Kausalität ist die Beziehung zwischen Ursachen und Effekten. Wie man betrachtet, ist es für die ganze Naturwissenschaft, besonders Physik grundsätzlich. Kausalität ist auch ein Thema, das von den Perspektiven der Philosophie und Statistik studiert ist.

Grundlegende Konzepte der Ursache und Wirkung

Menschen haben ein praktisches Interesse an ihren Umgebungen und neigen dazu, gegen die Idee widerstandsfähig zu sein, dass Dinge "gerade geschehen." Wenn ein oder mehr Schafe sterben, werden Menschen versuchen, warum zu entdecken. Das Lernen, was die Schafe getötet hat, ist ein wichtiger Schritt im Schutz der Herde. Die Frage kann als ausgedrückt werden, "Was veranlasste die Schafe zu sterben?" Die Antwort kann "Der Wolf sein hat ihre Hälse gebrochen," oder, "Zu viel Klee essend, hat sie zu bloat verursacht." Diese Erklärungen nehmen die Anwesenheit eines Agenten von einer Art an. In Fällen, wo eine offensichtliche Ursache nicht entdeckt wird, können Menschen die Ereignisse Wundern oder schlechten übernatürlichen Agenturen zuschreiben, oder eine unbegründete Theorie schaffen, etwas als ein begründender Agent zu präsentieren. Es gibt eine gelehrte Vorliebe für eine Alternative zum Ausspruch, dass etwas vorgekommen ist, ohne dort ein Grund dafür zu sein. Jedes Ereignis, das, wie 'unverursacht', steht, kann uns anregen, die hervorspringenden Ereignisse in der Umgebung dieses Ereignisses zu verstehen.

man versucht, auf Fragen solcher als, "Zu antworten warum kocht das Wasser?" es ist verführerisch, nach einer einzelnen verantwortlichen Zahl zu suchen: "Mutter hat den Brenner unter dem Teekessel angezündet." Jedoch zeigt nähere Überprüfung, dass die Beleuchtung einer Flamme nicht die einzige Eigenschaft ist, die verantwortlich gewesen werden muss. Nähere Studie zeigt, dass der umgebende Luftdruck ein Steuern-Faktor, der Ernst der Erde ist, der meint, dass das Wasser im Topf ein Steuern-Faktor ist, ist die Temperatur, zu der das Wasser geheizt worden ist, ein Steuern-Faktor usw.

In Anbetracht einer Situation, in der Wasser bereits in einem Teekessel oben auf einem Brenner dann sitzt, kann jemand, das Benzin unter dem Kessel anzündend, als die "Ursache" des Kochens von Wasser wahrgenommen werden. Aber in derselben Situation würde das Wasser auch kochen, wenn der Luftdruck genug reduziert würde. In mehr komplizierten Situationen können mehr Faktoren, die Ergebnisse beeinflussen, beteiligt werden. Das Unterliegen den Erwartungen, dass die meisten Menschen hinsichtlich der Wechselwirkungen dieser mehrerer Faktoren halten, ist tägliche Erfahrungen, in denen jemand schafft, ein gewünschtes Ergebnis zu erzeugen. "Wenn ich diesen Schlüssel drehe, wird der Motor anfangen." Das kann eine wahre Behauptung sein, aber das Unterliegen ihr ist ein sehr komplizierter Satz von Bedingungen, die alle im Platz sein müssen. So neigt die Idee von "der Ursache" dazu, sich auf Vordergrundereignisse zu konzentrieren und notwendige Faktoren auszulassen, die im Vordergrund wohnen.

Echte Weltfaktoren können dazwischenliegen, um vereinfachte Ideen von der Verursachung herauszufordern. Das Wasser in einem Schnellkochtopf wird an 100 Grad Celsius nicht kochen. Der Schlüssel wird gedreht, aber der Automotor wird nicht anfangen. So an diesem Niveau der Kultiviertheit ist es nicht schwierig, Annahme einer mehr raffinierten Idee von der Verursachung zu gewinnen. Und, in der Praxis, nehmen wenige Personen an, ein gewünschtes Ergebnis zu bekommen, ohne die Bedingungen erfüllt zu haben, die notwendig sind, um es zu verdienen. Leute können eine Million Dollar wünschen, aber sie möchten für den heißen Toast aus einem kalten und leeren Toaster nicht erscheinen.

