Войти
Причинность - это связь между причинами и последствия. Понятие причинности не имеет согласованного определения в науках. Причинность - это также тема, изучаемая с точки зрения философии и статистики. С точки зрения физики обычно считается, что причинно-следственная связь не может возникать между эффектом и событием, которое не находится в задней части (прошлом) светового конуса указанного эффекта. Точно так же причина не может иметь следствия за пределами своего переднего (будущего) светового конуса.
В классической физике эффект не может возникнуть раньше своей причины. В специальной теории относительности Эйнштейна причинность означает, что следствие не может возникнуть по причине, которая не находится в задней (прошлой) световом конусе этого события. Точно так же причина не может иметь следствия за пределами своего переднего (будущего) светового конуса. Эти ограничения согласуются с обоснованным убеждением (или предположением) о том, что причинные воздействия не могут распространяться быстрее скорости света и / или назад во времени. В квантовой теории поля наблюдаемые события с пространственно-подобными отношениями «в другом месте» должны коммутировать, поэтому порядок наблюдений или измерений таких наблюдаемых не влияет друг на друга.
Причинность в этом контексте не следует путать с вторым законом Ньютона, который связан с сохранением количества движения и является следствием пространственной однородности физических законов. Слово «причинность» в этом контексте означает, что все следствия должны иметь определенные причины. Как обсуждается ниже, это принцип, который нарушается в некоторых теориях современной физики.
Еще одно требование, по крайней мере действительное на уровне человеческого опыта, заключается в том, что причина и следствие должны быть опосредованы во времени и пространстве (требование непрерывности). Это требование было очень важным в прошлом, во-первых, в результате прямого наблюдения причинных процессов (например, толкание тележки), во-вторых, как проблемный аспект теории тяготения Ньютона (притяжение Земли силой солнце посредством действия на расстоянии ), заменяющее механистические предложения, подобные вихревой теории Декарта ; в-третьих, как стимул к развитию динамических теорий поля (например, электродинамики Максвелла и общей теории относительности Эйнштейна ), восстанавливающих смежность в передаче влияний в более успешный путь, чем в теории Декарта.
Отвращение эмпириков к метафизическим объяснениям (например, теория вихря Декарта) оказывает сильное влияние на идею важности причинности. Соответственно, причинно-следственная связь иногда преуменьшается (например, «Hypotheses non fingo » Ньютона). Согласно Эрнсту Маху понятие силы во втором законе Ньютона было плеонастическим, тавтологическим и излишним. Действительно, можно рассматривать ньютоновские уравнения движения гравитационного взаимодействия двух тел,
как два связанных уравнения, описывающих позиции 
Обычные ситуации, в которых люди выделяли некоторые факторы в физическом взаимодействии как главные и, следовательно, обеспечивали «потому что» взаимодействия, часто были ситуациями, в которых люди решали вызвать какое-то положение дел и направляли свои энергии для создания этого положения дел - процесс, который требовал времени, чтобы установить и оставить новое положение дел, которое сохранялось вне времени активности актера. Однако было бы трудно и бессмысленно объяснять таким образом движения двойных звезд относительно друг друга.
Возможность такого независимого от времени взгляда лежит в основе дедуктивно-номологического (DN) взгляда на научное объяснение, предполагающего, что событие подлежит объяснению, если оно может быть отнесено к научный закон. С точки зрения D-N физическое состояние считается объяснимым, если, применяя (детерминированный) закон, оно может быть получено из заданных начальных условий. (Такие начальные условия могут включать импульсы и расстояние друг от друга двойных звезд в любой данный момент.) Такое «объяснение посредством детерминизма» иногда называют причинным детерминизмом. Недостатком точки зрения D-N 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, что привело к утверждению Пьера-Симона Лапласа, что если текущий Состояние мира было известно с точностью, оно могло быть вычислено для любого времени в будущем или прошлом (см. демон Лапласа ). Однако это обычно называют детерминизмом Лапласа (а не "причинностью Лапласа"), потому что он основан на детерминизме в математических моделях, который рассматривается в математической задаче Коши. Путаница причинности и детерминизма особенно остро стоит в квантовой механике, поскольку эта теория является акаузальной в том смысле, что во многих случаях она неспособна идентифицировать причины реально наблюдаемых эффектов или предсказать последствия идентичных причин, но возможно, детерминированный 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 переопределив детерминизм как означающий, что определяются вероятности, а не конкретные эффекты).
В современной физике понятие причинности требует уточнения. Идеи теории специальной теории относительности подтвердили предположение о причинности, но сделали значение слова «одновременный» зависимым от наблюдателя. Следовательно, релятивистский принцип причинности гласит, что причина должна предшествовать своему следствию согласно всем инерционным наблюдателям. Это эквивалентно утверждению, что причина и ее следствие разделены интервалом , подобным времени, и что следствие принадлежит будущему своей причины. Если временный интервал разделяет два события, это означает, что между ними может быть послан сигнал со скоростью меньше скорости света. С другой стороны, если бы сигналы могли двигаться быстрее скорости света, это нарушило бы причинно-следственную связь, потому что это позволило бы посылать сигнал через пространственноподобные интервалы, что означает, что по крайней мере для некоторых инерциальных наблюдателей сигнал отправится назад во времени. По этой причине специальная теория относительности не допускает связи со скоростью, превышающей скорость света.
