Причинность (физика) - Causality (physics)

Причинно-следственная связь отношения между причины и эффекты.^[1]^[2] В то время как причинность также тема, изучаемая с точки зрения философия, с точки зрения физики это введен в действие так что причины события должны быть в прошлом световой конус события и в конечном итоге сводимый к фундаментальные взаимодействия. Точно так же причина не может действовать вне своего светового конуса будущего.

Как физическая концепция

В классической физике не может быть эффекта перед его причина, поэтому такие решения, как современные временные решения Потенциал 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 задней части (в прошлом). световой конус этого события. Точно так же причина не может иметь следствия 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 квантовая теория поля, наблюдаемые событий с космический отношения "в другом месте" должны ездить, поэтому порядок наблюдений или измерений таких наблюдаемых не влияет друг на друга.

Другое требование причинности состоит в том, что причина и следствие опосредуются во времени и пространстве (требование смежность). 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 с помощью действие на расстоянии ) замена механических предложений вроде Теория вихря Декарта; в-третьих, как стимул к динамичному развитию теории поля (например., Электродинамика Максвелла и Общая теория относительности Эйнштейна ) восстановление непрерывности при передаче влияний более успешным способом, чем в теории Декарта.

В современная физика, необходимо уточнить понятие причинности. Идеи теории специальная теория 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. по всем инерционный наблюдатели. Это эквивалентно утверждению, что причина и ее следствие разделены подобный времени интервал, 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 причинно-следственную связь, потому что это позволило бы посылать сигнал через космический интервалы, что означает, что по крайней мере для некоторых инерциальных наблюдателей сигнал будет распространяться назад во времени. По этой причине специальная теория относительности не позволяет общаться быстрее, чем скорость света.

В теории общая теория относительности, концепция причинности обобщается самым прямым образом: следствие должно принадлежать будущему световому конусу своей причины, даже если пространство-время изогнутый. Когда мы исследуем причинно-следственные связи, необходимо учитывать новые тонкости. квантовая механика и релятивистский квантовая теория поля особенно. В квантовой теории поля причинность тесно связана с принцип локальности. Однако принцип локальности оспаривается: его строгое соблюдение зависит от интерпретация квантовой механики выбран, особенно для экспериментов с квантовая запутанность это удовлетворяет Теорема Белла.

Несмотря на эти тонкости, причинность остается важным и действенным понятием в физических теориях. Например, представление о том, что события можно разделить на причины и следствия, необходимо для предотвращения (или, по крайней мере, в общих чертах) парадоксы причинно-следственной связи такой как дедушка парадокс, который спрашивает, что произойдет, если путешественник во времени убьет своего дедушку, прежде чем он когда-либо встретит бабушку путешественника во времени. Смотрите также Гипотеза о защите хронологии.

Детерминизм (или, что такое причинность не)

Слово причинность в этом контексте означает, что все эффекты должны иметь определенные физические причины из-за фундаментальных взаимодействий.^[4] Причинно-следственная связь в этом контексте не связана с такими принципами определения, как Второй закон Ньютона. Таким образом, в контексте причинность, сила не причина масса для ускорения и наоборот. Скорее, Второй закон Ньютона можно вывести из сохранение импульса, который сам по себе следствие 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 причина явлений, соответственно, была отклонена как проблема, которая носит скорее онтологический, чем эмпирический характер (например, проблема Ньютона "Гипотезы не финго "). Согласно с Эрнст Мах^[5] понятие силы во втором законе Ньютона было плеонастический, тавтологичны и излишни и, как указано выше, не считаются следствием 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 ${ Displaystyle scriptstyle { mathbf {r}} _ {1} (т)}$ и ${ Displaystyle scriptstyle { mathbf {r}} _ {2} (т)}$ двух тел, не интерпретируя правые части этих уравнений как силы; 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.

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 потребовал времени для установления и выхода из нового положения дел, сохраняющегося вне времени активности актера. Однако было бы трудно и бессмысленно объяснять движение двойных звезд относительно друг друга таким образом, который действительно обратимый во времени и агностик к стрела времени, но, установив такое направление времени, вся эволюционная система могла бы быть полностью определена.