Die abstrakteste Form des Arguments von der Erfahrung ist: (1) Tun etwas und bekommen ein bestimmtes Ergebnis. (2) tun es nicht und bekommen das Ergebnis nicht. Folglich ist eine Ursache sowohl genügend (1) als auch notwendig (2), damit das Ereignis geschieht.

Eine andere mit der täglichen Erfahrung im Einklang stehende Lehre ist, dass diese Folgen rückwärts nicht arbeiten. Zum Beispiel, wenn einer Tasse von kochendem Wasser erlaubt wird, bei der Raumtemperatur dann zu sitzen, wird es zur Raumtemperatur kühl werden, aber wenn einer Tasse von Raumtemperaturwasser erlaubt wird, bei der Raumtemperatur zu sitzen, wird es sich zum Punkt nicht erwärmen, dass es kocht. Also gibt es einen 'sequentiality' in Ereignissen, die für Menschen von ihrer täglichen Erfahrung vertraut sind. Wann auch immer dieser 'sequentiality' entdeckt oder geglaubt wird da zu sein, wie man sagt, ist die zeitlich vorherige Änderung eine Ursache, und, wie man sagt, ist die zeitlich spätere Änderung eine Wirkung.

Eine Spalte in diesem Glaube-System ist durch die Radioaktivität erzeugt worden. Ein Atom von einer radioaktiven Substanz wie Radium wird schließlich verfallen, und im Prozess wird es Energie ausstrahlen. Aber es gibt kein bekanntes Auslösen-Ereignis, das als die Ursache dieses Zerfall-Ereignisses dienen konnte. In einer großen Sammlung von Radium-Atomen kann die Rate des Zerfalls genau vorausgesagt werden, aber die Identität der verfallenen Atome kann im Voraus nicht bestimmt werden. Ihr Zerfall ist zufällig und wurde betrachtet, in einem älteren Fachwerk der Quant-Theorie unverursacht zu werden. Unter der neuen Formulierung, spontane Emission zum Beispiel, wird durch Vakuumschwankungen begonnen.

Eine andere Spalte in diesem Glaube-System ist durch das Quant mechanische solche Ereignisse erzeugt worden, dass dieselbe Folge von kausalen Ereignissen (oder kausalen Faktoren) regelmäßig verschiedene Effekten erzeugt (d. h., Ergebnisse), aber die Ergebnisse können sich in einer zufälligen (unerkennbaren) Folge wiederholen. Außerdem können die Prozentsätze von Ergebnissen jeder Art berechnet werden, und sie sind hoch voraussagbar.

Ergebnisse dieser Art werden in der Makrowelt von Menschen nur im Fall von gekrümmten Roulette-Rädern oder anderen solchen gekrümmten Spielgeräten gesehen, da legitime Roulette-Räder eine gleiche Wahrscheinlichkeit des Aufhörens an jeder Position haben sollten.

