Przyczynowość (fizyka) - Causality (physics)

Przyczynowość to związek między przyczynami a skutkami. Podczas gdy przyczynowość jest również tematem badanym z perspektywy filozofii, z perspektywy fizyki jest ona zoperacjonalizowana w taki sposób, że przyczyny zdarzenia muszą znajdować się w stożku światła przeszłego zdarzenia i ostatecznie sprowadzać się do oddziaływań fundamentalnych . Podobnie przyczyna nie może mieć skutków poza swoim przyszłym stożkiem światła.

Jako koncepcja fizyczna

W fizyce klasycznej efekt nie może wystąpić przed jego przyczyną, dlatego rozwiązania takie jak zaawansowane rozwiązania czasowe potencjału Liénarda-Wiecherta są odrzucane jako fizycznie pozbawione sensu. Zarówno w teorii szczególnej, jak i ogólnej teorii względności Einsteina przyczynowość oznacza, że ​​skutek nie może wystąpić z przyczyny, która nie znajduje się w tylnym (przeszłym) stożku świetlnym tego zdarzenia. Podobnie przyczyna nie może mieć skutku poza swoim przednim (przyszłym) stożkiem światła. Ograniczenia te są zgodne z ograniczeniem, że masa i energia, które działają jako czynniki przyczynowe, nie mogą przemieszczać się szybciej niż prędkość światła i/lub wstecz w czasie. W teorii pola kwantowego , obserwable wydarzeń z spacelike związku, „gdzie indziej”, musiał dojeżdżać , więc kolejność obserwacji i pomiarów tych obserwabli nie wpływają na siebie nawzajem.

Innym wymogiem przyczynowości jest to, aby przyczyna i skutek były zapośredniczone w przestrzeni i czasie (wymóg przyległości ). Wymóg ten był w przeszłości bardzo istotny, po pierwsze w wyniku bezpośredniej obserwacji procesów przyczynowych (np. pchanie wózka), po drugie jako problematyczny aspekt teorii grawitacji Newtona (przyciąganie ziemi przez słońce za pomocą działania na odległość ) zastępując propozycje mechanistyczne, takie jak teoria wirów Kartezjusza ; po trzecie, jako bodziec do rozwijania dynamicznych teorii pola (np . elektrodynamiki Maxwella i ogólnej teorii względności Einsteina ) przywracających ciągłość w przekazywaniu wpływów w sposób bardziej skuteczny niż w teorii Kartezjusza.

We współczesnej fizyce pojęcie przyczynowości musiało zostać wyjaśnione. Spostrzeżenia teorii szczególnej teorii względności potwierdziły założenie o przyczynowości, ale uzależniły znaczenie słowa „równoczesny” od obserwatora. W konsekwencji relatywistyczna zasada przyczynowości mówi, że przyczyna musi poprzedzać swój skutek według wszystkich obserwatorów inercjalnych . Jest to równoznaczne ze stwierdzeniem, że przyczyna i jej skutek są oddzielone odstępem czasopodobnym , a skutek należy do przyszłości przyczyny. Jeśli interwał czasowy oddziela dwa zdarzenia, oznacza to, że sygnał może zostać wysłany między nimi z prędkością mniejszą niż prędkość światła. Z drugiej strony, gdyby sygnały mogły poruszać się szybciej niż prędkość światła, naruszałoby to przyczynowość, ponieważ umożliwiałoby przesyłanie sygnału w odstępach podobnych do przestrzeni , co oznacza, że ​​przynajmniej dla niektórych obserwatorów inercyjnych sygnał przemieszczałby się wstecz w czasie . Z tego powodu szczególna teoria względności nie pozwala na komunikację szybszą niż prędkość światła .

