Принцип причинності: поняття, визначення, формули розрахунку класичної фізики і теорії відносності

Принцип причинності (також званий законом причини і наслідку) – це те, що пов’язує один процес (причину) з іншим процесом або станом (наслідок), де перший частково відповідає за другий, і другий частково залежить від першого. Це один з головних законів логіки і фізики. Тим не менш, нещодавно французькі і австралійські фізики вимкнули принцип причинності в оптичній системі, нещодавно створеної ними штучним шляхом.

У загальному і цілому, будь-який процес має багато причин, які є для нього каузальными факторами, і всі вони лежать у його минулому. Один ефект, у свою чергу, може бути причиною для багатьох інших ефектів, які всі лежать в його майбутньому. Причинність має метафізичну зв’язок з поняттями часу і простору, а порушення принципу причинності вважається серйозною логічною помилкою практично в усіх сучасних науках.

Суть поняття

Причинність – це абстракція, що вказує на те, як світ розвивається, і тому є основною концепцією, більше інших схильної до пояснення різних концепцій прогресії. Вона в якомусь сенсі пов’язана з поняттям ефективності. Для того щоб зрозуміти принцип причинності (особливо у філософії, логіці і математиці), потрібно володіти хорошим логічним мисленням та інтуїцією. Це поняття широко представлено в логіці та лінгвістиці.

Причинність у філософії

У філософії принцип причинності вважається одним з основних принципів. Аристотелевская філософія використовує слово «причина» для позначення «пояснення» або відповіді на питання “чому?”, включаючи матеріальні, формальні, ефективні і кінцеві причини». За Аристотелем, «причина» – це також пояснення всього. Тема причинності залишається основною в сучасній філософії.

Теорія відносності і квантова механіка

Для того щоб зрозуміти, про що говорить принцип причинності, потрібно бути знайомим з теорії відносності Альберта Ейнштейна і основами квантової механіки. У класичній фізиці ефект не може відбутися до того, як з’явиться його безпосередня причина. Принцип причинності, принцип істинності, принцип відносності досить тісно пов’язані один з одним. Приміром, у спеціальній теорії відносності Ейнштейна причинність означає, що ефект не може відбутися незалежно від причини, яка не знаходиться у задньому (минулому) світловому конусі цієї події. Точно так само причина не може мати ефекту поза його (майбутнього) світлового конуса. Це абстрактне і розлоге пояснення Ейнштейна, малозрозуміле читачеві, далекій від фізики, призвело до запровадження принципу причинності в квантову механіку. Так чи інакше, сформульовані Ейнштейном обмеження узгоджуються з обґрунтованим переконанням (або припущенням про те, що причинні дії не можуть рухатися швидше, ніж швидкість світла та / або протягом часу. В квантовій теорії поля спостережувані події з пространственноподобной залежністю повинні комутувати, тому порядок спостережень або вимірювань спостережуваних об’єктів не впливає на їх властивості. На відміну від квантової механіки, принцип причинності класичної механіки має зовсім інше значення.

Другий закон Ньютона

Причинність не слід плутати з другим законом Ньютона, пов’язаним із збереженням імпульсу, адже ця плутанина є наслідком просторової однорідності фізичних законів.

Одна з вимог дії принципу причинності, дійсним на рівні людського досвіду, полягає в тому, що причина і наслідок мають бути опосередковані в просторі і часі (вимога дотику). Це вимога було дуже важливим в минулому, в першу чергу в процесі прямого спостереження за каузальными процесами (наприклад, штовханням візки), по-друге, як проблемний аспект теорії тяжіння Ньютона (тяжіння Землі Сонцем допомогою дії на відстані), замінюючи механістичні пропозиції, такі як теорію вихорів Декарта. Принцип причинності часто розглядається в якості стимулу для розробки динамічних теорій поля (наприклад, електродинаміки Максвелла і загальної теорії відносності Ейнштейна), що пояснюють фундаментальні питання фізики куди краще, ніж вищезгадана теорія Декарта. Продовжуючи тему класичної фізики можна згадати внесок Пуанкаре – принцип причинності в електродинаміці завдяки його відкриттю придбав ще більшу актуальність.

Дивіться також:  Цитати Гіппократа - основоположника медицини

Эмпирики і метафізики

Відраза эмпириков до метафізичних пояснень (як, наприклад, теорію вихорів Декарта) робить сильний вплив на ідею важливості причинності. Відповідно, притязательность цієї концепції була применшені (наприклад, «Гіпотезах Ньютона»). На думку Ернста Маха, поняття сили у другому законі Ньютона було “тавтологическим і зайвим”.

