Causalidad (física)

La relación entre causas y efectos.

Este artículo trata sobre la definición física de "causalidad". Para conocer la causalidad en filosofía, consulte Causalidad .

Para otros usos de "causalidad", vea causalidad (desambiguación) .

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La causalidad es la relación entre causas y efectos. ^{[1] [2]} Si bien la causalidad también es un tema estudiado desde la perspectiva de la filosofía , desde la perspectiva de la física, se operacionaliza de modo que las causas de un evento deben estar en el cono de luz pasado del evento y, en última instancia, reducirse a interacciones fundamentales . De manera similar, una causa no puede tener un efecto fuera de su futuro cono de luz.

Como concepto físico

En la física clásica, un efecto no puede ocurrir antes de su causa, por lo que las soluciones como las soluciones de tiempo avanzadas del potencial de Liénard-Wiechert se descartan por carecer de significado físico. Tanto en la teoría de la relatividad especial como en la general de Einstein, la causalidad significa que un efecto no puede ocurrir a partir de una causa que no está en el cono de luz posterior (pasado) de ese evento. De manera similar, una causa no puede tener un efecto fuera de su cono de luz frontal (futuro). Estas restricciones son consistentes con la restricción de que la masa y la energía que actúan como influencias causales no pueden viajar más rápido que la velocidad de la luz y / o hacia atrás en el tiempo. En la teoría cuántica de campos , los observables de eventos con unrelación espacial , "en otro lugar", tiene que conmutar , por lo que el orden de las observaciones o las mediciones de tales observables no se impactan entre sí.

Otro requisito de causalidad es que la causa y el efecto estén mediados por el espacio y el tiempo (requisito de contigüidad ). Este requisito ha sido muy influyente en el pasado, en primer lugar como resultado de la observación directa de los procesos causales (como empujar un carro), en segundo lugar como un aspecto problemático de la teoría de la gravitación de Newton (atracción de la tierra por el sol mediante la acción a distancia ) reemplazando propuestas mecanicistas como la teoría del vórtice de Descartes ; en tercer lugar, como un incentivo para desarrollar teorías de campos dinámicos (por ejemplo, la electrodinámica de Maxwell y la teoría general de la relatividad de Einstein) restaurando la contigüidad en la transmisión de influencias de una manera más exitosa que en la teoría de Descartes.

En la física moderna , la noción de causalidad debe aclararse. Las intuiciones de la teoría de la relatividad especial confirmaron el supuesto de causalidad, pero hicieron que el significado de la palabra "simultánea" dependiera del observador. ^[3] En consecuencia, el principio relativista de causalidad dice que la causa debe preceder a su efecto según todos los observadores inerciales . Esto es equivalente a la afirmación de que la causa y su efecto están separados por un tiempo.intervalo, y el efecto pertenece al futuro de su causa. Si un intervalo de tiempo separa los dos eventos, esto significa que se podría enviar una señal entre ellos a una velocidad menor que la de la luz. Por otro lado, si las señales pudieran moverse más rápido que la velocidad de la luz, esto violaría la causalidad porque permitiría enviar una señal a través de intervalos espaciales , lo que significa que al menos para algunos observadores inerciales la señal viajaría hacia atrás en el tiempo . Por esta razón, la relatividad especial no permite una comunicación más rápida que la velocidad de la luz .

En la teoría de la relatividad general , el concepto de causalidad se generaliza de la manera más sencilla: el efecto debe pertenecer al cono de luz futuro de su causa, incluso si el espacio-tiempo es curvo. Se deben tener en cuenta nuevas sutilezas cuando investigamos la causalidad en la mecánica cuántica y en la teoría de campos cuántica relativista en particular. En la teoría cuántica de campos, la causalidad está estrechamente relacionada con el principio de localidad . Sin embargo, se disputa el principio de localidad: si se cumple estrictamente depende de la interpretación de la mecánica cuántica elegida, especialmente para experimentos que involucran entrelazamiento cuántico que satisfacenTeorema de Bell .

