Концепции причинности

2.   Концепции причинности.

 

Понятие причинности многозначно. В различных отраслях знания и даже в рам­ках одной науки в термин “причинность” нередко вкладывается разное содержание. Иногда под причинностью понимают процесс порождения причиной следствия, иногда — влияние, которое оказывает одно явление на другое. Существует и такая трактовка, кото­рая рассматривает причинность как возмож­ность предсказуемости на основе знаний од­них явлений — новых явлений и т. д. Неред­ко ведутся споры о том, какое понимание причинности является истинным. Однако поиски истинного значения причинности, если под последним подразу­мевается некое универсальное и единственно возможное значение, бесплодны. Основными являются трак­товки причинности, основанных на двух физических теориях.

·     Принцип дальнодействия. На этом принципе базируется физика Ньютона. Высказывает мнение, что причинное действие может передаваться с какой угодно большой скоростью. Отсюда следовала принципиальная возможность ус­тановить причинную связь между любыми событиями Вселенной. С принципом дально­действия связан следующий парадокс. По “логике вещей” причина должна предшест­вовать следствию. Но, ввиду того, что ско­рость причинного действия бесконечна, при­чина и следствие должны быть одновремен­ными.

·     Принцип близкодействия. Этой трактовки придерживается теория относительности. Согласно этому под причинно­стью обычно понимают влияние, которое оказывает событие, происшедшее раньше, на событие, происшедшее позже. Скорость передачи причинного дейст­вия конечна и не может превышать скорости света в вакууме. Этот принцип устраняет упомянутый парадокс, а вместе с тем накла­дывает ограничение на возможность уста­новления причинной связи между события­ми. В соответствии с ним не все, а лишь не­которые события могут находиться между собой в отношении причины и следствия. То есть дан­ное событие может оказать влияние только на те события, которые происходят позже его, и не может оказывать влияния на собы­тия, совершившиеся раньше. Вклад теории относительности в развитие представлений о причинности связан именно с таким пони­манием ее сущности.

Стоит отметить, что ограничение, накладываемое теорией от­носительности на причинность, не является чисто негативным. Оно не только сужает об­ласть причинно связанных событий, но и приводит к переосмыслению содержания са­мого понятия причинности.

3.   Характеристика релятивистской концепции причинности.

Для концепции причинности, разработан­ной на основе теории относительности, ха­рактерны следующие черты.

·     Во-первых, она утверждает, что причинность есть отношение не между вещами, а между событиями. Во­обще говоря, такое понимание причинности совместимо и с классической физикой. Одна­ко здесь связь между событиями может быть заменена связью между вещами. С точки зре­ния теории относительности, понятие собы­тия является необходимым для формулиров­ки принципа причинности. Именно понятие события, которое характеризуется не только местом, где оно произошло, но и временем, когда оно произошло, дает возможность поста­вить пространственно-временные условия причинно-следственной связи.

·     Во-вторых, условие, по которому скорость причинного действия конечна и не может превышать скорости света в вакууме, приво­дит к следующему пониманию причинности. Причинно связанными могут быть лишь та­кие события, квадрат расстояния между ко­торыми (в трехмерном пространстве) — dl² не превышает величины c²dt², где с — ско­рость света, dt — промежуток времени, раз­деляющий данные события. О таких событи­ях говорят, что они разделены временно-подобным интервалом. В пространстве Минковского указанные события располагаются вдоль временно-подобных линий. О событиях, для которых имеет место не­равенство с²dt²<dl², говорят, что они разде­лены пространственно-подобным интервалом. Между ними не может быть установлено ни­какой причинной связи. При­чинное действие более раннего события, не превышающее скорости света, не сможет до­стичь того места в пространстве в тот момент времени, где и когда происходит второе, бо­лее позднее событие. Например, какая-либо внеземная цивилизация, возникшая раньше земной и добившаяся значительно больших достижений, в этом случае не мо­жет повлиять на земную цивилизацию, путем сообщения соответствующей информации о своем опыте и научных достижениях.

·     В-третьих. Существенным моментом реля­тивистского учения о причинности, является утверждение об ее инвариантности. Это озна­чает следующее. Допустим, что имеются два события А и В. Эти события располагают­ся на некоторой временно-подобной линии в пространстве Минковского. Если А есть причина B в некоторой инерциальной системе отсчёта, то A является причиной B и в некоторой другой инерциальной системе отсчёта, движущейся относительно первой со скоростью меньшей скорости света. Инвариантность причинности означает что линия, являющаяся временно-подобной в одной системе отсчёта, временно-подобна и в другой.

Рассмотрение вопроса об инвариантности причинной связи позволяет выявить некоторые важные аспекты релятивистской причинности.