W ogólnej teorii względności pojęcie przyczynowości uogólnia się w najprostszy sposób: skutek musi należeć do przyszłego stożka świetlnego jego przyczyny, nawet jeśli czasoprzestrzeń jest zakrzywiona. Podczas badania przyczynowości w mechanice kwantowej, aw szczególności w relatywistycznej kwantowej teorii pola, należy wziąć pod uwagę nowe subtelności . W kwantowej teorii pola przyczynowość jest ściśle związana z zasadą lokalności . Jednak zasada lokalności jest dyskusyjna: czy jest ona ściśle słuszna, zależy od wybranej interpretacji mechaniki kwantowej , zwłaszcza w przypadku eksperymentów dotyczących splątania kwantowego, które spełniają twierdzenie Bella .

Pomimo tych subtelności przyczynowość pozostaje ważną i ważną koncepcją w teoriach fizycznych. Na przykład przekonanie, że zdarzenia można uporządkować w przyczyny i skutki, jest konieczne, aby zapobiec (lub przynajmniej zarysować) paradoksom przyczynowości, takim jak paradoks dziadka , który pyta, co się stanie, jeśli podróżnik w czasie zabije własnego dziadka, zanim kiedykolwiek spotka babcia podróżnika w czasie. Zobacz także hipoteza ochrony chronologii .

Determinizm (lub czym nie jest przyczynowość )

Słowo przyczynowość w tym kontekście oznacza, że ​​wszystkie skutki muszą mieć określone przyczyny fizyczne wynikające z fundamentalnych interakcji. Przyczynowość w tym kontekście nie jest związana z zasadami definicyjnymi, takimi jak drugie prawo Newtona . Jako taka, w kontekście przyczynowości, siła nie powoduje przyspieszenia masy ani odwrotnie. Drugie prawo Newtona można raczej wyprowadzić z zasady zachowania pędu , co samo w sobie jest konsekwencją przestrzennej jednorodności praw fizycznych .

Niechęć empirystów do wyjaśnień metafizycznych (takich jak teoria wirów Kartezjusza) oznaczała, że ​​scholastyczne argumenty o przyczynach zjawisk były albo odrzucane jako nietestowalne, albo po prostu ignorowane. Skarga, że ​​fizyka nie wyjaśnia przyczyny zjawisk, została w związku z tym odrzucona jako problem bardziej filozoficzny lub metafizyczny niż empiryczny (np. „ Hipotezy non fingo ” Newtona ). Według Ernsta Macha pojęcie siły w drugim prawie Newtona było pleonastyczne , tautologiczne i zbędne i, jak wskazano powyżej, nie jest uważane za konsekwencję żadnej zasady przyczynowości. Rzeczywiście, możliwe jest rozważenie Newtonowskich równań ruchu grawitacyjnego oddziaływania dwóch ciał,

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

jako dwa sprzężone równania opisujące pozycje i dwa ciała, bez interpretowania prawych stron tych równań jako sił ; równania opisują po prostu proces interakcji, bez konieczności interpretowania jednego ciała jako przyczyny ruchu drugiego i pozwalają przewidzieć stany układu w późniejszym (jak i wcześniej) czasie. ${\displaystyle \scriptstyle {\mathbf {r}}_{1}(t)}$${\displaystyle \scriptstyle {\mathbf {r}}_{2}(t)}$

Zwykłe sytuacje, w których ludzie wymieniali pewne czynniki w fizycznej interakcji jako wcześniejsze, a zatem dostarczające „ponieważ” interakcji, często były sytuacjami, w których ludzie decydowali się wywołać pewien stan rzeczy i kierowali swoją energię na wytworzenie tego stanu sprawy — proces, który wymaga czasu, aby ustalić i pozostawić nowy stan rzeczy, który utrzymywał się poza czasem aktywności aktora. Byłoby jednak trudne i bezcelowe wyjaśnianie ruchów gwiazd podwójnych względem siebie w taki sposób, który jest rzeczywiście odwracalny w czasie i agnostyczny względem strzałki czasu , ale przy takim ukierunkowaniu czasu, cały system ewolucyjny mógłby być wtedy całkowicie określony.

