Физическая причинность – это физическая связь между причинами и следствиями. [1] [2] Это считается фундаментальным для всех естественных наук и поведенческих наук , особенно физики . Причинность также является темой, изучаемой с точки зрения философии , статистики и логики . 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.
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]
В классической физике эффект не может произойти 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 еще» 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.
В современной физике необходимо было уточнить понятие причинности. В специальной теории относительности слово « одновременный» зависит от наблюдателя . [5] Принцип относительности 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 прямолинейным 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 .
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 вызывает явления, либо отвергались как непроверяемые, либо просто игнорировались. Жалоба на то, что физика не объясняет причины явлений, соответственно, была отвергнута как проблема скорее философская или метафизическая, чем эмпирическая (например, « Гипотезы не финго » Ньютона). По мнению Эрнста Маха [7] понятие силы во втором законе Ньютона было плеонастическим , тавтологичным и излишним и, как указывалось выше, не считается следствием какого-либо принципа причинности. Действительно, можно рассматривать ньютоновские уравнения движения гравитационного взаимодействия двух тел:
как два связанных уравнения, описывающих положения двух тел, без интерпретации правых частей этих уравнений как сил ; 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 такой независимой от времени точки зрения 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 это обычно называют детерминизмом Лапласа (а не «причинностью Лапласа»), поскольку оно 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 определяются вероятности, а не конкретные эффекты).
Теории в физике , такие как эффект бабочки из теории хаоса, открывают возможность существования типа систем с распределенными параметрами в причинности. [ нужна цитата ] 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 цитата ] 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 цитата ]
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 как ЧУУ , а конформный фактор может быть реконструирован путём отождествления каждого ЧУУ-элемента с единичным объёмом.
Под физической причинностью понимается эффект, вызванный физической интерференцией, распространяющейся под действием силы от объекта А к объекту Б. Импульс распространяется под действием силы согласно теореме Нётер, применяемой к трансляционной инвариантности в лагранжевой теории поля , которая используется для описания фундаментальных сил. природы применительно к стандартной модели .
