Образование

Принцип причинности: понятие, определение, формулы расчета в классической физике и теории относительности

Принцип причинности (также называемый законом причины и следствия) — это то, что связывает один процесс (причину) с другим процессом или состоянием (следствие), где первый частично отвечает за второй, и второй частично зависит от первого. Это один из главных законов логики и физики. Тем не менее, недавно французские и австралийские физики выключили принцип причинности в оптической системе, недавно созданной ими искусственным путем.

В общем и целом, любой процесс имеет много причин, которые являются для него каузальными факторами, и все они лежат в его прошлом. Один эффект, в свою очередь, может быть причиной для многих других эффектов, которые все лежат в его будущем. Причинность имеет метафизическую связь с понятиями времени и пространства, а нарушение принципа причинности считается серьезной логической ошибкой практически во всех современных науках.

Принцип причинности: понятие, определение, формулы расчета в классической физике и теории относительности - новости образования и науки на News4Smart.ru

Суть понятия

Причинность — это абстракция, указывающая на то, как мир развивается, и поэтому является основной концепцией, более других склонной к объяснению различных концепций прогрессии. Она в каком-то смысле связана с понятием эффективности. Для того чтобы понять принцип причинности (особенно в философии, логике и математике), нужно обладать хорошим логическим мышлением и интуицией. Это понятие широко представлено в логике и лингвистике.

Причинность в философии

В философии принцип причинности считается одним из основных принципов. Аристотелевская философия использует слово «причина» для обозначения «объяснения» или ответа на вопрос «почему?», включая материальные, формальные, эффективные и конечные «причины». По Аристотелю «причина» — это также объяснение всего. Тема причинности остается основной в современной философии.

Принцип причинности: понятие, определение, формулы расчета в классической физике и теории относительности - новости образования и науки на News4Smart.ru

Теория относительности и квантовая механика

Для того чтобы понять, о чем говорит принцип причинности, нужно быть знакомым с теориями относительности Альберта Эйнштейна и основами квантовой механики. В классической физике эффект не может произойти до того, как появится его непосредственная причина. Принцип причинности, принцип истинности, принцип относительности довольно тесно связаны друг с другом. К примеру, в специальной теории относительности Эйнштейна причинность означает, что эффект не может произойти вне зависимости от причины, которая не находится в заднем (прошлом) световом конусе этого события. Точно так же причина не может иметь эффекта вне его (будущего) светового конуса. Это абстрактное и пространное объяснение Эйнштейна, малопонятное читателю, далекому от физики, привело к введению принципа причинности в квантовую механику. Так или иначе, сформулированные Эйнштейном ограничения согласуются с обоснованным убеждением (или предположением) о том, что причинные воздействия не могут двигаться быстрее, чем скорость света и / или течение времени. В квантовой теории поля наблюдаемые события с пространственноподобной зависимостью должны коммутировать, поэтому порядок наблюдений или измерений наблюдаемых объектов не влияет на их свойства. В отличие от квантовой механики, принцип причинности классической механики имеет совершенно другое значение.

Второй закон Ньютона

Причинность не следует путать со вторым законом Ньютона, связанным с сохранением импульса, ведь эта путаница является следствием пространственной однородности физических законов.

Одно из требований действия принципа причинности, действительным на уровне человеческого опыта, заключается в том, что причина и следствие должны быть опосредованы в пространстве и времени (требование соприкосновения). Это требование было очень важным в прошлом, в первую очередь в процессе прямого наблюдения за каузальными процессами (например, толканием тележки), во-вторых, как проблемный аспект теории тяготения Ньютона (притяжение Земли Солнцем посредством действия на расстоянии), заменяя механистические предложения, такие как теория вихрей Декарта. Принцип причинности часто рассматривается в качестве стимула для разработки динамических теорий поля (например, электродинамики Максвелла и общей теории относительности Эйнштейна), объясняющих фундаментальные вопросы физики куда лучше, чем вышеупомянутая теория Декарта. Продолжая тему классической физики можно вспомнить вклад Пуанкаре — принцип причинности в электродинамике благодаря его открытию приобрел еще большую актуальность.

Принцип причинности: понятие, определение, формулы расчета в классической физике и теории относительности - новости образования и науки на News4Smart.ru

Эмпирики и метафизики

Отвращение эмпириков к метафизическим объяснениям (таким как, например, теория вихрей Декарта) оказывает сильное влияние на идею важности причинности. Соответственно, притязательность этой концепции была преуменьшена (например, в «Гипотезах Ньютона»). По мнению Эрнста Маха, понятие силы во втором законе Ньютона было «тавтологическим и излишним».