A pesar de estas sutilezas, la causalidad sigue siendo un concepto importante y válido en las teorías físicas. Por ejemplo, la noción de que los eventos pueden ordenarse en causas y efectos es necesaria para prevenir (o al menos esbozar) paradojas de causalidad como la paradoja del abuelo , que se pregunta qué sucede si un viajero en el tiempo mata a su propio abuelo antes de conocer al abuelo. abuela del viajero en el tiempo. Véase también la conjetura de protección de la cronología .

Determinismo (o lo que no es la causalidad )

La palabra causalidad en este contexto significa que todos los efectos deben tener causas físicas específicas debido a interacciones fundamentales. ^{[4] La} causalidad en este contexto no está asociada con principios de definición como la segunda ley de Newton . Como tal, en el contexto de la causalidad, una fuerza no hace que una masa se acelere ni viceversa. Más bien, la Segunda Ley de Newton se puede derivar de la conservación del momento , que en sí mismo es una consecuencia de la homogeneidad espacial de las leyes físicas .

La aversión de los empiristas a las explicaciones metafísicas (como la teoría del vórtice de Descartes) significó que los argumentos escolásticos sobre lo que causó los fenómenos fueron rechazados por no ser comprobables o simplemente ignorados. En consecuencia, la queja de que la física no explica la causa de los fenómenos ha sido descartada como un problema ontológico más que empírico (por ejemplo, las " Hypotheses non fingo " de Newton ). Según Ernst Mach ^[5], la noción de fuerza en la segunda ley de Newton era pleonástica , tautológica y superflua y, como se indicó anteriormente, no se considera una consecuencia de ningún principio de causalidad. De hecho, es posible considerar las ecuaciones newtonianas de movimiento de la interacción gravitacional de dos cuerpos,

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

como dos ecuaciones acopladas que describen las posiciones y de los dos cuerpos, sin interpretar los lados derechos de estas ecuaciones como fuerzas ; las ecuaciones simplemente describen un proceso de interacción, sin ninguna necesidad de interpretar un cuerpo como la causa del movimiento del otro, y permiten predecir los estados del sistema en momentos posteriores (así como antes).${\displaystyle \scriptstyle {\mathbf {r} }_{1}(t)}$${\displaystyle \scriptstyle {\mathbf {r} }_{2}(t)}$

Las situaciones ordinarias en las que los humanos señalaron algunos factores en una interacción física como anteriores y, por lo tanto, suplieron el "porque" de la interacción, fueron a menudo situaciones en las que los humanos decidieron provocar algún estado de cosas y dirigieron sus energías a producir ese estado de ánimo. asuntos — un proceso que tomó tiempo para establecerse y dejó un nuevo estado de cosas que persistió más allá del tiempo de actividad del actor. Sin embargo, sería difícil y sin sentido explicar los movimientos de las estrellas binarias entre sí de una manera que, de hecho, son reversibles en el tiempo y agnósticas a la flecha del tiempo , pero con tal dirección del tiempo establecida, el Todo el sistema de evolución podría entonces determinarse por completo.

La posibilidad de tal visión independiente del tiempo está en la base de la visión deductiva-nomológica (DN) de la explicación científica, considerando que un evento debe ser explicado si puede subsumirse bajo una ley científica. En la vista DN, se considera que un estado físico se explica si, aplicando la ley (determinista), se puede derivar de unas condiciones iniciales dadas. (Tales condiciones iniciales podrían incluir los momentos y la distancia entre sí de las estrellas binarias en un momento dado). Tal "explicación por el determinismo" a veces se denomina determinismo causal . Una desventaja de la visión DN es que la causalidad y el determinismo están más o menos identificados. Así, en la física clásica, se asumió que todos los eventos son causados ​​por eventos anteriores de acuerdo con las leyes conocidas de la naturaleza, lo que culminó en la afirmación de Pierre-Simon Laplace de que si el estado actual del mundo se conociera con precisión, podría calcularse para cualquier momento en el futuro o el pasado (ver el demonio de Laplace ). Sin embargo, esto generalmente se conoce como determinismo de Laplace (en lugar de "causalidad de Laplace") porque depende del determinismo en modelos matemáticos como se trata en el problema matemático de Cauchy .