Verschiedene Konzepte der Ursache und Wirkung in der Physik

In der Physik ist es nützlich, bestimmte Begriffe einer physischen Theorie als Ursachen und andere Begriffe als Effekten zu interpretieren. So in der klassischen (Newtonischen) Mechanik kann eine Ursache durch eine Kraft vertreten werden, die einem Körper und einer Wirkung durch die Beschleunigung folgt, die, wie quantitativ erklärt, durch das zweite Gesetz von Newton folgt. Für verschiedene physische Theorien können die Begriffe der Ursache und Wirkung verschieden sein. Zum Beispiel, in der Aristotelischen Physik, wie man sagt, ist die Wirkung nicht Beschleunigung, aber ist nicht Geschwindigkeit (man muss einen Karren zweimal so hart stoßen, um seine Geschwindigkeit verdoppeln zu lassen). In der allgemeinen Relativitätstheorie, auch, ist Beschleunigung nicht eine Wirkung (da es nicht ein allgemein relativistischer Vektor ist); die allgemeinen relativistischen mit denjenigen der Newtonischen Mechanik vergleichbaren Effekten sind die Abweichungen von der geodätischen Bewegung in der gekrümmten Raum-Zeit. Außerdem ist die Bedeutung der "unverursachten Bewegung" von der Theorie abhängig, die wird verwendet: für Aristoteles ist es (absoluter) Rest für Newton es ist Trägheitsbewegung (unveränderliche Geschwindigkeit in Bezug auf ein Trägheitsbezugssystem) in der allgemeinen Relativitätstheorie, die es geodätische Bewegung ist (um im Vergleich zur frictionless Bewegung auf der Oberfläche eines Bereichs an der unveränderlichen tangentialen Geschwindigkeit entlang einem großen Kreis zu sein). So, was eine "Ursache" einsetzt, und was eine "Wirkung" einsetzt, hängt vom Gesamtsystem der Erklärung ab, in der die vermeintliche kausale Folge eingebettet wird.

Eine Formulierung von physischen Gesetzen in Bezug auf die Ursache und Wirkung ist zu den Zwecken der Erklärung und Vorhersage nützlich. Zum Beispiel in der Newtonischen Mechanik kann eine beobachtete Beschleunigung bezüglich einer angewandten Kraft erklärt werden. So kann das zweite Gesetz des Newtons verwendet werden, um vorauszusagen, dass die Kraft, die notwendig ist eine gewünschte Beschleunigung begreift.

In der klassischen Physik sollte eine Ursache immer seiner Wirkung vorangehen. In der Relativitätstheorie wird diese Voraussetzung gestärkt, um Ursachen auf den Rücken (voriger) leichter Kegel des Ereignisses zu beschränken, das (die "Wirkung") zu erklären ist; noch ein Ereignis kann eine Ursache jedes Ereignisses außerhalb des leichten (zukünftigen) Vorderkegels des ehemaligen Ereignisses sein. Diese Beschränkungen sind mit dem niedergelegten Glauben im Einklang stehend (oder Annahme), dass kausale Einflüsse schneller nicht reisen können als die Geschwindigkeit des Lichtes und/oder umgekehrt rechtzeitig.

Eine andere Voraussetzung, die mindestens am Niveau der menschlichen Erfahrung gültig ist, ist, dass Ursache und Wirkung über die Zeit und Raum (Voraussetzung der Berührung) vermittelt wird. Diese Voraussetzung ist in der Vergangenheit, an erster Stelle infolge der direkten Beobachtung von kausalen Prozessen (wie das Stoßen eines Karrens), an zweiter Stelle als ein problematischer Aspekt der Gravitationstheorie von Newton (Anziehungskraft der Erde durch die Sonne mittels der Handlung in einer Entfernung) das Ersetzen mechanistischer Vorschläge wie die Wirbelwind-Theorie von Descartes sehr einflussreich gewesen; im dritten Platz als ein Ansporn, dynamische Feldtheorien (z.B die Elektrodynamik von Maxwell und die allgemeine Relativitätstheorie von Einstein) zu entwickeln, hat Wiederherstellung der Berührung in der Übertragung von Einflüssen auf eine erfolgreichere Weise als die Theorie von Descartes getan.