Каузальність в рівняннях і формулах розрахунку

Рівняння просто описують процес взаємодії, без будь-якої необхідності інтерпретувати одне тіло як причину руху іншого і передбачати стану системи після того, як цей рух буде скоєно. Роль принципу причинності в математичних рівняннях вторинна порівняно з фізикою.

Дедукція номология

Можливість незалежного від часу погляду на каузальність лежить в основі дедуктивно-номологического (D-N) погляду на наукове пояснення події, яку можна включити в науковий закон. У поданні підходу D-N фізичний стан вважається объясняемым, якщо, застосовуючи (детермінований) закон, що його можна отримати з заданих початкових умов. Такі початкові умови можуть включати імпульси і відстань один від одного зірок, якщо мова йде, наприклад, про астрофізиці. Таке «пояснення детермінізмом» іноді називають каузальним детермінізмом.

Детермінізм

Недоліком погляду D-N є те, що принцип причинності і детермінізм більш або менш ідентифіковані. Таким чином, у класичній фізиці передбачалося, що всі явища викликані попередніми подіями (тобто детерміновані ними) у відповідності з відомими законами природи, кульмінацією яких є твердження П’єра Симона Лапласа про те, що якби сучасний стан світу було відомо з точністю, його майбутні та минулі стани теж могли б бути розраховані. Однак цю концепцію зазвичай називають детермінізмом Лапласа (а не «причинністю Лапласа»), оскільки вона залежить від детермінізму в математичних моделях – такого детермінізму, який представлений, наприклад, у математичній задачі Коші.

Плутанина причинність і детермінізм особливо гостро стоїть в квантової механіки ця наука є акаузальной в тому розумінні, що вона в багатьох випадках не може ідентифікувати причини реально спостережуваних ефектів або прогнозувати ефекти однакових причин, але, можливо, все ж детермінована в деяких своїх інтерпретаціях – наприклад, якщо передбачається, що хвильова функція фактично не валиться, як в інтерпретації багатьох світів, або якщо її колапс обумовлений прихованими змінними або просто перевизначає детермінізм як значення, що визначає ймовірності, а не конкретні ефекти.

Складно про складне: каузальність, детермінізм і принцип причинності в механіці квантів

У сучасній фізиці поняття причинності все ще до кінця не з’ясовано. Розуміння спеціальної теорії відносності підтвердило припущення про причинність, але вони зробили сенс слова «одночасний» залежним від спостерігача (в тому сенсі, в якому спостерігач розуміється у квантовій механіці). Отже, релятивістський принцип причинності говорить про те, що причина повинна передувати дії у відповідності з усіма інерціальними спостерігачами. Це еквівалентно твердженню про те, що причина і її ефект розділені тимчасовим інтервалом, і ефект належить майбутньому причини. Якщо тимчасовий інтервал, що розділяє дві події, це означає, що сигнал може бути посланий між ними зі швидкістю, що не перевищує швидкість світла. З іншого боку, якщо сигнали можуть рухатися швидше, ніж швидкість світла, це порушить причинність, тому що це дозволить посилати сигнал через проміжні інтервали, що означає, що, принаймні, деяким інерційним спостерігачам буде здаватися, що сигнал рухається назад в часі. З цієї причини спеціальна теорія відносності не дозволяє різним об’єктам зв’язуватися один з одним швидше швидкості світла.

Дивіться також:  Класифікація почуттів і емоцій

Загальна теорія відносності

У загальній теорії відносності принцип причинності узагальнюється найпростішим чином: ефект повинен належати майбутньому світлового конусу його причини, навіть якщо простір-час зігнуто. Нові тонкощі повинні бути враховані при дослідженні причинності в квантовій механіці і, зокрема, в релятивістської квантової теорії поля. В квантовій теорії поля причинність тісно пов’язана з принципом локальності. Однак принцип локальності в ній заперечується, так як вона сильно залежить від обраної інтерпретації квантової механіки, особливо для експериментів з квантовим запутыванием, які задовольняють теоремі Белла.

Висновок

Незважаючи на ці тонкощі, причинність залишається важливим і достовірним поняттям в фізичних теоріях. Наприклад, уявлення про те, що події можуть бути впорядковані причини і слідства, необхідно для запобігання (або, принаймні, розуміння) парадоксів причинності, таких як “парадокс дідуся”, який полягає в питанні: “Що станеться, якщо мандрівник у часі уб’є свого діда, перш ніж він коли-небудь зустрінеться з його бабусею?”

Ефект метелика

Теорії у фізиці, такі як ефект метелика з теорії хаосу, відкривають можливості типи розподілених систем параметрів у причинності.

