Causalidad (física)

La causalidad es la relación entre causas y efectos. Si bien la causalidad también es un tema estudiado desde las perspectivas de la filosofía y 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, reducibles a interacciones fundamentales. De manera similar, una causa no puede tener un efecto fuera de su futuro cono de luz.

Como un concepto físico

En la física clásica, un efecto no puede ocurrir antessu causa, por lo que soluciones como las soluciones de tiempo avanzado del potencial de Liénard-Wiechert se descartan como físicamente sin sentido. 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 retroceder en el tiempo. En la teoría cuántica de campos, los observables de eventos con una relación similar al espacio, "en otro lugar", tienen que conmutar, por lo que el orden de las observaciones o mediciones de dichos observables no se impactan entre sí.

Otro requisito de la causalidad es que la causa y el efecto estén mediados a través del 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 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 incentivo para desarrollar teorías dinámicas de campos (eg, la electrodinámica de Maxwell y la teoría general de la relatividad de Einstein) restaurando la contigüidad en la transmisión de influencias de manera más exitosa que en la teoría de Descartes.

En la física moderna, la noción de causalidad tuvo que ser aclarada. Las ideas de la teoría de la relatividad especial confirmaron la suposición de causalidad, pero hicieron que el significado de la palabra "simultáneo" fuera dependiente del observador. 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 intervalo de tiempo, y el efecto pertenece al futuro de su causa. Si un intervalo de tiempo separa los dos eventos, esto significa que podría enviarse una señal entre ellos a menos de la velocidad 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 similares al espacio, 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 directa: el efecto debe pertenecer al futuro cono de luz de su causa, incluso si el espacio-tiempo es curvo. Deben tenerse en cuenta nuevas sutilezas cuando investigamos la causalidad en la mecánica cuántica y, en particular, en la teoría cuántica relativista de campos. En esas dos teorías, la causalidad está íntimamente relacionada con el principio de localidad. Sin embargo, se discute 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 satisfacen el teorema 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 se pueden ordenar en causas y efectos es necesaria para prevenir (o al menos esbozar) paradojas de causalidad como la paradoja del abuelo, que pregunta qué sucede si un viajero en el tiempo mata a su propio abuelo antes de que se encuentre con el. la abuela del viajero del tiempo. Véase también Conjetura de protección de la cronología.

Determinismo (o, lo que no es causalidad)

La palabra causalidad en este contexto significa que todos los efectos deben tener causas físicas específicas debido a interacciones fundamentales. La causalidad en este contexto no está asociada con principios definitorios 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 acerca de qué causaba los fenómenos fueran rechazados por no ser verificables o simplemente ignorados. En consecuencia, la queja de que la física no explica la causa de los fenómenos ha sido descartada como un problema filosófico o metafísico más que empírico (p. ej., la "Hipótesis non fingo" de Newton). Según Ernst Mach, 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,

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 anteriores).

Las situaciones ordinarias en las que los humanos destacaron algunos factores en una interacción física como anteriores y, por lo tanto, proporcionaron el "porque" de la interacción, fueron a menudo aquellas en las que los humanos decidieron provocar algún estado de cosas y dirigieron sus energías para producir ese estado de cosas. 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. Sería difícil y sin sentido, sin embargo, explicar los movimientos de las estrellas binarias entre sí de esa 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 ser completamente determinado.

