Көз-салдар қатынасының физикасы

Кіріспе

Себеп-салдар байланысының физикасы, "салдарлылық" физикалық анықтамасы

Физикалық себеп-салдарлылық – себептер мен салдарлар арасындағы физикалық қатынас. Ол барлық табиғаттану ғылымдары мен әлеуметтік-гуманитарлық ғылымдар үшін, әсіресе физика үшін негізгі болып саналады. Себеп-салдарлылық – философия, статистика және логика салаларында зерттелетін тақырып. Себеп-салдарлылық принциптері бойынша, әсер сол оқиғаның өткен жарық конусының шегінен тыс себептен туындауы мүмкін емес. Сол сияқты, себептің болашақ жарық конусының шегінен тыс әсерге ие болуы да мүмкін емес.

Макроскопиялық және микроскопиялық себептік байланыс

Себеп-салдарлықты адамдардың бақылау деңгейінде макроскопиялық тұрғыдан немесе атомдық деңгейдегі негізгі құбылыстар үшін микроскопиялық тұрғыдан анықтауға болады. Қатты себептік принцип жарық жылдамдығынан асып түсетін ақпарат таралуына тыйым салады; ал әлсіз себептік принцип микроскопиялық деңгейде жұмыс істейді және ақпарат таралуын талап етпейді. Физикалық модельдер күшті принципке бағынбай-ақ әлсіз принципке бағынуы мүмкін.

Макроскопиялық себептілік

Классикалық физикада әсер оның себебінен бұрын туындамайды, сондықтан Лиенард-Вихерт потенциалының алға жылжыған уақыт шешімдері сияқты шешімдер физикалық мағынасыз деп есептеледі. Эйнштейннің арнайы және жалпы салыстырмалылық теорияларында себептілік – бұл оқиғаның өткен жарық конусының шегінде болмаған себептен әсер пайда болуы мүмкін емес дегенді білдіреді. Сол сияқты, себептің болашақ жарық конусының сыртында әсері болуы да мүмкін емес. Бұл шектеулер, себептік әсер ететін масса мен энергия жарық жылдамдығынан асып түспейтінімен және/немесе уақыт бойынша кері қарай қозғалмайтынымен үйлеседі. Кванттық өріс теориясында кеңістік бойынша байланысқан оқиғалардың байқалатын шамалары "басқа жерде" бір-бірімен коммутациялануы керек, сондықтан мұндай байқалатын шамаларды бақылау немесе өлшеу реті бір-біріне әсер етпейді. Себеп-салдарлық байланыстың тағы бір қағидасы – себеп пен әсердің кеңістік пен уақыт арқылы таралуы (тікелей байланыс қағидасы). Бұл қағида бұрын өте маңызды болды, ең алдымен себептік процестерді тікелей бақылаудың нәтижесінде (мысалы, арбаны итеру), екінші жағынан Ньютонның гравитация теориясының мәселелі тұсы ретінде (жердің күннің қашықтықтан әсер етуі арқылы тартылуы), Декарттың шұңқыр теориясы сияқты механикалық ұсыныстарды ығыстырды; үшінші жағынан динамикалық өріс теорияларын дамытуға серпін берді (мысалы, Максвеллдің электродинамикасы және Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясы), бұл Декарт теориясына қарағанда әсердің таралуында тікелей байланысты жақсартты.