Пов’язаний із цим спосіб інтерпретації ефекту метелика полягає в тому, щоб розглядати його як вказівку на розходження між застосуванням поняття причинності у фізиці і більш загальним використанням причинності. У класичній (ньютонівської) фізики в загальному випадку враховуються (явно) лише ті умови, які є необхідними і достатніми для виникнення тієї чи іншої події. Порушення принципу причинності також є порушенням законів класичної фізики. Подібне на сьогоднішній день допустимо лише в маргінальних теоріях.

Принцип причинності передбачає тригер, який запускає рух об’єкта. Точно так само метелика можна розглядати як причину торнадо в класичному прикладі, що пояснює теорію ефекту метелика.

Причинність і квантова гравітація

Причинний динамічна тріангуляція (скорочено CDT), винайдена Ренатою Лолл, Яном Амбьерном і Єжи Юркевичем, і популяризированная Фотіні Маркопуло і Чи Смолином, – це підхід до квантової гравітації, який, подібно петлевий квантової гравітації, не залежить від фону. Це означає, що він не передбачає якої-небудь раніше існуючої арени (розмірне простір), а намагається показати, як сама структура простору-часу поступово розвивається. Конференція Loops ’05, організована багатьма теоретиками петлевий квантової гравітації, включала в себе декілька презентацій, які обговорювали CDT на професійному рівні. Ця конференція викликала значний інтерес наукового співтовариства.

Дивіться також:  Вектори на площині і в просторі: формули та приклади

У великих масштабах ця теорія відтворює знайоме 4-мірний простір-час, але показує, що простір-час має бути двомірним за шкалою Планка і показувати фрактальну структуру на зрізах постійного часу. Використовуючи структуру, звану симплексом, вона ділить простір-час на крихітні трикутні перерізу. Симплекс – це узагальнена форма трикутника в різних вимірах. Тривимірний симплекс зазвичай називають тетраедром, в той час як чотиривимірний є основним будівельним блоком в цій теорії, також відомий як пентатоп або пентахорон. Кожен симплекс геометрично плоский, але симплексы можуть бути «склеєні» разом різними способами для створення вигнутих просторів. У тих випадках, коли попередні спроби тріангуляції квантових просторів створювали змішалися юниверсы з дуже великим числом вимірювань або мінімальні юниверсы з дуже невеликою кількістю, CDT уникає цієї проблеми, дозволяючи лише ті конфігурації, де причина передує будь-якого ефекту. Іншими словами, тимчасові рамки всіх пов’язаних ребер симплексов, згідно концепції CDT, повинні співпадати один з одним. Таким чином, можливо, каузальність лежить в основі геометрії простору-часу.

Теорія причинно-наслідкових зв’язків

В теорії причинно-наслідкових зв’язків причинність займає ще більш помітне місце. Основою цього підходу до квантової гравітації є теорема Давида Маламента. Ця теорема стверджує, що каузальної структури простору-часу достатньо, щоб відновити її конформный клас. Тому знати конформный фактор і причинний структуру достатньо, щоб знати простір-час. Виходячи з цього, Рафаель Соркін запропонував ідею каузальних зв’язків, яка є принципово дискретним підходом до квантової гравітації. Каузальний структура простору-часу представлена як початкова точка, а конформный фактор може бути встановлений шляхом ідентифікації кожного елемента цієї початкової точки з одиничним об’ємом.

Про що говорить принцип причинності в менеджменті

Для контролю якості у виробництві в 1960-х роках Каору Ісікава розробив діаграми причинно-наслідкових зв’язків, відому як “діаграма Ісікави” або “діаграма риб’ячого жиру”. Діаграма класифікує всі можливі причини в шість основних категорій, які безпосередньо відображає. Ці категорії потім підрозділяються на більш дрібні підкатегорії. Метод Ісікави ідентифікує «причини» тиску один на одного різних груп, задіяних у виробничому процесі якої-небудь фірми, компанії або корпорації. Ці групи можуть бути помічені як категорії на діаграмах. Використання цих діаграм тепер виходить за рамки контролю якості продукції, і вони використовуються в інших галузях управління, а також в галузі проектування та будівництва. Схеми Ісікави піддалися критиці за нездатність провести відмінність між необхідними і достатніми умовами виникнення протиріч між групами, задіяними у виробництві. Але, схоже, Ісікава навіть не замислювався про цих відмінностях.

Детермінізм як світогляд

Детерміноване світогляд вважає, що історія Всесвіту може бути вичерпно представлена як прогресія подій, що представляють із себе суцільну ланцюг причин і наслідків. Радикальні детерміністи, наприклад, упевнені, що немає такої речі, як «вільна воля», оскільки все в цьому світі, на їхню думку, відповідає принципу відповідності та причинності.