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 puede explicarse si puede subsumirse bajo una ley científica. En la vista DN, se considera que un estado físico está explicado si, aplicando la ley (determinista), puede derivarse de 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 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 suponía que todos los eventos son causados ​​por otros anteriores de acuerdo con las leyes conocidas de la naturaleza, culminando en Pierre-Simon Laplace'. s afirman que si el estado actual del mundo se conociera con precisión, podría calcularse para cualquier momento en el futuro o en el pasado (ver el demonio de Laplace). Sin embargo, esto generalmente se conoce como Laplace.determinismo (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 acausal 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 colapsará 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

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. 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 entender 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 rodar una esfera masiva por una pendiente a partir de un punto de equilibrio inestable, se supone que su velocidad es causada por la fuerza de gravedad que la acelera; el pequeño empujón que fue necesario para ponerlo en marcha no se trata explícitamente como una causa. Para que sea una causa física debe haber una cierta proporcionalidad con el efecto resultante. Se establece una distinción entre activación y causalidad del movimiento de la pelota.De la misma manera, se puede ver a la mariposa desencadenando un tornado, asumiendo que su causa está asentada en las energías atmosféricas ya presentes de antemano, más que en los movimientos de una mariposa.

Triangulación dinámica causal

Triangulación dinámica causal(abreviado como "CDT") inventado por Renate Loll, Jan Ambjørn y Jerzy Jurkiewicz, y popularizado por Fotini Markopoulou y Lee Smolin, es un enfoque de la gravedad cuántica que, al igual que la gravedad cuántica de bucle, es independiente del fondo. Esto significa que no asume ninguna arena preexistente (espacio dimensional), sino que intenta mostrar cómo evoluciona el tejido del espacio-tiempo. La conferencia Loops '05, organizada por muchos teóricos de la gravedad cuántica de bucles, incluyó varias presentaciones que discutieron la CDT en gran profundidad y reveló 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 bidimensional cerca de la escala de Planck, y revela una estructura fractal en rebanadas de tiempo constante. Usando una estructura llamada simplex, divide el espacio-tiempo en pequeñas secciones triangulares. Un símplex es la forma generalizada de un triángulo, en varias dimensiones. Un 3-simple se suele llamar tetraedro, y el 4-simple, que es el componente básico de esta teoría, también se conoce como pentátopo o pentacoron. Cada símplex es geométricamente plano, pero los símplex se pueden "pegar" entre sí de diversas formas para crear espaciotiempos curvos. Donde los intentos previos de triangulación de espacios cuánticos han producido universos revueltos con demasiadas dimensiones, o universos mínimos con muy pocas, CDT evita este problema al permitir solo aquellas configuraciones donde la causa precede a cualquier efecto. En otras palabras, las líneas de tiempo de todos los bordes unidos de simples deben coincidir. Usando una estructura llamada simplex, divide el espacio-tiempo en pequeñas secciones triangulares. Un símplex es la forma generalizada de un triángulo, en varias dimensiones. Un 3-simple se suele llamar tetraedro, y el 4-simple, que es el componente básico de esta teoría, también se conoce como pentátopo o pentacoron. Cada símplex es geométricamente plano, pero los símplex se pueden "pegar" entre sí de diversas formas para crear espaciotiempos curvos. Donde los intentos previos de triangulación de espacios cuánticos han producido universos revueltos con demasiadas dimensiones, o universos mínimos con muy pocas, CDT evita este problema al permitir solo aquellas configuraciones donde la causa precede a cualquier efecto. En otras palabras, las líneas de tiempo de todos los bordes unidos de simples deben coincidir. Usando una estructura llamada simplex, divide el espacio-tiempo en pequeñas secciones triangulares. Un símplex es la forma generalizada de un triángulo, en varias dimensiones. Un 3-simple se suele llamar tetraedro, y el 4-simple, que es el componente básico de esta teoría, también se conoce como pentátopo o pentacoron. Cada símplex es geométricamente plano, pero los símplex se pueden "pegar" entre sí de diversas formas