La causalidad física es una relación física entre causas y efectos. [1] [2] Se considera fundamental para todas las ciencias naturales y del comportamiento , especialmente la física . La causalidad también es un tema estudiado desde las perspectivas de la filosofía , la estadística y la lógica . 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).
La causalidad puede definirse macroscópicamente, al 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 una transferencia de información. Los modelos físicos pueden obedecer el principio débil sin obedecer a la versión fuerte. [3] [4]
En física clásica, un efecto no puede ocurrir antes que su causa, razón por la cual 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 retroceder en el tiempo. En la teoría cuántica de campos , los observables de eventos con una relación espacial , "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 ). Esta exigencia 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 la sol mediante acción a distancia ) reemplazando propuestas mecanicistas como la teoría del vórtice de Descartes ; en tercer lugar, como incentivo para desarrollar teorías dinámicas de campos (por ejemplo, la electrodinámica de Maxwell y la teoría general de la relatividad de Einstein ) que restablezcan la contigüidad en la transmisión de influencias de manera más exitosa que en la teoría de Descartes.
En la física moderna , era necesario aclarar la noción de causalidad. La palabra simultánea 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 equivale a afirmar que la causa y su efecto están separados por un intervalo de tiempo y que 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 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 que una señal se enviara 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 este motivo, 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 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 relativista de campos 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 dan como resultado 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 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 conocer al abuela del viajero en el tiempo. 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 de definición como la segunda ley de Newton . Como tal, en el contexto de la causalidad, una fuerza no causa que una masa se acelere ni viceversa. Más bien, la Segunda Ley de Newton puede derivarse de la conservación del momento , que a su vez 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 las causas de los fenómenos fueran 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 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 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 necesidad de interpretar un cuerpo como la causa del movimiento del otro, y permiten predecir los estados del sistema en momentos posteriores (y anteriores).
Las situaciones ordinarias en las que los humanos señalaban algunos factores de una interacción física como anteriores y, por lo tanto, proporcionaban el "porque" de la interacción, eran a menudo aquellas en las que los humanos decidían provocar algún estado de cosas y dirigían 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 e inútil, sin embargo, explicar los movimientos de las estrellas binarias entre sí de una manera que, de hecho, es reversible en el tiempo y agnóstica a la flecha del tiempo , pero con tal dirección del tiempo establecida, la Entonces todo el sistema evolutivo podría determinarse por completo.
La posibilidad de una visión independiente del tiempo está en la base de la visión nomológica deductiva (DN) de la explicación científica, que considera que un evento puede explicarse si puede subsumirse bajo una ley científica. Desde el punto de vista de DN, se considera que un estado físico está explicado si, aplicando la ley (determinista), puede derivarse de condiciones iniciales dadas. (Dichas condiciones iniciales podrían incluir los momentos y la distancia entre sí de las estrellas binarias en cualquier momento dado.) Esta "explicación mediante el determinismo" a veces se denomina determinismo causal . Una desventaja de la visión de DN es que la causalidad y el determinismo están más o menos identificados. Así, en la física clásica , se suponía que todos los acontecimientos son causados por otros anteriores según las leyes conocidas de la naturaleza, culminando con la afirmación de Pierre-Simon Laplace de que si el estado actual del mundo fuera conocido con precisión, podría ser calculado para cualquier momento en el futuro o en 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 los modelos matemáticos tal como 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 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 en realidad no colapsa 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 probabilidades en lugar de efectos específicos).
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 necesaria ] 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 un resaltante de la diferencia entre la aplicación de la noción de causalidad en física y un uso más general de la causalidad representada por las condiciones INUS de Mackie . En la física clásica (newtoniana), en general, sólo se tienen en cuenta (explícitamente) aquellas condiciones que son a la vez necesarias y suficientes. Por ejemplo, cuando se hace que una esfera masiva ruede cuesta abajo 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 aborda explícitamente como causa. Para que sea causa física debe haber cierta proporcionalidad con el efecto resultante. Se hace una distinción entre desencadenante y causación del movimiento de la pelota. [ cita necesaria ] Por la misma razón, se puede considerar que la mariposa desencadena un tornado, y se supone que su causa está en las energías atmosféricas ya presentes de antemano, en lugar de en los movimientos de una mariposa. [ cita necesaria ]
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 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. 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 poset , mientras que el factor conforme se puede reconstruir identificando cada elemento poset con una unidad de volumen.
Por causalidad física se entiende un efecto causado por una interferencia física propagada por una fuerza desde el objeto A al objeto B. El momento se propaga por la fuerza de acuerdo con el teorema de Noether aplicado a la invariancia traslacional en la teoría de campos lagrangiana , que se utiliza para describir las fuerzas fundamentales. de la naturaleza cuando se aplica al modelo estándar .