La confusión entre causalidad y determinismo es particularmente aguda en la mecánica cuántica , siendo esta teoría una causal en el sentido de que en muchos casos es incapaz de identificar las causas de los efectos realmente observados o de predecir los efectos de causas idénticas, pero podría decirse que es determinista en algunas interpretaciones ( por ejemplo, si se supone que la función de onda no colapsa realmente como en la interpretación de muchos mundos , o si su colapso se debe a variables ocultas , o simplemente redefiniendo el determinismo en el sentido de que se determinan las probabilidades en lugar de los efectos específicos).

Causalidad distribuida

Las teorías en física como el efecto mariposa de la teoría del caos abren la posibilidad de un tipo de sistemas de parámetros distribuidos en la causalidad. ^{[ cita requerida ]} La teoría del efecto mariposa propone:

"Pequeñas variaciones de la condición inicial de un sistema dinámico no lineal pueden producir grandes variaciones en el comportamiento a largo plazo del sistema".

Esto abre la oportunidad de comprender una causalidad distribuida.

Una forma relacionada de interpretar el efecto mariposa es verlo como resaltando la diferencia entre la aplicación de la noción de causalidad en la física y un uso más general de la causalidad representada por las condiciones INUS de Mackie . En la física clásica (newtoniana), en general, solo se tienen en cuenta (explícitamente) aquellas condiciones que son necesarias y suficientes. Por ejemplo, cuando se hace que una esfera masiva ruede por una pendiente a partir de un punto de equilibrio inestable, entonces se supone que su velocidad es causada por la fuerza de gravedad que la acelera; el pequeño empujón que se necesitó para ponerlo en marcha no se trata explícitamente como una causa. Para que sea una causa física debe haber cierta proporcionalidad con el efecto resultante. Se hace una distinción entre el desencadenamiento y la causa del movimiento de la pelota. ^{[ cita requerida ]} De la misma manera, se puede ver que la mariposa desencadena un tornado, y se asume que su causa está asentada en las energías atmosféricas ya presentes de antemano, más que en los movimientos de una mariposa. ^{[ cita requerida ]}

Triangulación dinámica causal

Artículo principal: triangulación dinámica causal

La triangulación dinámica causal (abreviada como "CDT") inventada por Renate Loll , Jan Ambjørn y Jerzy Jurkiewicz , y popularizada por Fotini Markopoulou y Lee Smolin , es un enfoque de la gravedad cuántica que, como la gravedad cuántica de bucles, es independiente del fondo . Esto significa que no asume ninguna arena preexistente (espacio dimensional), sino que intenta mostrar cómo evoluciona la estructura del espacio-tiempo . The Loops '05La conferencia, organizada por muchos teóricos de la gravedad cuántica de bucles, incluyó varias presentaciones que discutieron CDT en gran profundidad y revelaron que es una idea fundamental para los teóricos. Ha despertado un interés considerable ya que parece tener una buena descripción semiclásica. A gran escala, recrea el familiar espacio-tiempo de 4 dimensiones, pero muestra que el espacio-tiempo es 2-d cerca de la escala de Planck y revela una estructura fractal en porciones de tiempo constante. Usando una estructura llamada simplex , divide el espacio-tiempo en pequeñas secciones triangulares. Un simplex es la forma generalizada de un triángulo , en varias dimensiones. Un 3-simplex generalmente se llama tetraedro, y el 4-simplex, que es el componente básico de esta teoría, también se conoce como pentatopo o pentacoron . Cada símplex es geométricamente plano, pero los simples se pueden "pegar" entre sí de diversas formas para crear espaciotiempos curvos. Donde los intentos previos de triangulación de espacios cuánticos han producido universos desordenados con demasiadas dimensiones, o universos mínimos con muy pocas, CDT evita este problema permitiendo solo aquellas configuraciones donde la causa precede a cualquier efecto. En otras palabras, las líneas de tiempo de todos los bordes unidos de los simples deben coincidir.