Может показаться, что первоначальность причины по отношению к следствию носит характер логической необходимости, вытекающей из самого определения причинности. Мы зрительно определяем причинность таким образом, что причина фигурирует как нечто, происходящее раньше следствия и оказывающее на него влияние. Но вопрос о месте причины по отношению к следствию в разных системах отсчёта носит не логический, а физический характер. Инвариантность причинной связи основана не на законах логики, а на законах физики. Она связана с физическим принципом близкодействия.

Допустим, вопреки принципу близкодействия, что в некоторой системе отсчёта событие А причинно воздействует на В, причём скорость причинного взаимодействия превышает скорость света. Это означает, что события располагаются на некоторой, соединяющей их, пространственно-подобной линии. В таком случае найдётся система отсчёта, в которой событие В будет предшествовать А.

Представим себе следующий гипотетиче­ский случай. Из пушки, расположенной на Земле, произведен выстрел; скорость полета снаряда является сверхсветовой. В этом слу­чае интервал между выстрелом и взрывом снаряда является пространственно-подобным. В системе Земли выстрел предшествует взры­ву и является причиной последнего. Но мы могли бы найти такую систему отсчета, дви­жущуюся относительно Земли с определенно выбранной скоростью (досветовой), наблюда­тель которой зафиксировал бы, что вначале произошел взрыв, а затем выстрел. В данной системе отсчета следствие предшествовало бы причине во времени. Проиллюстрируем это на чертеже.

Пусть АР — мировая линия некоторого наблюдателя 2, движущегося относительно неподвижного наблюдателя 1 (его мировая линия — прямая АТ) со скоростью V. Это оз­начает, что АР составляет с AT угол α, тан­генс которого равен . Согласно принципу относительности, две инерциальные системы, одна из которых покоится, а другая движет­ся, равноправны. Поэтому мы можем принять в соответствии с принципом относительности, что наблюдатель 2 находится в состоянии по­коя, а наблюдатель 1 движется относительно него. С учетом этого предположения постро­им прямую AN, на которой располагаются события, одновременные с событием А, когда

Рис. 1

 в точке А находится наблюдатель 2. Эта прямая также составит с осью Ах угол α, тангенс которого равен . Посмотрим теперь каким будет временной порядок событий на пространственно-подобной линии АВ. Для наблюдателя 1 событие В происходит позднее А на некоторый промежуток времени Т>0 (предполагается, что А соответствует момент времени Т₀=0). Для наблюдателя 2 В происходит раньше события А (время Т’>0). Если
А — это выстрел, а В — это взрыв, то наблю­датель, 2 зафиксирует, что В происходит раньше А.

Имеется и другая возможность наруше­ния инвариантности временного порядка при­чинно связанных событий. Пусть события А и В являются соответственно причиной и следствием, причем скорость причинного дей­ствия V<C. Это значит, что они расположе­ны на временно-подобной линии. Если мы бу­дем рассматривать этот временной порядок в другой системе отсчета, движущейся отно­сительно первой с досветовой скоростью, то он останется неизменным. Но если скорость второй системы отсчета будет сверхсветовой, то временной порядок причинно связанных событий перестанет быть инвариантным. В такой системе отсчета при соответствую­щем выборе V>C событие В может предше­ствовать А. Например, снаряд пушки, распо­ложенный на Земле, мог бы лететь с досве­товой скоростью. Но наблюдатель, пролетав­ший на космическом корабле мимо Земли со сверхсветовой скоростью, все равно зафик­сировал бы вначале взрыв снаряда, а потом выстрел.

Можно возразить, что сверхсветовые скорости — вещь невозможная. Поэтому не­возможной является и неинвариантность вре­менного порядка. На это можно ответить так.

Во-первых, если это и невозможно, то данная невозможность имеет не логический, а физи­ческий характер и связана с некоторыми особенностями физической структуры наше­го мира. Допущение сверхсветовых скоро­стей не приводит ни к каким логическим про­тиворечиям. Оно противоречит физическому принципу — принципу близкодействия.

Во-вторых, степень этой невозможности не следует преувеличивать. Доказательством тому служит современное развитие квантовой теории поля. Обычная квантовая теории поля принимает принцип локальности, согласно которому во взаимодействие вступают лишь поля, взятые в одной и той же точке пространства-времени. Однако таким теории сталкивается с целым рядом трудностей, для преодоления которых приходится жертвовать принципом локальности. В нелокальных теориях допускается взаимодействие нолей в разных точках пространства и времени, которые разделены пространственно-подобным интервалом. Такое взаимодействие может осуществляться лишь со сверхсветовыми ско­ростями. Допущение же сверхсветовых ско­ростей приводит к нарушению принципа причинности, точнее, требования инвариантно­сти причинности.