ; слабый принцип причинности действует на микроскопическом уровне и не обязательно приводит к передаче информации. Физические модели могут подчиняться слабому принципу, не подчиняясь сильной версии. [3] [4]
В классической физике следствие не может произойти до своей причины, поэтому такие решения, как расширенные временные решения потенциала Льенара–Вихерта, отбрасываются как физически бессмысленные. Как в специальной, так и в общей теории относительности Эйнштейна причинность означает, что следствие не может произойти из причины, которая не находится в заднем (прошлом) световом конусе этого события. Аналогично, причина не может иметь следствие за пределами своего переднего (будущего) светового конуса. Эти ограничения согласуются с ограничением, что масса и энергия , которые действуют как причинные влияния, не могут двигаться быстрее скорости света и/или назад во времени. В квантовой теории поля наблюдаемые события с пространственно-подобной связью, «в другом месте», должны коммутировать , поэтому порядок наблюдений или измерений таких наблюдаемых не влияет друг на друга.
Другое требование причинности заключается в том, что причина и следствие должны быть опосредованы через пространство и время (требование смежности ). Это требование было очень влиятельным в прошлом, во-первых, как результат прямого наблюдения за причинными процессами (например, толкание тележки), во-вторых, как проблемный аспект теории тяготения Ньютона (притяжение Земли Солнцем посредством действия на расстоянии ), заменившей механистические предложения, такие как теория вихрей Декарта ; в-третьих, как стимул для разработки динамических теорий поля (например, электродинамики Максвелла и общей теории относительности Эйнштейна ), восстанавливающих смежность в передаче влияний более успешным способом, чем в теории Декарта.
В современной физике понятие причинности должно было быть прояснено. Слово « одновременный» в специальной теории относительности зависит от наблюдателя . [5] Принцип — относительность одновременности . Следовательно, релятивистский принцип причинности гласит, что причина должна предшествовать своему следствию по мнению всех инерциальных наблюдателей . Это эквивалентно утверждению, что причина и ее следствие разделены временным интервалом, а следствие принадлежит будущему своей причины. Если временной интервал разделяет два события, это означает, что сигнал может быть отправлен между ними со скоростью, меньшей скорости света. С другой стороны, если бы сигналы могли двигаться быстрее скорости света, это нарушило бы причинность, поскольку это позволило бы сигналу передаваться через пространственно-подобные интервалы, что означает, что по крайней мере для некоторых инерциальных наблюдателей сигнал будет перемещаться назад во времени . По этой причине специальная теория относительности не допускает коммуникации со скоростью, превышающей скорость света .
В общей теории относительности понятие причинности обобщается наиболее простым способом: следствие должно принадлежать будущему световому конусу своей причины, даже если пространство-время искривлено. Новые тонкости должны быть приняты во внимание, когда мы исследуем причинность в квантовой механике и релятивистской квантовой теории поля в частности. В этих двух теориях причинность тесно связана с принципом локальности . Теорема Белла показывает, что условия «локальной причинности» в экспериментах, включающих квантовую запутанность, приводят к неклассическим корреляциям, предсказываемым квантовой механикой.
Несмотря на эти тонкости, причинность остается важной и обоснованной концепцией в физических теориях. Например, представление о том, что события можно упорядочить по причинам и следствиям, необходимо для предотвращения (или, по крайней мере, для описания) парадоксов причинности , таких как парадокс дедушки , который спрашивает, что произойдет, если путешественник во времени убьет своего дедушку до того, как он встретит бабушку путешественника во времени. См. также гипотезу защиты хронологии .
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 принципами определения, 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 сохранения импульса , который сам по себе является следствием пространственной однородности физических законов .
Отвращение эмпириков к метафизическим объяснениям (вроде теории вихрей Декарта) означало, что схоластические аргументы о том, что вызвало явления, либо отвергались как непроверяемые, либо просто игнорировались. Жалоба на то, что физика не объясняет причину явлений , соответственно была отклонена как проблема философская или метафизическая, а не эмпирическая (например, « Hypotheses non fingo » Ньютона). Согласно Эрнсту Маху [7], понятие силы во втором законе Ньютона было плеонастическим , тавтологическим и излишним и, как указано выше, не считается следствием какого-либо принципа причинности. Действительно, можно рассмотреть ньютоновские уравнения движения гравитационного взаимодействия двух тел,
как два связанных уравнения, описывающих положения и двух тел, без интерпретации правых частей этих уравнений как сил ; уравнения просто описывают процесс взаимодействия, без какой-либо необходимости интерпретировать одно тело как причину движения другого, и позволяют предсказывать состояния системы в более поздние (а также и более ранние) моменты времени.