Каузальность в уравнениях и формулах расчета

Уравнения просто описывают процесс взаимодействия, без какой-либо необходимости интерпретировать одно тело как причину движения другого и предсказывать состояния системы после того, как это движение будет совершено. Роль принципа причинности в математических уравнениях вторична по сравнению с физикой.

Дедукция и номология

Возможность независимого от времени взгляда на каузальность лежит в основе дедуктивно-номологического (D-N) взгляда на научное объяснение события, которое можно включить в научный закон. В представлении подхода D-N физическое состояние считается объясняемым, если, применяя (детерминированный) закон, его можно получить из заданных начальных условий. Такие начальные условия могут включать импульсы и расстояние друг от друга звезд, если речь идет, например, об астрофизике. Такое «объяснение детерминизмом» иногда называют каузальным детерминизмом.

Принцип причинности: понятие, определение, формулы расчета в классической физике и теории относительности - новости образования и науки на News4Smart.ru

Детерминизм

Недостатком взгляда D-N является то, что принцип причинности и детерминизм более или менее идентифицированы. Таким образом, в классической физике предполагалось, что все явления вызваны более ранними событиями (т. е. детерминированы ими) в соответствии с известными законами природы, кульминацией которых является утверждение Пьера-Симона Лапласа о том, что если бы современное состояние мира было известно с точностью, его будущие и прошлые состояния тоже могли бы быть рассчитаны. Однако эту концепцию обычно называют детерминизмом Лапласа (а не «причинностью Лапласа»), поскольку она зависит от детерминизма в математических моделях — такого детерминизма, какой представлен, к примеру, в математической задаче Коши.

Путаница причинности и детерминизма особенно остро стоит в квантовой механике — эта наука является акаузальной в том смысле, что она во многих случаях не может идентифицировать причины реально наблюдаемых эффектов или прогнозировать эффекты одинаковых причин, но, возможно, все же детерминирована в некоторых своих интерпретациях — например, если предполагается, что волновая функция фактически не рушится, как в интерпретации многих миров, или если ее коллапс обусловлен скрытыми переменными или просто переопределяет детерминизм как значение, определяющее вероятности, а не конкретные эффекты.

Сложно о сложном: каузальность, детерминизм и принцип причинности в механике квантов

В современной физике понятие причинности все еще до конце не выяснено. Понимание специальной теории относительности подтвердило предположение о причинности, но они сделали смысл слова «одновременный» зависимым от наблюдателя (в том смысле, в каком наблюдатель понимается в квантовой механике). Следовательно, релятивистский принцип причинности говорит о том, что причина должна предшествовать действию в соответствии со всеми инерциальными наблюдателями. Это эквивалентно утверждению о том, что причина и ее эффект разделены временным интервалом, и эффект принадлежит будущему причины. Если временный интервал разделяет два события, это означает, что сигнал может быть послан между ними со скоростью, не превышающей скорость света. С другой стороны, если сигналы могут двигаться быстрее, чем скорость света, это нарушит причинность, потому что это позволит посылать сигнал через промежуточные интервалы, что означает, что, по крайней мере, некоторым инерционным наблюдателям будет казаться, что сигнал движется назад во времени. По этой причине специальная теория относительности не позволяет различным объектам связываться друг с другом быстрее скорости света.

Принцип причинности: понятие, определение, формулы расчета в классической физике и теории относительности - новости образования и науки на News4Smart.ru

Общая теория относительности

В общей теории относительности принцип причинности обобщается самым простым образом: эффект должен принадлежать будущему световому конусу его причины, даже если пространство-время изогнуто. Новые тонкости должны быть учтены при исследовании причинности в квантовой механике и, в частности, в релятивистской квантовой теории поля. В квантовой теории поля причинность тесно связана с принципом локальности. Однако принцип локальности в ней оспаривается, так как она сильно зависит от интерпретации выбранной квантовой механики, особенно для экспериментов с квантовым запутыванием, которые удовлетворяют теореме Белла.

Вывод

Несмотря на эти тонкости, причинность остается важным и достоверным понятием в физических теориях. Например, представление о том, что события могут быть упорядочены в причины и следствия, необходимо для предотвращения (или, по крайней мере, понимания) парадоксов причинности, таких как «парадокс дедушки», который заключается в вопросе: «Что произойдет, если путешественник во времени убьет своего деда, прежде чем он когда-либо встретится с его бабушкой?»

Эффект бабочки

Теории в физике, такие как эффект бабочки из теории хаоса, открывают возможности типа распределенных систем параметров в причинности.

Связанный с этим способ интерпретации эффекта бабочки заключается в том, чтобы рассматривать его как указание на различие между применением понятия причинности в физике и более общим использованием причинности. В классической (ньютоновской) физике в общем случае учитываются (явно) только те условия, которые являются необходимыми и достаточными для возникновения того или иного события. Нарушение принципа причинности также является нарушением законов классической физики. Подобное на сегодняшний день допустимо лишь в маргинальных теориях.