Возможность такого независимого от времени взгляда лежит в основе дедуктивно-номологический (D-N) взгляд на научное объяснение, считая событие подлежащим объяснению, если оно может быть отнесено к научному закону. 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 в себя импульсы и расстояние друг от друга двойных звезд в любой данный момент.) Такое «объяснение с помощью детерминизма» иногда называют причинный детерминизм. Недостатком точки зрения D-N является то, что причинность и детерминизм более или менее идентифицируются. Таким образом, в классическая физика, предполагалось, что все события вызваны более ранними событиями согласно известным законам природы, кульминацией которых является Пьер-Симон Лаплас утверждает, 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 обычно это называют Лапласом. детерминизм (а не "причинность Лапласа"), потому что она зависит от детерминизм в математических моделях как рассматривается в математической Задача Коши.

Путаница между причинностью и детерминизмом особенно остро стоит в квантовая механика эта теория является акаузальной в том смысле, что во многих случаях она неспособна идентифицировать причины фактически 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 многомировая интерпретация, или если его обрушение происходит из-за скрытые переменные или просто переопределив детерминизм как означающий, что определяются вероятности, а не конкретные эффекты).

Распределенная причинность

Теории в физика словно эффект бабочки от теория хаоса открыть возможность типа системы с распределенными параметрами в причинно-следственной связи.^{[нужна 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 - это увидеть в нем разницу между применением понятия причинности в физике и более общее использование причинности как представлено 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 неустойчивое равновесие, 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.^{[нужна цитата ]} 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.^{[нужна цитата ]}

Причинная динамическая триангуляция

Причинная динамическая триангуляция (сокращенно "CDT") изобретен Ренате Лолл, Ян Амбьёрн и Ежи Юркевич, и популяризируется Фотини Маркопулу и Ли Смолин, это подход к квантовая гравитация что нравится петля квантовой гравитации является независимый от фона. Это означает, что он не предполагает какой-либо ранее существовавшей арены (размерного пространства), а скорее пытается показать, как пространство-время сама ткань эволюционирует. В Петли '05 Конференция, 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 рядом с Планковский масштаб, и показывает фрактал структура на срезах постоянного времени. Используя структуру, называемую симплекс, он делит пространство-время на крошечные треугольные части. Симплекс - это обобщенная форма треугольник, в различных размерах. 3-симплекс обычно называют тетраэдр, 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, в основе пространство-время геометрия.

Причинные множества

В теории причинных множеств причинность занимает еще более заметное место. В основе этого подхода к квантовой гравитации лежит теорема Дэвид Маламент. Эта теорема утверждает, что причинная структура пространства-времени достаточно, чтобы восстановить его конформный класс. Итак, знания конформного фактора и причинной структуры достаточно, чтобы знать пространство-время. Основываясь на этом, 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 можно восстановить, отождествив каждый элемент poset с единичным объемом.

Смотрите также

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

использованная литература

^ Грин, Селия (2003). Утраченная причина: причинность и проблема разума и тела. Оксфорд: Оксфордский форум. ISBN 0-9536772-1-4. Включает три главы о причинно-следственных связях на микроуровне физики.
^ Бунге, Марио (1959). Причинность: место причинного принципа в современной науке. Кембридж: Издательство Гарвардского университета.
^ А. Эйнштейн, "Zur Elektrodynamik bewegter Koerper", Annalen der Physik 17, 891–921 (1905).
^ «Причинность». Кембриджский словарь английского языка. По состоянию на 18 ноября 2018 г. https://dictionary.cambridge.org/us/dictionary/english/causality
^ Эрнст Мах, Die Mechanik in ihrer Entwicklung, Historisch-kritisch dargestellt, Akademie-Verlag, Берлин, 1988, раздел 2.7.

дальнейшее чтение

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

внешние ссылки

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 трансакционной интерпретации. Формализм квантовой механики, по крайней мере, в ее релятивистски инвариантной формулировке, совершенно справедлив в отношении« стрелы »времени, различия между направлениями времени в будущем и в прошлом».

[1] Грин, Селия (2003). Утраченная причина: причинность и проблема разума и тела. Оксфорд: Оксфордский форум. ISBN 0-9536772-1-4. Включает три главы о причинно-следственных связях на микроуровне физики.

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

[3] А. Эйнштейн, "Zur Elektrodynamik bewegter Koerper", Annalen der Physik 17, 891–921 (1905).

[:0-4] «Причинность». Кембриджский словарь английского языка. По состоянию на 18 ноября 2018 г. https://dictionary.cambridge.org/us/dictionary/english/causality

[:1-5] Эрнст Мах, Die Mechanik in ihrer Entwicklung, Historisch-kritisch dargestellt, Akademie-Verlag, Берлин, 1988, раздел 2.7.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]