Обычные ситуации, в которых люди выделяли некоторые факторы в физическом взаимодействии как предшествующие и, следовательно, обеспечивающие «потому что» взаимодействие, часто были теми, в которых люди решали вызвать некоторое состояние дел и направляли свою энергию на создание этого состояния дел — процесс, который требовал времени для установления и оставлял новое состояние дел, сохранявшееся после времени активности действующего лица. Было бы трудно и бессмысленно, однако, объяснять движения двойных звезд относительно друг друга таким образом, который, действительно, является обратимым во времени и агностичным по отношению к стреле времени , но с таким установленным направлением времени вся система эволюции могла бы быть полностью определена.
Возможность такого независимого от времени взгляда лежит в основе дедуктивно-номологического (DN) взгляда на научное объяснение, рассматривающего событие как объясняемое, если оно может быть включено в научный закон. В DN взгляде физическое состояние считается объясненным, если, применяя (детерминистический) закон, его можно вывести из заданных начальных условий. (Такие начальные условия могут включать импульсы и расстояние друг от друга двойных звезд в любой заданный момент.) Такое «объяснение детерминизмом» иногда называют причинным детерминизмом . Недостатком DN взгляда является то, что причинность и детерминизм более или менее отождествляются. Таким образом, в классической физике предполагалось, что все события вызваны более ранними в соответствии с известными законами природы, что достигло кульминации в утверждении Пьера-Симона Лапласа о том, что если бы текущее состояние мира было известно с точностью, его можно было бы вычислить для любого времени в будущем или прошлом (см. Демон Лапласа ). Однако это обычно называют детерминизмом Лапласа (а не «причинностью Лапласа»), поскольку оно зависит от детерминизма в математических моделях , рассматриваемых в математической задаче Коши .
Смешение причинности и детерминизма особенно остро проявляется в квантовой механике , поскольку эта теория является акаузальной в том смысле, что во многих случаях она неспособна определить причины фактически наблюдаемых эффектов или предсказать эффекты идентичных причин, но, возможно, является детерминированной в некоторых интерпретациях (например, если предполагается, что волновая функция на самом деле не коллапсирует, как в многомировой интерпретации , или если ее коллапс происходит из-за скрытых переменных , или просто переопределяет детерминизм как означающий, что определяются вероятности, а не конкретные эффекты).
Теории в физике, такие как эффект бабочки из теории хаоса, открывают возможность существования определенного типа систем с распределенными параметрами в причинности. [ необходима 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.
Связанный способ интерпретации эффекта бабочки — рассматривать его как подчеркивание разницы между применением понятия причинности в физике и более общим использованием причинности , представленным условиями INUS Макки . В классической (ньютоновской) физике, как правило, (явно) учитываются только те условия, которые являются как необходимыми, так и достаточными. Например, когда массивная сфера скатывается по склону, начиная с точки неустойчивого равновесия , то предполагается, что ее скорость вызвана силой тяжести, ускоряющей ее; небольшой толчок, необходимый для приведения ее в движение, явно не рассматривается как причина. Чтобы быть физической причиной, должна быть определенная пропорциональность с последующим эффектом. Проводится различие между запуском и причинной обусловленностью движения шара. [ необходима цитата ] Подобным же образом бабочку можно рассматривать как запуск торнадо, предполагая, что ее причина кроется в уже присутствующих заранее атмосферных энергиях, а не в движениях бабочки. [ необходима ссылка ]
В теории причинных множеств причинность занимает еще более важное место. Основой этого подхода к квантовой гравитации является теорема Дэвида Маламента . Эта теорема утверждает, что причинной структуры пространства-времени достаточно для реконструкции его конформного класса , поэтому знания конформного фактора и причинной структуры достаточно для знания пространства-времени. Основываясь на этом, Рафаэль Соркин предложил идею теории причинных множеств, которая является принципиально дискретным подходом к квантовой гравитации. Причинная структура пространства-времени представлена как частично упорядоченное множество , в то время как конформный фактор может быть реконструирован путем идентификации каждого элемента частично упорядоченного множества с единичным объемом.