Принцип причинности: понятие, определение, формулы расчета в классической физике и теории относительности - новости образования и науки на News4Smart.ru

Принцип причинности предполагает триггер, запускающий движение объекта. Точно так же бабочку можно рассматривать как причину торнадо в классическом примере, объясняющим теорию эффекта бабочки.

Причинность и квантовая гравитация

Причинная динамическая триангуляция (сокращенно CDT), изобретенная Ренатой Лолл, Яном Амбьерном и Ежи Юркевичем, и популяризированная Фотини Маркопуло и Ли Смолином, — это подход к квантовой гравитации, который, подобно петлевой квантовой гравитации, не зависит от фона. Это означает, что он не предполагает какой-либо ранее существующей арены (размерное пространство), а пытается показать, как сама структура пространства-времени постепенно развивается. Конференция Loops ’05, организованная многими теоретиками петлевой квантовой гравитации, включала в себя несколько презентаций, которые обсуждали CDT на профессиональном уровне. Эта конференция вызвала значительный интерес научного сообщества.

В больших масштабах эта теория воссоздает знакомое 4-мерное пространство-время, но показывает, что пространство-время должно быть двухмерным по шкале Планка и показывать фрактальную структуру на срезах постоянного времени. Используя структуру, называемую симплексом, она делит пространство-время на крошечные треугольные сечения. Симплекс — это обобщенная форма треугольника в разных измерениях. Трехмерный симплекс обычно называют тетраэдром, в то время как четырехмерный является основным строительным блоком в этой теории, также известен как пентатоп или пентахорон. Каждый симплекс геометрически плоский, но симплексы могут быть «склеены» вместе разными способами для создания изогнутых пространств. В тех случаях, когда предыдущие попытки триангуляции квантовых пространств создавали смешавшиеся юниверсы с слишком большим числом измерений или минимальные юниверсы с слишком небольшим количеством, CDT избегает этой проблемы, разрешая только те конфигурации, где причина предшествует любому эффекту. Другими словами, временные рамки всех связанных ребер симплексов, согласно концепции CDT, должны совпадать друг с другом. Таким образом, возможно, каузальность лежит в основе геометрии пространства-времени.

Теория причинно-следственных связей

В теории причинно-следственных связей причинность занимает еще более заметное место. Основой этого подхода к квантовой гравитации является теорема Давида Маламента. Эта теорема утверждает, что каузальной структуры пространства-времени достаточно, чтобы восстановить ее конформный класс. Поэтому знать конформный фактор и причинную структуру достаточно, чтобы знать пространство-время. Исходя из этого, Рафаэль Соркин предложил идею каузальных связей, которая является принципиально дискретным подходом к квантовой гравитации. Каузальная структура пространства-времени представлена ​​как изначальная точка, а конформный фактор может быть установлен путем идентификации каждого элемента этой изначальной точки с единичным объемом.

О чем говорит принцип причинности в менеджменте

Для контроля качества в производстве в 1960-х годах Каору Исикава разработал диаграмму причинно-следственных связей, известную как «диаграмма Исикавы» или «диаграмма рыбьего жира». Диаграмма классифицирует все возможные причины в шесть основных категорий, которые непосредственно отображает. Эти категории затем подразделяются на более мелкие подкатегории. Метод Исикавы идентифицирует «причины» давления друг на друга различных групп, задействованных в производственном процессе какой-либо фирмы, компании или корпорации. Эти группы затем могут быть помечены как категории на диаграммах. Использование этих диаграмм теперь выходит за рамки контроля качества продукции, и они используются в других областях управления, а также в области проектирования и строительства. Схемы Исикавы подверглись критике за неспособность провести различие между необходимыми и достаточными условиями возникновения противоречий между группами, задействованными в производстве. Но, похоже, Исикава даже не задумывался об этих различиях.

Принцип причинности: понятие, определение, формулы расчета в классической физике и теории относительности - новости образования и науки на News4Smart.ru

Детерминизм как мировоззрение

Детерминированное мировоззрение считает, что история Вселенной может быть исчерпывающе представлена как прогрессия событий, представляющих из себя сплошную цепь причин и следствий. Радикальные детерминисты, к примеру, уверены, что нет такой вещи, как «свободная воля», поскольку все в этом мире, по их мнению, подчинено принципу соответствия и причинности.

Принцип причинности: понятие, определение, формулы расчета в классической физике и теории относительности — все интересные факты и достижения науки и образования на News4Smart.ru

Поделитесь ссылкой и ваши друзья узнают, что вы знаете ответы на все вопросы. Спасибо ツ

Related Articles

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Close