Причинность (физика)

Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  Физика "причинности"  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( июль 2008 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Причинность - это связь между причинами и следствиями. ^{[1] [2]} Хотя причинность также является темой, изучаемой с точки зрения философии , с точки зрения физики, она операционализируется, так что причины события должны находиться в световом конусе события прошлого и в конечном итоге сводиться к фундаментальным взаимодействиям. . Точно так же причина не может действовать вне своего светового конуса будущего.

Как физическая концепция [ править ]

В классической физике эффект не может произойти раньше своей причины, поэтому такие решения, как усовершенствованные 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 происходить по причине, которая не находится в заднем (прошлом) световом конусе этого события. Точно так же причина не может иметь следствия за пределами своего переднего (будущего) светового конуса. Эти ограничения согласуются с ограничением, согласно которому масса и энергия, которые действуют как причинные влияния, не могут двигаться быстрее скорости света и / или назад во времени. В квантовой теории поля наблюдаемые событий спространственноподобные отношения «где-то в другом месте» должны меняться , поэтому порядок наблюдений или измерений таких наблюдаемых не влияет друг на друга.

Другое требование причинности состоит в том, что причина и следствие опосредуются в пространстве и времени (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 ) заменяет механистические предложения, подобные теории вихрей Декарта ; в-третьих, как стимул к развитию динамических теорий поля (например, электродинамики Максвелла и общей теории относительности Эйнштейна).) восстановление непрерывности при передаче влияний более успешным способом, чем в теории Декарта.

В современной физике понятие причинности требует уточнения. Идеи специальной теории относительности подтвердили предположение о причинности, но сделали значение слова «одновременный» зависимым от наблюдателя. ^[3] Следовательно, релятивистский принцип причинности гласит, что причина должна предшествовать своему следствию согласно всем инерционным наблюдателям . Это эквивалентно утверждению, что причина и ее следствие разделены временемподобныминтервал, и 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 причинную связь, потому что это позволило бы посылать 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 концепция причинности обобщается самым прямым образом: эффект должен принадлежать 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 условиямТеорема 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, очертания) парадоксов причинно-следственной связи, таких как парадокс дедушки , который спрашивает, что произойдет, если путешественник во времени убьет своего собственного деда, прежде чем он когда-либо встретит бабушка путешественника во времени. См. Также гипотезу о защите хронологии .

Детерминизм (или чем не является причинность ) [ править ]

Слово причинность в этом контексте означает, что все эффекты должны иметь определенные физические причины из-за фундаментальных взаимодействий. ^[4] 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 количества движения , которое само является следствием пространственной однородности физических законов .

Отвращение эмпириков к метафизическим объяснениям (таким как теория вихрей Декарта) означало, что схоластические аргументы о причинах явлений либо отвергались как непроверяемые, либо просто игнорировались. Жалоба на то, что физика не объясняет причины явлений, соответственно была отклонена как проблема онтологическая, а не эмпирическая (например, « Гипотезы non fingo » Ньютона ). Согласно Эрнсту Маху ^[5], понятие силы во втором законе Ньютона было плеонастическим , тавтологическим и излишним и, как указано выше, не рассматривается как следствие какого-либо принципа причинности. Действительно, можно рассматривать ньютоновские уравнения движения гравитационного взаимодействия двух тел,

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

как два связанных уравнения, описывающих положения 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 более ранние) моменты времени.${\displaystyle \scriptstyle {\mathbf {r} }_{1}(t)}$${\displaystyle \scriptstyle {\mathbf {r} }_{2}(t)}$

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 свою энергию на создание этого состояния. дела - процесс, который требовал времени для установления и выхода из нового положения дел, сохранявшегося вне времени активности актера. Однако было бы трудно и бессмысленно объяснять движение двойных звезд относительно друг друга таким образом, который, действительно, обратим во времени и не зависит от стрелы времени , но при таком установленном направлении времени тогда вся система эволюции может быть полностью определена.