para crear espaciotiempos curvos. Donde los intentos previos de triangulación de espacios cuánticos han producido universos revueltos con demasiadas dimensiones, o universos mínimos con muy pocas, CDT evita este problema al permitir solo aquellas configuraciones donde la causa precede a cualquier efecto. En otras palabras, las líneas de tiempo de todos los bordes unidos de simples deben coincidir. divide el espacio-tiempo en diminutas secciones triangulares. Un símplex es la forma generalizada de un triángulo, en varias dimensiones. Un 3-simple se suele llamar tetraedro, y el 4-simple, que es el componente básico de esta teoría, también se conoce como pentátopo o pentacoron. Cada símplex es geométricamente plano, pero los símplex se pueden "pegar" entre sí de diversas formas para crear espaciotiempos curvos. Donde los intentos previos de triangulación de espacios cuánticos han producido universos revueltos con demasiadas dimensiones, o universos mínimos con muy pocas, CDT evita este problema al permitir solo aquellas configuraciones donde la causa precede a cualquier efecto. En otras palabras, las líneas de tiempo de todos los bordes unidos de simples deben coincidir. divide el espacio-tiempo en diminutas secciones triangulares. Un símplex es la forma generalizada de un triángulo, en varias dimensiones. Un 3-simple se suele llamar tetraedro, y el 4-simple, que es el componente básico de esta teoría, también se conoce como pentátopo o pentacoron. Cada símplex es geométricamente plano, pero los símplex se pueden "pegar" entre sí de diversas formas para crear espaciotiempos curvos. Donde los intentos previos de triangulación de espacios cuánticos han producido universos revueltos con demasiadas dimensiones, o universos mínimos con muy pocas, CDT evita este problema al permitir solo aquellas configuraciones donde la causa precede a cualquier efecto. En otras palabras, las líneas de tiempo de todos los bordes unidos de simples deben coincidir. Un 3-simple se suele llamar tetraedro, y el 4-simple, que es el componente básico de esta teoría, también se conoce como pentátopo o pentacoron. Cada símplex es geométricamente plano, pero los símplex se pueden "pegar" entre sí de diversas formas para crear espaciotiempos curvos. Donde los intentos previos de triangulación de espacios cuánticos han producido universos revueltos con demasiadas dimensiones, o universos mínimos con muy pocas, CDT evita este problema al permitir solo aquellas configuraciones donde la causa precede a cualquier efecto. En otras palabras, las líneas de tiempo de todos los bordes unidos de simples deben coincidir. Un 3-simple se suele llamar tetraedro, y el 4-simple, que es el componente básico de esta teoría, también se conoce como pentátopo o pentacoron. Cada símplex es geométricamente plano, pero los símplex se pueden "pegar" entre sí de diversas formas para crear espaciotiempos curvos. Donde los intentos previos de triangulación de espacios cuánticos han producido universos revueltos con demasiadas dimensiones, o universos mínimos con muy pocas, CDT evita este problema al permitir solo aquellas configuraciones donde la causa precede a cualquier efecto. En otras palabras, las líneas de tiempo de todos los bordes unidos de simples deben coincidir. juntos en una variedad de formas para crear espaciotiempos curvos. Donde los intentos previos de triangulación de espacios cuánticos han producido universos revueltos con demasiadas dimensiones, o universos mínimos con muy pocas, CDT evita este problema al permitir solo aquellas configuraciones donde la causa precede a cualquier efecto. En otras palabras, las líneas de tiempo de todos los bordes unidos de simples deben coincidir. juntos en una variedad de formas para crear espaciotiempos curvos. Donde los intentos previos de triangulación de espacios cuánticos han producido universos revueltos con demasiadas dimensiones, o universos mínimos con muy pocas, CDT evita este problema al permitir solo aquellas configuraciones donde la causa precede a cualquier efecto. En otras palabras, las líneas de tiempo de todos los bordes unidos de simples deben coincidir.

Así, tal vez, la causalidad esté en el fundamento de la geometría del espacio-tiempo.

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 espaciotiempo es suficiente para reconstruir su clase conforme, por lo que conocer el factor conforme y la estructura causal es suficiente para conocer el espaciotiempo. Basado en esto, Rafael Sorkin propuso la idea de la Teoría Causal de Conjuntos, 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 del Poset con una unidad de volumen.