Die Abneigung der Empiriker gegen metaphysische Erklärungen (wie die Wirbelwind-Theorie von Descartes) leiht schweren Einfluss gegen die Idee von der Wichtigkeit von der Kausalität. Kausalität ist entsprechend manchmal (z.B, die "Hypothesen von Newton nicht fingo") heruntergespielt worden. Gemäß Ernst Mach war der Begriff der Kraft im zweiten Gesetz von Newton pleonastisch, tautologisch und überflüssig. Tatsächlich ist es möglich, die Newtonischen Gleichungen der Bewegung der Gravitationswechselwirkung zwischen der Sonne (N) und einem Planeten (p), zu denken

als zwei verbundene Gleichungen, die die Positionen und des Planeten und der Sonne beschreiben, ohne die rechten Seiten dieser Gleichungen als Kräfte zu interpretieren; die Gleichungen beschreiben gerade einen Prozess der Wechselwirkung ohne jede Notwendigkeit, die Sonne als die Ursache der Bewegung des Planeten (oder umgekehrt) zu interpretieren, und demjenigen zu erlauben, die Staaten des Systems s+p an später (sowie früher) Zeiten vorauszusagen.

Die gewöhnlichen Situationen, in denen Menschen einige Faktoren in einer physischen Wechselwirkung als vorherig seiend und deshalb liefernd ausgesucht haben, "weil" der Wechselwirkung häufig waren, in denen sich Menschen dafür entschieden haben, eine Lage der Dinge zu verursachen, und ihre Energien zum Produzieren dieser Lage der Dinge — ein Prozess geleitet haben, der Zeit in Anspruch genommen hat, um zu gründen, und eine neue Lage der Dinge verlassen hat, die außer der Zeit der Tätigkeit des Schauspielers angedauert hat. Es würde schwierig und jedoch sinnlos sein, die Bewegungen von binären Sternen in Bezug auf einander auf diese Weise zu erklären.

Die Möglichkeit solch einer zeitunabhängigen Ansicht ist an der Basis der deduktiven-nomological (D-N) Ansicht von der wissenschaftlichen Erklärung, ein Ereignis denkend, erklärt zu werden, ob es nach einem wissenschaftlichen Gesetz untergeordnet werden kann. In der D-N-Ansicht, wie man betrachtet, wird ein physischer Staat erklärt, ob, das (deterministische) Gesetz anwendend, es aus gegebenen anfänglichen Bedingungen abgeleitet werden kann. (Solche anfänglichen Bedingungen konnten die Schwünge und Entfernung von einander von binären Sternen in jedem gegebenen Moment einschließen.) Solche 'Erklärung durch den Determinismus' wird manchmal kausalen Determinismus genannt. Ein Nachteil der D-N-Ansicht ist, dass Kausalität und Determinismus mehr oder weniger identifiziert werden. So, in der klassischen Physik, wurde es angenommen, dass alle Ereignisse durch frühere gemäß den bekannten Naturgesetzen verursacht werden, im Anspruch von Pierre-Simon Laplace kulminierend, dass, wenn der aktuelle Staat der Welt mit der Präzision bekannt war, es für jede Zeit mit der Zukunft oder der Vergangenheit geschätzt werden konnte (sieh den Dämon von Laplace). Jedoch wird das gewöhnlich Determinismus von Laplace genannt (aber nicht `Kausalität von Laplace'), weil es von Determinismus in mathematischen Modellen, wie befasst, im mathematischen Problem von Cauchy abhängt. Die Verwirrung der Kausalität und des Determinismus ist in der Quant-Mechanik, diese Theorie besonders akut, die acausal (infolge von seiner Unfähigkeit ist, Beschreibungen der Ursachen aller wirklich beobachteten Effekten zur Verfügung zu stellen), aber deterministisch im mathematischen Sinn.