В теории общей теории относительности понятие причинности обобщается самым прямым образом: эффект должен принадлежат будущему световому конусу своей причины, даже если пространство-время искривлено. При исследовании причинности в квантовой механике и релятивистской квантовой теории поля в частности, необходимо учитывать новые тонкости. В квантовой теории поля причинность тесно связана с принципом локальности. Однако принцип локальности оспаривается: строго ли он выполняется, зависит от выбранной интерпретации квантовой механики, особенно для экспериментов с квантовой запутанностью, удовлетворяющих теореме Белла.
Несмотря на эти тонкости, причинность остается важным и действенным понятием в физических теориях. Например, представление о том, что события можно упорядочить по причинам и следствиям, необходимо для предотвращения (или, по крайней мере, обрисовки) парадоксов причинной связи, таких как парадокс дедушки, который спрашивает, что произойдет, если путешественник во времени убивает своего дедушку еще до того, как встретит бабушку путешественника во времени. См. Также Гипотеза защиты хронологии.
Теории в физике, такие как эффект бабочки из теории хаоса, открывают возможность типа систем с распределенными параметрами в причинной связи. Теория эффекта бабочки предлагает:
«Небольшие изменения начального состояния нелинейной динамической системы могут привести к большим изменениям в долгосрочном поведении системы».
Это открывает возможность понять распределенную причинность.
Связанный способ интерпретировать эффект бабочки - это рассматривать его как подчеркивающее разницу между применением понятия причинности в физике и более общим использованием причинности, представленным Условия INUS Мэки. В классической (ньютоновской) физике, как правило, учитываются (явно) только те условия, которые являются необходимыми и достаточными. Например, когда массивная сфера скатывается по склону, начиная с точки неустойчивого равновесия, предполагается, что ее скорость вызвана силой тяжести, ускоряющей ее; небольшой толчок, который потребовался для того, чтобы привести его в движение, явно не рассматривается как причина. Чтобы быть физической причиной, должна быть определенная пропорциональность последующему следствию. Проводится различие между срабатыванием и причиной движения мяча. Точно так же бабочка может рассматриваться как запускающая торнадо, причем предполагается, что ее причина кроется в уже существующих атмосферных энергиях, а не в движениях бабочки.
Причинно-динамическая триангуляция (сокращенно "CDT") изобретена Ренате Лолл, Ян Амбьёрн и популяризирована Фотини Маркопулу и Ли Смолин - это подход к квантовой гравитации, который, как и петлевая квантовая гравитация, не зависит от фона. Это означает, что он не предполагает какой-либо ранее существовавшей арены (размерного пространства), а скорее пытается показать, как сама ткань пространство-время развивается. Конференция Loops '05, организованная многими теоретиками петлевой квантовой гравитации, включала несколько презентаций, в которых подробно обсуждалась CDT, и она показала, что это ключевое открытие для теоретиков. Он вызвал значительный интерес, так как имеет хорошее полуклассическое описание. В больших масштабах он воссоздает знакомое 4-мерное пространство-время, но показывает, что пространство-время двумерное около планковского масштаба, и выявляет структуру фрактала на срезах постоянного время. Используя структуру под названием симплекс, он делит пространство-время на крошечные треугольные секции. Симплекс - это обобщенная форма треугольника в различных измерениях. 3-симплекс обычно называется тетраэдром, а 4-симплекс, который является основным строительным блоком в этой теории, также известен как пентатоп, или пентахорон. Каждый симплекс геометрически плоский, но симплексы можно «склеить» вместе множеством способов для создания искривленных пространств-времени. Там, где предыдущие попытки триангуляции квантовых пространств приводили к созданию беспорядочных вселенных со слишком большим количеством измерений или минимальных вселенных со слишком малым числом измерений, CDT избегает этой проблемы, разрешая только те конфигурации, в которых причина предшествует любому следствию. Другими словами, временные рамки всех соединенных ребер симплексов должны совпадать.
Таким образом, возможно, причинная связь лежит в основе геометрии пространства-времени.
В теории причинных множеств причинность занимает еще более заметное место. В основе этого подхода к квантовой гравитации лежит теорема Дэвида Маламента. Эта теорема утверждает, что причинной структуры пространства-времени достаточно, чтобы восстановить его конформный класс. Итак, знания конформного фактора и причинной структуры достаточно, чтобы знать пространство-время. На основании этого Рафаэль Соркин предложил идею теории причинных множеств, которая представляет собой принципиально дискретный подход к квантовой гравитации. Причинная структура пространства-времени представлена как Poset, в то время как конформный фактор может быть восстановлен путем идентификации каждого элемента poset с единичным объемом.
