Causalidad (física)

En física, la causalidad requiere que la causa de un evento se encuentre en el cono de luz pasado del resultado y que sea, en última instancia, reducible a interacciones fundamentales . De manera similar, una causa no puede tener un efecto fuera de su cono de luz futuro. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

La causalidad puede definirse macroscópicamente, a nivel de observadores humanos, o microscópicamente, para eventos fundamentales a nivel atómico. El principio de causalidad fuerte prohíbe la transferencia de información más rápida que la velocidad 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 el principio débil sin obedecer la versión fuerte. ^{[ 3 ] [ 4 ]} En la formulación algebraica de la teoría cuántica de campos , la causalidad microscópica se toma como un axioma, formulado técnicamente pero equivalente a la idea de que dos mediciones en lugares diferentes al mismo tiempo no pueden afectarse mutuamente. ^{[ 5 ] : 250}

En la 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 significado físico. Tanto en las teorías de la relatividad especial como general de Einstein, la causalidad implica que un efecto no puede surgir de una causa que no se encuentre en el cono de luz posterior (pasado) de dicho 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 condición de que la masa y la energía que actúan como influencias causales no pueden viajar más rápido que la velocidad de la luz ni hacia atrás en el tiempo.

Otro requisito de la causalidad es que la causa y el efecto se transmitan a través del espacio y el tiempo (requisito de contigüidad ). Este requisito ha sido muy influyente en el pasado, primero como resultado de la observación directa de procesos causales (como empujar un carrito), segundo como un aspecto problemático de la teoría de la gravitación de Newton (atracción de la Tierra por el Sol mediante acción a distancia ), que reemplazó propuestas mecanicistas como la teoría del vórtice de Descartes ; y tercero como un incentivo para desarrollar teorías de campos dinámicos (por ejemplo, la electrodinámica de Maxwell y la teoría general de la relatividad de Einstein ), que restablecieron la contigüidad en la transmisión de influencias de una manera más exitosa que en la teoría de Descartes. ^{[ 6 ]}

En la física moderna , la noción de causalidad tuvo que ser aclarada. La palabra simultáneo depende del observador en la relatividad especial . ^{[ 7 ]} 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 afirmar que la causa y su efecto están separados por un intervalo de tipo temporal , y el efecto pertenece al futuro de su causa. Si un intervalo de tipo temporal separa los dos eventos, esto significa que se podría enviar una señal entre ellos a una velocidad menor que la de la luz. Por otro lado, si las señales pudieran viajar más rápido que la velocidad de la luz, esto violaría la causalidad porque permitiría que una señal se enviara a través de intervalos de tipo espacial , 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 forma más directa: el efecto debe pertenecer al cono de luz futuro de su causa, incluso si el espaciotiempo es curvo. Al investigar la causalidad en mecánica cuántica y, en particular, en la teoría cuántica de campos relativista , es necesario considerar nuevas sutilezas . En estas dos teorías, la causalidad está estrechamente relacionada con el principio de localidad . El teorema de Bell demuestra que las condiciones de "causalidad local" en experimentos que involucran entrelazamiento cuántico dan lugar a 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 eventos pueden ordenarse en causas y efectos es necesaria para prevenir (o al menos esbozar) paradojas de causalidad como la paradoja del abuelo , que plantea qué sucede si un viajero del tiempo mata a su propio abuelo antes de conocer a su abuela. Véase también Conjetura de protección cronológica .

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 en la condición inicial de un sistema dinámico no lineal pueden producir grandes variaciones en el comportamiento a largo plazo del sistema."

Esto brinda la oportunidad de comprender la causalidad distribuida.

Una forma relacionada de interpretar el efecto mariposa es considerarlo como una forma de resaltar la diferencia entre la aplicación de la noción de causalidad en física y un uso más general de la causalidad, representado por las condiciones INUS de Mackie . En la física clásica (newtoniana), en general, solo se tienen en cuenta (explícitamente) aquellas condiciones que son a la vez necesarias y suficientes. Por ejemplo, cuando una esfera masiva rueda 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 impulso necesario para ponerla en movimiento no se trata explícitamente como una causa. Para que sea una causa física, debe existir cierta proporcionalidad con el efecto resultante. Se establece una distinción entre desencadenar y causalizar el movimiento de la esfera. Del mismo modo, se puede ver a la mariposa desencadenando un tornado, asumiendo que su causa reside en las energías atmosféricas ya presentes de antemano, en lugar de en los movimientos de la mariposa.

En la teoría de conjuntos causales, la causalidad adquiere una importancia aún mayor. La base de este enfoque de la gravedad cuántica reside en un teorema de David Malament . Este teorema establece que la estructura causal de un espaciotiempo es suficiente para reconstruir su clase conforme , de modo que conocer el factor conforme y la estructura causal basta para comprender el espaciotiempo. A partir de esto, Rafael Sorkin propuso la idea de la Teoría de Conjuntos Causales, un enfoque fundamentalmente discreto de la gravedad cuántica. La estructura causal del espaciotiempo se representa como un conjunto parcialmente ordenado ( poset) , mientras que el factor conforme se puede reconstruir identificando cada elemento del poset con un volumen unitario.

• Bohm, David. (2005). Causalidad y azar en la física moderna . Londres: Taylor and Francis.
• Espinoza, Miguel (2006). Teoría del determinismo causal . París: L'Harmattan. ISBN 2-296-01198-5.

• Procesos causales, Enciclopedia de filosofía de Stanford
• Tutorial de Caltech sobre la relatividad : una interesante explicación de cómo los observadores que se mueven relativamente entre sí perciben diferentes intervalos de tiempo.
• Señales más rápidas que la luz, relatividad especial y causalidad . Este artículo explica que las señales más rápidas que la luz no implican necesariamente una violación de la causalidad.