In der modernen Physik musste der Begriff der Kausalität geklärt werden. Die Einblicke der Theorie der speziellen Relativität haben die Annahme der Kausalität bestätigt, aber sie haben die Bedeutung des Wortes "gleichzeitigen" Beobachter-Abhängigen gemacht. Folglich sagt der relativistische Grundsatz der Kausalität, dass die Ursache seiner Wirkung gemäß allen Trägheitsbeobachtern vorangehen muss. Das ist zur Behauptung gleichwertig, dass die Ursache und seine Wirkung durch einen Zeitmäßigzwischenraum getrennt werden, und die Wirkung der Zukunft seiner Ursache gehört. Wenn ein Zeitmäßigzwischenraum die zwei Ereignisse trennt, bedeutet das, dass ein Signal zwischen ihnen an weniger gesandt werden konnte als die Geschwindigkeit des Lichtes. Andererseits, wenn sich Signale schneller bewegen konnten als die Geschwindigkeit des Lichtes, würde das Kausalität verletzen, weil es einem Signal erlauben würde, über Raummäßigzwischenräume gesandt zu werden, was bedeutet, dass mindestens einigen Trägheitsbeobachtern das Signal rückwärts rechtzeitig reisen würde. Deshalb erlaubt spezielle Relativität Kommunikation schneller nicht als die Geschwindigkeit des Lichtes.

In der Theorie der allgemeinen Relativität wird das Konzept der Kausalität auf die aufrichtigste Weise verallgemeinert: Die Wirkung muss dem zukünftigen leichten Kegel seiner Ursache gehören, selbst wenn die Raum-Zeit gebogen wird. Neue Subtilität muss in Betracht gezogen werden, wenn wir Kausalität in der Quant-Mechanik und relativistischen Quant-Feldtheorie untersuchen insbesondere. In der Quant-Feldtheorie ist Kausalität nah mit dem Grundsatz der Gegend verbunden. Jedoch wird der Grundsatz der Gegend diskutiert: Ob es ausschließlich hält, hängt von der Interpretation der Quant-Mechanik gewählt besonders für Experimente ab, die mit Quant-Verwicklung verbunden sind, die den Lehrsatz der Glocke befriedigen.

Trotz dieser Subtilität bleibt Kausalität ein wichtiges und gültiges Konzept in physischen Theorien. Zum Beispiel ist der Begriff, dass Ereignisse in Ursachen und Effekten bestellt werden können, notwendig, um zu verhindern (oder mindestens zu entwerfen), Kausalitätsparadoxe wie das Großvater-Paradox, das fragt, was geschieht, wenn ein Zeitreisender seinen eigenen Großvater tötet, bevor er jemals die Großmutter des Zeitreisenden trifft. Siehe auch Chronologie-Schutzvermutung.

Verteilte Kausalität

Theorien in der Physik wie die Schmetterling-Wirkung aus der Verwirrungstheorie öffnen die Möglichkeit eines Typs von verteilten Parameter-Systemen in der Kausalität. Die Schmetterling-Wirkungstheorie hat vor:

Das öffnet die Gelegenheit, eine verteilte Kausalität zu verstehen.

Eine zusammenhängende Weise, die Schmetterling-Wirkung zu interpretieren, ist, es als das Hervorheben des Unterschieds zwischen der Anwendung des Begriffs der Kausalität in der Physik und einem allgemeineren Gebrauch der Kausalität, wie vertreten, durch die INUS Bedingungen von Mackie zu sehen. In der Physik, im Allgemeinen, werden nur jene Bedingungen (ausführlich) in Betracht gezogen, die sowohl notwendig als auch genügend sind. Zum Beispiel, wenn ein massiver Bereich veranlasst wird, unten einen Hang zu rollen, der von einem Punkt des nicht stabilen Gleichgewichts anfängt, dann, wie man annimmt, wird seine Geschwindigkeit durch die Kraft des Ernstes verursacht, der es beschleunigt; der kleine Stoß, der erforderlich war, um es in die Bewegung zu setzen, wird als eine Ursache nicht ausführlich befasst. Um eine physische Ursache zu sein, muss es eine bestimmte Proportionalität mit der folgenden Wirkung geben. Ein Unterschied wird zwischen Auslösen und Verursachung der Bewegung des Balls gemacht. Aus dem gleichen Grunde kann der Schmetterling als das Auslösen eines Tornados gesehen werden, seine Ursache, die wird annimmt, in den atmospherical Energien bereits gesetzt zu werden, präsentieren im Voraus, aber nicht in den Bewegungen eines Schmetterlings.