Możliwość takiego niezależnego od czasu poglądu leży u podstaw dedukcyjno-nomologicznego (DN) poglądu na wyjaśnienie naukowe, uwzględniającego wyjaśnienie zdarzenia, jeśli można je podciągnąć pod prawo naukowe. W ujęciu DN stan fizyczny uważa się za wyjaśniony, jeśli stosując prawo (deterministyczne) można go wyprowadzić z danych warunków początkowych. (Takie warunki początkowe mogą obejmować pęd i odległość od siebie gwiazd podwójnych w dowolnym momencie.) Takie „wyjaśnienie przez determinizm” jest czasami określane jako determinizm przyczynowy . Wadą poglądu DN jest to, że przyczynowość i determinizm są mniej lub bardziej zidentyfikowane. Tak więc w fizyce klasycznej przyjęto, że wszystkie zdarzenia są spowodowane wcześniejszymi, zgodnie ze znanymi prawami natury, czego kulminacją było twierdzenie Pierre-Simon Laplace'a , że gdyby aktualny stan świata był dokładnie znany, mógłby być obliczane na dowolny czas w przyszłości lub przeszłości (patrz demon Laplace'a ). Jednak jest to zwykle określane jako determinizm Laplace'a (a nie „przyczynowość Laplace'a”), ponieważ opiera się na determinizmie w modelach matematycznych, jak to opisano w matematycznym problemie Cauchy'ego .

Zamieszanie między przyczynowością a determinizmem jest szczególnie dotkliwe w mechanice kwantowej , teoria ta jest bezprzyczynowa w tym sensie, że w wielu przypadkach nie jest w stanie zidentyfikować przyczyn faktycznie obserwowanych skutków ani przewidzieć skutków identycznych przyczyn, ale prawdopodobnie w niektórych interpretacjach jest deterministyczna ( np. jeśli zakłada się, że funkcja falowa faktycznie nie załamuje się, jak w interpretacji wielu światów , lub jeśli jej załamanie jest spowodowane ukrytymi zmiennymi , lub po prostu przedefiniowanie determinizmu w taki sposób, że określane są raczej prawdopodobieństwa niż określone efekty).

Przyczynowość rozproszona

Teorie w fizyce, takie jak efekt motyla z teorii chaosu, otwierają możliwość istnienia pewnego rodzaju układów o parametrach rozproszonych w przyczynowości. Teoria efektu motyla proponuje:

„Małe zmiany początkowego stanu nieliniowego systemu dynamicznego mogą powodować duże zmiany w długoterminowym zachowaniu systemu”.

Otwiera to możliwość zrozumienia przyczyn rozproszonych.

Pokrewnym sposobem interpretacji efektu motyla jest postrzeganie go jako podkreślającego różnicę między zastosowaniem pojęcia przyczynowości w fizyce a bardziej ogólnym użyciem przyczynowości reprezentowanej przez warunki INUS Mackie'go . W fizyce klasycznej (newtonowskiej) na ogół brane są pod uwagę (jawnie) tylko te warunki, które są zarówno konieczne, jak i wystarczające. Na przykład, gdy masywna kula toczy się po zboczu, zaczynając od punktu równowagi niestabilnej , zakłada się, że jej prędkość jest spowodowana siłą grawitacji, która ją przyspiesza; małe pchnięcie, które było potrzebne, aby go wprawić w ruch, nie jest wyraźnie traktowane jako przyczyna. Aby być przyczyną fizyczną, musi istnieć pewna proporcjonalność z wynikającym z tego skutkiem. Rozróżnia się wyzwalanie i powodowanie ruchu piłki. W ten sam sposób można postrzegać motyla jako wyzwalającego tornado, przy czym zakłada się, że jego przyczyna tkwi w energiach atmosferycznych już wcześniej obecnych, a nie w ruchach motyla.

