Введение

Физика причинно-следственной связи, физическое определение "причинности"

Физическая причинность – это физическая связь между причинами и следствиями. Она считается фундаментальной для всех естественных и поведенческих наук, особенно физики. Причинность также является предметом изучения в философии, статистике и логике. Причинность подразумевает, что следствие не может возникнуть из причины, находящейся вне заднего (прошлого) светового конуса этого события. Аналогично, причина не может иметь следствия за пределами своего переднего (будущего) светового конуса.

Макроскопическая и микроскопическая причинность

Причинность может быть определена макроскопически, на уровне человеческих наблюдателей, или микроскопически, для фундаментальных событий на атомном уровне. Принцип строгой причинности запрещает передачу информации со скоростью, превышающей скорость света; принцип слабой причинности действует на микроскопическом уровне и необязательно связан с передачей информации. Физические модели могут удовлетворять слабому принципу, не удовлетворяя строгому.

Макроскопическая причинность

В классической физике эффект не может наступить раньше своей причины, поэтому решения, такие как опережающие по времени решения потенциала Лиенара — Вихерта, отбрасываются как физически бессмысленные. В обеих теориях относительности Эйнштейна — специальной и общей — причинность означает, что эффект не может возникнуть из причины, находящейся вне заднего (прошлого) светового конуса этого события. Аналогично, причина не может иметь следствия за пределами своего переднего (будущего) светового конуса. Эти ограничения согласуются с тем, что масса и энергия, выступающие в качестве причинных влияний, не могут распространяться быстрее скорости света и/или назад во времени. В квантовой теории поля наблюдаемые для событий с пространственно-подобными отношениями, находящихся "в другом месте", должны коммутировать, поэтому порядок наблюдений или измерений этих наблюдаемых не оказывает влияния друг на друга. Другим требованием причинности является то, что причина и следствие должны быть связаны посредством пространства и времени (требование непрерывности). Это требование оказало значительное влияние в прошлом, во-первых, благодаря непосредственному наблюдению причинных процессов (например, толкания тележки), во-вторых, как проблемный аспект в теории гравитации Ньютона (притяжение Земли Солнцем посредством действия на расстоянии), заменивший механистические модели, такие как теория вихрей Декарта; и в-третьих, как стимул для разработки динамических теорий поля (например, электродинамики Максвелла и общей теории относительности Эйнштейна), восстанавливающих непрерывность в передаче влияний более успешно, чем в теории Декарта.

Одновременность

В современной физике понятие причинности потребовало уточнения. Слово "одновременный" относительно в специальной теории относительности. Принцип, лежащий в основе – относительность одновременности. Следовательно, релятивистский принцип причинности утверждает, что причина должна предшествовать следствию для всех инерциальных наблюдателей. Это эквивалентно утверждению, что причина и следствие разделены временным интервалом, и следствие находится в будущем причины. Если два события разделены временным интервалом, это означает, что сигнал может быть передан между ними со скоростью, меньшей скорости света. С другой стороны, если бы сигналы могли двигаться быстрее скорости света, это нарушило бы причинность, поскольку позволило бы передавать сигналы через пространственно-подобные интервалы, что означало бы, что для некоторых инерциальных наблюдателей сигнал двигался бы назад во времени. По этой причине специальная теория относительности не допускает передачу информации быстрее скорости света. В теории общей относительности понятие причинности обобщается наиболее естественным образом: следствие должно находиться в будущем световом конусе своей причины, даже если пространство-время искривлено. При исследовании причинности в квантовой механике и, в частности, в релятивистской квантовой теории поля, необходимо учитывать новые нюансы. 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 нюансы, причинность остаётся важной и обоснованной концепцией в физических теориях. Например, представление о том, что события можно упорядочить в причины и следствия, необходимо для предотвращения (или, по крайней мере, обхода) парадоксов причинности, таких как парадокс дедушки, который ставит вопрос о том, что произойдет, если путешественник во времени убьет своего деда до того, как тот встретит бабушку путешественника во времени. См. также гипотезу защиты хронологии.

Детерминизм (или, что причинность не является)

