La causalidad es la relación entre causas y efectos. [1] [2] 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, ser reducibles a interacciones fundamentales . De manera similar, una causa no puede tener un efecto fuera de su cono de luz futuro.
La causalidad puede definirse macroscópicamente, a nivel de los observadores humanos, o microscópicamente, para eventos fundamentales a nivel atómico. El principio de causalidad fuerte prohíbe la transferencia de información a una velocidad superior a la de la luz ; el principio de causalidad débil opera a nivel microscópico y no necesariamente conduce a la transferencia de información. Los modelos físicos pueden obedecer al principio débil sin obedecer a la versión fuerte. [3] [4]
En física clásica, un efecto no puede ocurrir antes de su causa, por lo que soluciones como las soluciones de tiempo avanzado del potencial de Liénard-Wiechert se descartan por carecer de sentido 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 esté 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 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 sean 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 por medio de 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 tuvo que ser clarificada. La palabra simultáneo depende del observador en la relatividad especial . [5] El principio es la relatividad de la simultaneidad . 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 temporal , y el efecto pertenece al futuro de su causa. Si un intervalo temporal separa los dos eventos, esto significa que una señal podría enviarse 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 que una señal se enviara 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 la 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. Se deben tener en cuenta nuevas sutilezas cuando investigamos la causalidad en la mecánica cuántica y en la teoría cuántica de campos relativista en particular. En esas dos teorías, la causalidad está estrechamente relacionada con el principio de localidad . El teorema de Bell muestra que las condiciones de "causalidad local" en experimentos que involucran entrelazamiento cuántico resultan en correlaciones no clásicas predichas por la mecánica cuántica.
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 acontecimientos pueden ordenarse en causas y efectos es necesaria para prevenir (o al menos delinear) 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 conocer a su abuela. Véase también Conjetura de protección de la cronología .
La palabra causalidad en este contexto significa que todos los efectos deben tener causas físicas específicas debido a interacciones fundamentales. [6] 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 puede derivarse de la conservación del momento , que en sí misma 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 qué causaba los fenómenos fueron rechazados por ser inverificables o simplemente ignorados. La queja de que la física no explica la causa de los fenómenos ha sido, en consecuencia, descartada como un problema filosófico o metafísico más que empírico (por ejemplo, las " Hipótesis non fingo " de Newton). Según Ernst Mach [7] 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 gravitatoria 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 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 señalaban algunos factores de una interacción física como anteriores y, por lo tanto, como causa de la interacción, eran a menudo aquellas en las que los humanos decidían generar algún estado de cosas y dirigían sus energías a producir ese estado de cosas, un proceso que llevaba tiempo establecerse y dejaba un nuevo estado de cosas que persistía más allá del tiempo de actividad del actor. Sin embargo, sería difícil e inútil 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 esa dirección del tiempo establecida, todo el sistema de evolución podría entonces determinarse por completo.
La posibilidad de una visión independiente del tiempo de este tipo está en la base de la visión nomológica-deductiva (DN) de la explicación científica, que considera que un evento se explica si puede subsumirse en una ley científica. En la visión DN, se considera que un estado físico se explica si, aplicando la ley (determinista), se puede derivar de condiciones iniciales dadas. (Tales condiciones iniciales podrían incluir los momentos y la distancia entre sí de las estrellas binarias en un momento dado). Esta "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 asumió que todos los eventos son causados por otros 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 suele denominarse determinismo de Laplace (en lugar de "causalidad de Laplace") porque depende del determinismo en modelos matemáticos como el que se aborda 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 es incapaz en muchos casos de identificar las causas de efectos realmente observados o de predecir los efectos de causas idénticas, pero podría decirse que es determinista en algunas interpretaciones (por ejemplo, si se presume que la función de onda no colapsa realmente como en la interpretación de los muchos mundos , o si su colapso se debe a variables ocultas , o simplemente redefiniendo el determinismo como que significa que se determinan las probabilidades en lugar de los efectos específicos).
Las teorías de la 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 una puesta de relieve de la diferencia entre la aplicación de la noción de causalidad en física y un uso más general de la causalidad como el representado 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 partiendo de un punto de equilibrio inestable , se supone que su velocidad es causada por la fuerza de la gravedad que la acelera; el pequeño empujón que se necesitó para ponerla en movimiento no se trata explícitamente como una causa. Para que sea una causa física debe haber una cierta proporcionalidad con el efecto resultante. Se hace una distinción entre el desencadenamiento y la causalidad del movimiento de la pelota. [ cita requerida ] De la misma manera, se puede ver a la mariposa como desencadenante de un tornado, suponiendo que su causa está radicada en las energías atmosféricas ya presentes de antemano, en lugar de en los movimientos de una mariposa. [ cita requerida ]
En la teoría de conjuntos causales, la causalidad ocupa un lugar aún más destacado. La base de este enfoque de la gravedad cuántica se encuentra en un teorema de David Malament . Este teorema establece que la estructura causal de un espacio-tiempo es suficiente para reconstruir su clase conforme , por lo que conocer el factor conforme y la estructura causal es suficiente para conocer el espacio-tiempo. Basándose en esto, 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 conjunto parcial , mientras que el factor conforme se puede reconstruir identificando cada elemento del conjunto parcial con un volumen unitario.