Kausale dynamische Triangulation

Kausale dynamische Triangulation (abgekürzt als "CDT") erfunden durch Renate rekelt Sich, Jan Ambjørn und Jerzy Jurkiewicz, und verbreitet von Fotini Markopoulou und Lee Smolin, sind eine Annäherung an den Quant-Ernst, der wie Schleife-Quant-Ernst Hintergrundunabhängiger ist. Das bedeutet, dass es keine vorher existierende Arena (dimensionaler Raum) annimmt, aber eher versucht zu zeigen, wie sich der Raum-Zeit-Stoff selbst entwickelt. Die Schleifen '05 Konferenz, die von vielen Schleife-Quant-Ernst-Theoretikern veranstaltet ist, haben mehrere Präsentationen eingeschlossen, die CDT in der großen Tiefe besprochen haben, und es offenbart haben, um eine Angelscharfsinnigkeit für Theoretiker zu sein. Es hat beträchtliches Interesse befeuert, wie es scheint, eine gute halbklassische Beschreibung zu haben. An großen Skalen erfrischt es die vertraute 4-dimensionale Raum-Zeit, aber es zeigt Raum-Zeit, um in der Nähe von der Skala von Planck 2. zu sein, und offenbart eine fractal Struktur auf Scheiben der unveränderlichen Zeit. Das Verwenden einer Struktur hat ein Simplex genannt, es teilt Raum-Zeit in winzige Dreiecksabteilungen. Ein Simplex ist die verallgemeinerte Form eines Dreiecks in verschiedenen Dimensionen. Ein 3-Simplexe-wird gewöhnlich ein Tetraeder genannt, und der 4-Simplexe-, der der grundlegende Baustein in dieser Theorie ist, ist auch bekannt als der pentatope oder pentachoron. Jedes Simplex ist geometrisch flach, aber simplices kann zusammen in einer Vielfalt von Weisen "geklebt" werden, gebogenen spacetimes zu schaffen. Wo vorherige Versuche der Triangulation von Quant-Räumen vermischtes Weltall mit viel zu vielen Dimensionen oder minimales Weltall mit zu wenigen erzeugt haben, vermeidet CDT dieses Problem durch das Erlauben nur jener Konfigurationen, wo Ursache jedem Ereignis vorangeht. Mit anderen Worten müssen die Zeitachsen aller angeschlossenen Ränder von simplices zustimmen.

So, vielleicht, liegt Kausalität im Fundament der Raum-Zeit-Geometrie.

Siehe auch

• Retrocausality
• Kausale Struktur
• Kausale Sätze
• Partikel-Horizont
• Philosophie der Physik
• Kausaler Kontakt
• Wheeler-Feynman zeitsymmetrische Theorie für die Elektrodynamik
• Kausales System

Weiterführende Literatur

• Bohm, David. (2005). Kausalität und Chance in der modernen Physik. London: Taylor und Francis.

Links

• Kausale Prozesse, Enzyklopädie von Stanford der Philosophie
• Der Caltech Tutorenkurs auf der Relativität - Eine nette Diskussion dessen, wie Beobachter, die sich relativ zu einander bewegen, verschiedene Scheiben der Zeit sehen.
• Faster-than-c Signale, spezielle Relativität und Kausalität. Dieser Artikel erklärt, dass schneller als leichte Signale zu keiner Übertretung der Kausalität notwendigerweise führen.
• John G. Cramer:
• EPR Kommunikation: Signale von der Zukunft? "In dieser Säule will ich Ihnen über dieses Kausalität verletzende Kommunikationsschema und seine möglichen Folgen erzählen." ** Die Transactional Interpretation der Quant-Mechanik "3.10 Der Pfeil der Zeit mit der Transactional Interpretation - Der Formalismus der Quant-Mechanik, mindestens in seinem relativistisch invariant Formulierung, wird völlig sogar im Umgang mit dem "Pfeil" der Zeit, der Unterscheidung zwischen zukünftigen und vorigen Zeitrichtungen gereicht."