Así, tal vez, la causalidad se encuentra en la base de la geometría del espacio-tiempo .

Conjuntos causales

Artículo principal: Conjuntos causales

En la teoría de conjuntos causales, la causalidad ocupa un lugar aún más destacado. La base de este enfoque de la gravedad cuántica está en un teorema de David Malament . Este teorema establece que la estructura causal de un espacio-tiempo es suficiente para reconstruir su clase conforme . Entonces, conocer el factor conforme y la estructura causal es suficiente para conocer el espacio-tiempo. Sobre esta base, Rafael Sorkin propuso la idea de la teoría de conjuntos causales, que es un enfoque fundamentalmente discreto de la gravedad cuántica. La estructura causal del espacio-tiempo se representa como un Poset , mientras que el factor conforme se puede reconstruir identificando cada elemento poset con una unidad de volumen.

Ver también

• Causalidad  : cómo un proceso influye en otro (general)
• Contacto causal
• Sistema causal
• Horizonte de partículas
• Filosofía de la física
• Retrocausalidad  : un experimento mental en filosofía de la ciencia basado en elementos de la física, que aborda si el futuro puede afectar el presente y si el presente puede afectar el pasado.
• Sincronicidad  : concepto junguiano del significado de las coincidencias acausales
• Teoría simétrica en el tiempo de Wheeler-Feynman para la electrodinámica  - interpretación de la electrodinámica

Referencias

1. Verde, Celia (2003). La causa perdida: la causa y el problema cuerpo-mente . Oxford: Foro de Oxford. ISBN  0-9536772-1-4 . Incluye tres capítulos sobre causalidad en el micronivel de la física.
2. Bunge, Mario (1959). Causalidad: el lugar del principio causal en la ciencia moderna . Cambridge: Prensa de la Universidad de Harvard.
3. A. Einstein , "Zur Elektrodynamik bewegter Koerper", Annalen der Physik 17 , 891–921 (1905).
4. "Causalidad". Diccionario de inglés de Cambridge. Consultado el 18 de noviembre de 2018. https://dictionary.cambridge.org/us/dictionary/english/causality
5. Ernst Mach, Die Mechanik in ihrer Entwicklung, Historisch-kritisch dargestellt , Akademie-Verlag, Berlín, 1988, sección 2.7.

Lectura adicional

• Bohm, David. (2005). Causalidad y azar en la física moderna . Londres: Taylor y Francis.
• Miguel Espinoza, Théorie du déterminisme causal , L'Harmattan, París, 2006. ISBN 2-296-01198-5 . 

Enlaces externos

• Procesos causales, Enciclopedia de Filosofía de Stanford
• Tutorial de Caltech sobre relatividad : una buena discusión sobre cómo los observadores que se mueven relativamente entre sí ven diferentes porciones de tiempo.
• Señales más rápidas que c, relatividad especial y causalidad . Este artículo explica que las señales más rápidas que la luz no conducen necesariamente a una violación de la causalidad.
• por John G. Cramer:
  • Comunicación EPR: ¿señales del futuro? "En esta columna quiero contarles sobre este esquema de comunicaciones que viola la causalidad y sus posibles consecuencias".
  • La interpretación transaccional de la mecánica cuántica "3.10 La flecha del tiempo en la interpretación transaccional. El formalismo de la mecánica cuántica, al menos en su formulación relativista invariante, es completamente equilibrado al tratar con la" flecha "del tiempo, la distinción entre futuro y indicaciones en el tiempo pasado ".