Przyczynowa triangulacja dynamiczna

Przyczynowa dynamiczna triangulacja (w skrócie „CDT”) wynaleziona przez Renate Loll , Jana Ambjørna i Jerzego Jurkiewicza , a spopularyzowana przez Fotiniego Markopoulou i Lee Smolina , to podejście do kwantowej grawitacji, które podobnie jak pętlowa grawitacja kwantowa jest niezależna od tła . Oznacza to, że nie zakłada żadnej wcześniej istniejącej areny (przestrzeni wymiarowej), ale raczej próbuje pokazać, jak ewoluuje sama tkanka czasoprzestrzeni . Konferencja Loops '05 , której gospodarzem było wielu teoretyków pętli kwantowej grawitacji, obejmowała kilka prezentacji, które szczegółowo omawiały CDT i ujawniły, że jest to kluczowy wgląd dla teoretyków. Wywołała spore zainteresowanie, ponieważ wydaje się, że ma dobry, półklasyczny opis. W dużych skalach odtwarza znajomą 4-wymiarową czasoprzestrzeń, ale pokazuje, że czasoprzestrzeń jest dwuwymiarowa w pobliżu skali Plancka i ujawnia strukturę fraktalną na wycinkach stałego czasu. Używając struktury zwanej simplex , dzieli czasoprzestrzeń na małe trójkątne sekcje. Simpleks to uogólniona forma trójkąta o różnych wymiarach. 3-simplex jest zwykle nazywany czworościanem , a 4-simplex, który jest podstawowym elementem budulcowym w tej teorii, jest również znany jako pentatope lub pentachoron . Każdy simpleks jest geometrycznie płaski, ale simpleks można „sklejać” ze sobą na różne sposoby, tworząc zakrzywione czasoprzestrzenie. Tam, gdzie poprzednie próby triangulacji przestrzeni kwantowych wytworzyły pomieszane wszechświaty o zbyt wielu wymiarach lub minimalne wszechświaty o zbyt małej liczbie, CDT unika tego problemu, dopuszczając tylko te konfiguracje, w których przyczyna poprzedza jakikolwiek skutek. Innymi słowy, osie czasu wszystkich połączonych krawędzi simplices muszą się zgadzać.

Być może zatem przyczynowość leży u podstaw geometrii czasoprzestrzeni .

Zbiory przyczynowe

W przyczynowej teorii mnogości przyczynowość zajmuje jeszcze bardziej widoczne miejsce. Podstawą tego podejścia do grawitacji kwantowej jest twierdzenie Davida Malamenta . Twierdzenie to mówi, że struktura przyczynowa czasoprzestrzeni wystarcza do zrekonstruowania jej klasy konforemnej . Zatem znajomość czynnika konforemnego i struktury przyczynowej wystarczy, aby poznać czasoprzestrzeń. Na tej podstawie Rafael Sorkin zaproponował ideę przyczynowej teorii zbiorów, która jest zasadniczo dyskretnym podejściem do grawitacji kwantowej. Przyczynowa struktura czasoprzestrzeni jest reprezentowana jako Poset , podczas gdy czynnik konforemny można zrekonstruować, identyfikując każdy element posetowy z jednostką objętości.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

• Bohm, Dawidzie. (2005). Przyczynowość i przypadek we współczesnej fizyce . Londyn: Taylor i Francis.
• Miguel Espinoza, Théorie du determinisme causal , L'Harmattan, Paryż, 2006. ISBN  2-296-01198-5 .

Linki zewnętrzne

• Procesy przyczynowe, Stanford Encyclopedia of Philosophy
• Caltech Tutorial on Relativity — Miła dyskusja na temat tego, jak obserwatorzy poruszający się względem siebie widzą różne wycinki czasu.
• Sygnały szybsze niż C, szczególna teoria względności i przyczynowość . W tym artykule wyjaśniono, że sygnały szybsze niż sygnały świetlne niekoniecznie prowadzą do naruszenia przyczynowości.