Бір мезгілделік

Қазіргі физикада себеп-салдарлық ұғымы нақтылануы қажет болды. Ерекше салыстырмалылық теориясында “бір мезгілде” деген сөз бақылаушыға тәуелді. Бұл принцип – бір мезгілде болудың салыстырмалылығы. Сәйкесінше, себеп-салдарлық принципінің релятивистік тұжырымы, себептің барлық инерциялық бақылаушылар үшін оның салдарынан бұрын болуын талап етеді. Бұл себеп пен оның салдары уақыт тәрізді аралықпен бөлінеді және салдары оның себебінің болашағына жатады деген мәлімдемемен тең. Егер екі оқиғаны уақыт тәрізді аралық ажыратса, онда олардың арасында жарық жылдамдығынан кем жылдамдықпен сигнал жіберуге болады. Ал егер сигналдар жарық жылдамдығынан жоғары жылдамдықпен қозғалса, онда себеп-салдарлық қағидасы бұзылады, себебі бұл сигналдың кеңістік тәрізді аралықтарда тарауына мүмкіндік береді, яғни кем дегенде кейбір инерциялық бақылаушылар үшін сигнал уақыт бойынша кері қарай жүреді. Осы себепті, ерекше салыстырмалылық теориясы жарық жылдамдығынан жоғары жылдамдықпен байланысуға жол бермейді. Жалпы салыстырмалылық теориясында себептік ұғым ең тікелей жолмен кеңейтіледі: салдары оның себебінің болашақ жарық конусына тиесілі болуы керек, тіпті кеңістік-уақыт қисық болса да. Кванттық механикадағы, әсіресе релятивистік кванттық өріс теориясындағы себеп-салдарлықты зерттегенде жаңа ерекшеліктерді ескеру қажет. Бұл екі теорияда себеп-салдарлық жергіліктік принципімен тығыз байланысты. Белл теоремасы кванттық байланысқа қатысты эксперименттердегі "жергілікті себеп-салдарлық" жағдайларының кванттық механика болжаған классикалық емес корреляцияларға әкелетінін көрсетеді. Осы ерекшеліктерге қарамастан, себеп-салдарлық физикалық теорияларда маңызды және жарамды ұғым болып қала береді. Мысалы, оқиғаларды себептері мен салдары бойынша реттеу мүмкіндігі, әже парадоксы сияқты себептік парадокстарды болдырмау (немесе кемінде олардың шеңберін белгілеу) үшін қажет, ол уақыт саяхатшысы әжесін, уақыт саяхатшысының әжесімен кездеспей тұрып өлтіргенде не болатынын сұрайды. Сондай-ақ, Хронологияны қорғау болжамын қараңыз.

In modern physics, the notion of causality had to be clarified. The word simultaneous is observer dependent in special relativity. The principle is relativity of simultaneity. Consequently, the relativistic principle of causality says that the cause must precede its effect according to all inertial observers. This is equivalent to the statement that the cause and its effect are separated by a timelike interval, and the effect belongs to the future of its cause. If a timelike interval separates the two events, this means that a signal could be sent between them at less than the speed of light. On the other hand, if signals could move faster than the speed of light, this would violate causality because it would allow a signal to be sent across spacelike intervals, which means that at least to some inertial observers the signal would travel backward in time. For this reason, special relativity does not allow communication faster than the speed of light. In the theory of general relativity, the concept of causality is generalized in the most straightforward way: the effect must belong to the future light cone of its cause, even if the spacetime is curved. New subtleties must be taken into account when we investigate causality in quantum mechanics and relativistic quantum field theory in particular. In those two theories, causality is closely related to the principle of locality. Bell's Theorem shows that conditions of "local causality" in experiments involving quantum entanglement result in non classical correlations predicted by quantum mechanics. Despite these subtleties, causality remains an important and valid concept in physical theories. For example, the notion that events can be ordered into causes and effects is necessary to prevent (or at least outline) causality paradoxes such as the grandfather paradox, which asks what happens if a time traveler kills his own grandfather before he ever meets the time traveler's grandmother. See also Chronology protection conjecture.

Детерминизм (немесе себептілік емес)