Возможность такого независимого от времени взгляда лежит в основе дедуктивно-номологического (ДН) взгляда на научное объяснение, предполагающего, что событие подлежит объяснению, если оно может быть отнесено к научному закону. С точки зрения DN физическое состояние считается объяснимым, 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 посредством детерминизма» иногда называют причинным детерминизмом . Недостатком точки зрения 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 вычислить для любого времени в будущее или прошлое (см . демона Лапласа ). Однако это обычно называют детерминизмом Лапласа (а не "причинностью Лапласа"), потому что он зависит от детерминизма в математических моделях, как это рассматривается в математической задаче Коши .

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

Распределенная причинность [ править ]

Теории в физике, такие как эффект бабочки из теории хаоса, открывают возможность типа систем с распределенными параметрами в причинности. ^{[ необходима цитата ]} 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 с этим способ интерпретации эффекта бабочки состоит в том, чтобы увидеть в нем разницу между применением понятия причинности в физике и более общим использованием причинности, представленной условиями INUS Маки . 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., то предполагается, что его скорость вызвана ускоряющей его силой тяжести; 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. ^{[ необходима цитата ]} Точно так же можно увидеть, что бабочка запускает торнадо, причем предполагается, что его причина кроется в атмосферных энергиях, уже присутствующих заранее, а не в движениях бабочки. ^{[ необходима цитата ]}

Причинная динамическая триангуляция [ править ]

Причинно-динамическая триангуляция (сокращенно CDT), изобретенная Ренате Лолл , Яном Амбьёрном и Ежи Юркевичем и популяризированная Фотини Маркопулу и Ли Смолином , представляет собой 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 пространства-времени развивается. В Loops '05Конференция, организованная многими теоретиками петлевой квантовой гравитации, включала несколько презентаций, в которых подробно обсуждалась CDT, и было обнаружено, 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, близкое к планковскому , и выявляет фрактальную структуру на срезах постоянного времени. Используя структуру, называемую симплексом , он делит пространство-время на крошечные треугольные секции. Симплекс - это обобщенная форма треугольника различных размеров. 3-симплекс обычно называют 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, 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, причинность лежит в основе геометрии пространства-времени .

Причинные множества [ править ]

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 реконструирован, отождествляя каждый элемент poset с единичным объемом.

См. Также [ править ]

• Причинность  - как один процесс влияет на другой (общее)
• Причинный контакт
• Причинная система
• Горизонт частиц
• Философия физики
• Ретропричинность  - мысленный эксперимент в философии науки, основанный на элементах физики, выясняющий, может ли будущее влиять на настоящее и может ли настоящее влиять на прошлое.
• Синхронность  - концепция, впервые представленная аналитическим психологом Карлом Юнгом, согласно которому некоторые события являются «значимыми совпадениями».
• Симметричная по времени теория Уиллера – Фейнмана для электродинамики  - интерпретация электродинамики

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

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

Внешние ссылки [ править ]

• Причинные процессы, Стэнфордская энциклопедия философии
• Учебник Калифорнийского технологического института по теории относительности - хорошее обсуждение того, как наблюдатели, движущиеся относительно друг друга, видят разные отрезки времени.
• Сигналы быстрее c, специальная теория относительности и причинно-следственная связь . В этой статье объясняется, что сигналы «быстрее света» не обязательно приводят к нарушению причинно-следственной связи.
• Джон Г. Крамер:
  • Коммуникация EPR: сигналы из будущего? «В этой колонке я хочу рассказать вам об этой схеме коммуникации с нарушением причинно-следственной связи и ее возможных последствиях».
  • Транзакционная интерпретация квантовой механики »3.10. Стрела времени в транзакционной интерпретации. Формализм квантовой механики, по крайней мере в ее релятивистски инвариантной формулировке, совершенно справедлив в отношении« стрелы »времени, различия между будущим и направления в прошлое время ".