Слово причинность в данном контексте означает, что все эффекты должны иметь конкретные физические причины, обусловленные фундаментальными взаимодействиями. Причинность в этом контексте не связана с принципиальными определениями, такими как второй закон Ньютона. Следовательно, в контексте причинности сила не является причиной ускорения массы и наоборот. Скорее, второй закон Ньютона можно вывести из закона сохранения импульса, который, в свою очередь, является следствием пространственной однородности физических законов. Неприятие эмпириками метафизических объяснений (например, теории вихрей Декарта) привело к тому, что схоластические рассуждения о причинах явлений либо отвергались как непроверяемые, либо просто игнорировались. Соответственно, претензия, что физика не объясняет причину явлений, была отклонена как философская или метафизическая, а не эмпирическая проблема (например, "Hypotheses non fingo" Ньютона). По мнению Эрнста Маха, понятие силы во втором законе Ньютона было плеонастическим, тавтологическим и излишним и, как отмечалось выше, не рассматривается как следствие какого-либо принципа причинности. Действительно, можно рассматривать ньютоновские уравнения движения гравитационного взаимодействия двух тел как два связанных уравнения, описывающих положения и этих тел, не интерпретируя правую часть этих уравнений как силы; уравнения просто описывают процесс взаимодействия, без необходимости рассматривать 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 физического взаимодействия как предшествующие и, следовательно, являющиеся "причиной" взаимодействия, часто были связаны с тем, что люди стремились создать определенное состояние дел и направляли свои усилия на его достижение — процесс, требующий времени и приводящий к новому состоянию, сохраняющемуся после прекращения действия. Однако было бы трудно и бессмысленно объяснять движения двойных звезд относительно друг друга таким образом, поскольку они, по сути, обратимы во времени и не зависят от направления времени. Но если направление времени установлено, то вся эволюция системы может быть полностью определена. Возможность такого взгляда, независимого от времени, лежит в основе дедуктивно-номологической (D N) концепции научного объяснения, согласно которой событие считается объясненным, если оно может быть подчинено научному закону. В рамках D N подхода физическое состояние считается объясненным, если, применяя (детерминированный) закон, его можно вывести из заданных начальных условий. (Эти начальные условия могут включать импульсы и расстояние между двойными звездами в любой момент времени.) Такое "объяснение посредством детерминизма" иногда называют причинным детерминизмом. Недостатком D N подхода является то, что причинность и детерминизм в значительной степени отождествляются. Таким образом, в классической физике предполагалось, что все события вызываются более ранними событиями в соответствии с известными законами природы, что привело к утверждению Пьера-Симона Лапласа о том, что если бы текущее состояние мира было известно с точностью, его можно было бы вычислить в любой момент времени в прошлом или будущем (см. демон Лапласа). Однако это обычно называют детерминизмом Лапласа (а не "причинностью Лапласа"), поскольку он основан на детерминизме в математических моделях, рассматриваемых в математической задаче Коши. Путаница между причинностью и детерминизмом особенно заметна в квантовой механике, которая является акаузальной в том смысле, что во многих случаях она не может установить причины фактически наблюдаемых эффектов или предсказать эффекты идентичных причин, но, возможно, детерминистична в некоторых интерпретациях (например, если предполагается, что волновая функция фактически не коллапсирует, как в многомировой интерпретации, или если ее коллапс обусловлен скрытыми переменными, или просто переопределяет детерминизм как определение вероятностей, а не конкретных эффектов).

Распределенная причинность

Теории в физике, такие как эффект бабочки из теории хаоса, открывают возможность рассмотрения причинности в терминах распределённых параметрических систем. Теория эффекта бабочки утверждает: "Незначительные изменения начальных условий нелинейной динамической системы могут привести к существенным изменениям в её долгосрочном поведении". Это открывает путь к пониманию распределённой причинности. Смежным подходом к интерпретации эффекта бабочки является выделение различий между применением понятия причинности в физике и более общим использованием этого понятия, представленным условиями INUS Макки. В классической (ньютоновской) физике, как правило, учитываются лишь те условия, которые одновременно необходимы и достаточны. Например, когда массивная сфера начинает скатываться с наклонной плоскости из точки неустойчивого равновесия, её скорость обычно объясняется силой тяжести, ускоряющей её; небольшой толчок, необходимый для начала движения, явно не рассматривается как причина. Чтобы считаться физической причиной, необходимо наличие определённой пропорциональности между причиной и следствием. Проводится различие между инициированием и обусловленностью движения шара. Аналогично, эффект бабочки можно рассматривать как инициирующий торнадо, при этом его причина видится в атмосферной энергии, уже присутствующей изначально, а не в движениях самой бабочки.

Причинные наборы

В теории причинных множеств причинность играет еще более важную роль. Основой для этого подхода к квантовой гравитации является теорема Дэвида Маламента. Эта теорема утверждает, что причинной структуры пространства-времени достаточно для восстановления его конформного класса, то есть, зная конформный фактор и причинную структуру, можно полностью определить пространство-время. На основе этого Рафаэль Соркин предложил идею теории причинных множеств, представляющую собой принципиально дискретный подход к квантовой гравитации. Причинная структура пространства-времени представляется в виде частично упорядоченного множества (посета), а конформный фактор может быть восстановлен путем отождествления каждого элемента посета с единичным объемом.

Взаимодействие, сила и сохранение импульса

Под физической причинностью понимается эффект, вызванный физическим воздействием, распространяемым силой от объекта А к объекту В. Импульс распространяется посредством силы в соответствии с теоремой Нётер, применяемой к трансляционной инвариантности в лагранжевой теории поля, которая используется для описания фундаментальных сил природы применительно к стандартной модели.