Бұл жағдайда себептілік сөзінің мағынасы – барлық салдарлардың нақты физикалық себептері болуы тиіс, олар негізгі өзара әрекеттесулердің нәтижесінде туындайды. Бұл контексте себеп-салдарлық қатынас Ньютонның екінші заңы сияқты анықтамалық принциптермен байланысты емес. Сондықтан, себептілік тұрғысынан, күш массаны жылдамдатуға немесе керісінше әсер ете алмайды. Керісінше, Ньютонның екінші заңы импульстің сақталуынан туындайды, ал импульстің сақталуы – физикалық заңдардың кеңістіктегі біртектілігінің салдары. Эмпириктердің метафизикалық түсіндірмелерге (мысалы, Декарттың шұңқыр теориясы сияқты) наразылығы, құбылыстардың себептерін анықтауға бағытталған схоластикалық пікірталас еңбегінің тексеруге келмейтін болғандықтан немесе жай ғана назардан тыс қалғандықтан қабылданбағанын білдірді. Физика құбылыстардың себебін түсіндірмейді деген шағым тиісінше философиялық немесе метафизикалық проблема ретінде қарастырылды, эмпирикалық проблема емес (мысалы, Ньютонның «Гипотезаларды құрастырмаймын» деген сөзі). Эрнст Махтың пікірінше, Ньютонның екінші заңындағы күш ұғымы артық, тавтологиялық және қажетсіз, және жоғарыда айтылғандай, ешқандай себептік принциптің салдары болып саналмайды. Шындығында, Ньютонның екі дененің гравитациялық өзара әрекеттесуінің қозғалыс теңдеулерін екі дененің координаттарын сипаттайтын екі байланысқан теңдеу ретінде қарастыруға болады, бұл теңдеулердің оң жағын күштер ретінде түсіндірмей; теңдеулер тек бір денені екіншісінің қозғалысының себебі ретінде түсіндіру қажеттілігінсіз өзара әрекеттесу процесін сипаттайды және жүйенің кейінірек (сондай-ақ ертерек) уақыттардағы күйін болжауға мүмкіндік береді. Адамдар физикалық өзара әрекеттесудегі кейбір факторларды алдын ала анықтап, осылайша өзара әрекеттесудің «себебін» анықтаған жағдайлар көбінесе адамдар белгілі бір жағдайды жасауға шешім қабылдап, осы жағдайды жасауға күш-жігерін жұмсаған кезде туындады – бұл процесс орнатуға уақыт кетіп, әрекет етушінің әрекеттері аяқталғаннан кейін де сақталатын жаңа жағдайды қалдырды. Алайда, екі жұлдыздың бір-біріне қатысты қозғалысын осылай түсіндіру қиын және мағынасыз болар еді, себебі олар уақытқа қатысты кері айналатын және уақыт бағытына бейтарап, бірақ уақыт бағыты белгіленген жағдайда, бүкіл эволюциялық жүйе толығымен анықталады. Мұндай уақыттан тәуелсіз көзқарас мүмкіндігі ғылыми түсіндірменің дедуктивті-номологиялық (DN) көзқарасының негізінде жатыр, егер оқиға ғылыми заңға сәйкес келіп, оған бағынса, онда ол түсіндірілген болып есептеледі. DN көзқарасында физикалық күй түсіндірілген болып саналады, егер (детерминистік) заңды қолдану арқылы ол берілген бастапқы шарттардан туындаса. (Бұл бастапқы шарттарға кез келген сәтте екі жұлдыздың бір-бірінен арақашықтығы мен импульсі кіруі мүмкін.) Мұндай «детерминизм арқылы түсіндіру» кейде себептік детерминизм деп аталады. DN көзқарасының кемшілігі – себептілік пен детерминизмнің шатастырылуында. Осылайша, классикалық физикада барлық оқиғалар табиғаттың белгілі заңдарына сәйкес бұрынғы оқиғалардан туындайды деп есептелді, бұл Пьер Симон Лапластың әлемнің қазіргі жағдайы дәл белгілі болса, оны болашақта немесе өткенде кез келген уақытта есептеуге болады деген тұжырымына әкелді (Лапластың демонына қараңыз). Алайда, бұл көбінесе Лапластың детерминизмі деп аталады (Лапластың себептілігі емес), өйткені ол математикалық Коши мәселесінде қарастырылған математикалық модельдердегі детерминизмге негізделген. Себептілік пен детерминизм арасындағы шатасу кванттық механикада ерекше айқын, себебі бұл теория көптеген жағдайларда нақты байқалған салдарлардың себептерін анықтауға немесе бірдей себептердің салдарларын болжауға қабілетсіз, бірақ кейбір түсіндірмелерде детерминистік болып көрінеді (мысалы, егер толқындық функция көптеген әлемдердің түсіндірмесі сияқты шын мәнінде құлдырамайды деп есептелсе, немесе оның құлдырауы жасырын айнымалыларға байланысты болса, немесе детерминизмді нақты салдарлар емес, ықтималдықтар анықталатыны ретінде қайта анықтаса).

The word causality in this context means that all effects must have specific physical causes due to fundamental interactions. Causality in this context is not associated with definitional principles such as Newton's second law. As such, in the context of causality, a force does not cause a mass to accelerate nor vice versa. Rather, Newton's Second Law can be derived from the conservation of momentum, which itself is a consequence of the spatial homogeneity of physical laws. The empiricists' aversion to metaphysical explanations (like Descartes' vortex theory) meant that scholastic arguments about what caused phenomena were either rejected for being untestable or were just ignored. The complaint that physics does not explain the cause of phenomena has accordingly been dismissed as a problem that is philosophical or metaphysical rather than empirical (e. g., Newton's "Hypotheses non fingo"). According to Ernst Mach the notion of force in Newton's second law was pleonastic, tautological and superfluous and, as indicated above, is not considered a consequence of any principle of causality. Indeed, it is possible to consider the Newtonian equations of motion of the gravitational interaction of two bodies,

as two coupled equations describing the positions and of the two bodies, without interpreting the right hand sides of these equations as forces; the equations just describe a process of interaction, without any necessity to interpret one body as the cause of the motion of the other, and allow one to predict the states of the system at later (as well as earlier) times. The ordinary situations in which humans singled out some factors in a physical interaction as being prior and therefore supplying the "because" of the interaction were often ones in which humans decided to bring about some state of affairs and directed their energies to producing that state of affairs—a process that took time to establish and left a new state of affairs that persisted beyond the time of activity of the actor. It would be difficult and pointless, however, to explain the motions of binary stars with respect to each other in that way which, indeed, are time reversible and agnostic to the arrow of time, but with such a direction of time established, the entire evolution system could then be completely determined. The possibility of such a time independent view is at the basis of the deductive nomological (D N) view of scientific explanation, considering an event to be explained if it can be subsumed under a scientific law. In the D N view, a physical state is considered to be explained if, applying the (deterministic) law, it can be derived from given initial conditions. (Such initial conditions could include the momenta and distance from each other of binary stars at any given moment.) Such 'explanation by determinism' is sometimes referred to as causal determinism. A disadvantage of the D N view is that causality and determinism are more or less identified. Thus, in classical physics, it was assumed that all events are caused by earlier ones according to the known laws of nature, culminating in Pierre Simon Laplace's claim that if the current state of the world were known with precision, it could be computed for any time in the future or the past (see Laplace's demon). However, this is usually referred to as Laplace determinism (rather than 'Laplace causality') because it hinges on determinism in mathematical models as dealt with in the mathematical Cauchy problem. Confusion between causality and determinism is particularly acute in quantum mechanics, this theory being acausal in the sense that it is unable in many cases to identify the causes of actually observed effects or to predict the effects of identical causes, but arguably deterministic in some interpretations (e. g. if the wave function is presumed not to actually collapse as in the many worlds interpretation, or if its collapse is due to hidden variables, or simply redefining determinism as meaning that probabilities rather than specific effects are determined).

Таратылған себептілік

Физикадағы теориялар, мысалы, хаос теориясындағы көбелек эффектісі, себеп-салдар қатынастарында таратылған параметрлік жүйелердің мүмкіндігін ашады. Көбелек эффектісі теориясы былай демек: "Белгілі бір динамикалық жүйенің бастапқы жағдайындағы шағын өзгерістер жүйенің ұзақ мерзімді мінез-құлқында үлкен өзгерістерге алып келуі мүмкін". Бұл таратылған себептілікті түсінуге жаңа мүмкіндіктер ашады. Көбелек эффектісін түсіндірудің тағы бір жолы – физикадағы себептілік ұғымын қолдану мен Маккидің INUS шарттарындағы себептіліктің жалпы қолданылуы арасындағы айырмашылықты көрсету болып табылады. Классикалық (Ньютондық) физикада, әдетте, тек қана қажетті және жеткілікті жағдайлар ғана (нақты түрде) ескеріледі. Мысалы, ауырлық күшінің әсерінен тұрақсыз тепе-теңдік нүктесінен еңіс бойымен домалай бастаған шардың жылдамдығы, оны жылдамдатып жатқан гравитация күшімен байланысты деп есептеледі; оны қозғалысқа келтірген шағын итеру себеп ретінде нақты қарастырылмайды. Физикалық себеп болу үшін, оның нәтижесімен арасында белгілі бір пропорционалдық болуы керек. Шардың қозғалысын бастау мен оның себебін анықтау арасында ерекшелік бар. Сол сияқты, көбелек торнадоны тудыруы мүмкін, бірақ оның себебі көбелектің қозғалысында емес, бұрыннан бар атмосфералық энергияларда деп есептеледі.

Себеп-салдар жиынтығы

Себептік жиынтық теориясында себептілік одан да басым орын алады. Кванттық гравитацияға осы тәсілдің негізі Дэвид Маламенттің теоремасында. Бұл теорема кеңістік-уақыттың себептік құрылымы оның конформдық класын қайта құруға жеткілікті екенін көрсетеді, демек конформдық факторды және себептік құрылымды білу кеңістік-уақытты білу үшін жетеді. Осыған сүйене отырып, Рафаэль Соркин кванттық гравитацияға қатысты түбірінен дискретті тәсіл болып табылатын Себептік жиынтық теориясын ұсынды. Кеңістік-уақыттың себептік құрылымы позитивті жиын ретінде бейнеленеді, ал конформдық факторды әрбір позитивті жиын мүшесін бірлік көлеммен сәйкестендіру арқылы қайта құруға болады.

Өзара әсерлесу, күш және импульстің сақталуы

Физикалық себептілік – А объектісінен В объектісіне күш арқылы таратылған физикалық әсердің нәтижесін білдіреді. Импульс күш арқылы Лагранж өріс теориясындағы трансляциялық инварианттылыққа қолданылатын Ноэтер теоремасына сәйкес таратылады, бұл теорема стандартты модельге қолданылғанда табиғаттың негізгі күштерін сипаттау үшін қолданылады.