物理學中的因果關係

物理學中的因果關係（causality in physics）是指物質世界中各現象之間存在著客觀聯繫。一個現象由另外一個或一些現象引起，導致一個或一些新現象出現。引起一定現象的現象是原因，產生的現象是結果。因果關係客觀地存在於物質世界的運動和變化之中。

因果關係要求原因一定發生在前，結果一定相隨在後；又要求一定的原因同一定的結果之間存在著規律性的聯繫。因果關係實質上反映了物質世界各種事物或現象不可能無中生有，也不可能有歸於無。

在經典力學中確定的力學體系內，只要知道組成該體系的所有物體的初始狀態（位置和動量），又知道其相互作用力，就可以通過牛頓定律來確定這個體系在未來或過去任一時刻的狀態。這是經典力學中的因果關係。

隨著熱力學和統計物理學的發展，人們認識到只能用統計規律來研究由大量結構單元組成的、受到多種因素制約的複雜系統的運動和變化。統計規律反映的是客觀世界的偶然性同必然性在因果關係上的統一，從而也使人們認識到了經典力學規律的局限性。

相對論和量子力學的發展，使人類對於因果關係的認識更為深入。量子理論的建立，揭示出微觀世界中因果關係的具體形式。人們必須在波函式所代表的機率分布的統計意義上來認識微觀粒子在時空中運動的因果關係。物理學的發展將會不斷深化人們對因果關係的認識，因果關係也可以幫助人們深刻認識客觀世界的內在聯繫。

熱力學第二定律確定了時間之箭，可以描述原因何以不同於結果：結果總和熵絕不會比原因總和熵低。

基本介紹

• 中文名：物理學中的因果關係
• 外文名：causality in physics
• 類別1：經典力學因果性
• 類別2：熱力學因果性
• 類別3：相對論因果性

物理學因果關係

經典力學因果性

因果關係客觀地存在於物質世界的運動、變化之中，因果關係反映了物質世界的各種現象不可能“有果無因”或“有因無果”。
探索一定層次一定形式運動的原因是科學研究的基本動力之一，人們對於客觀對象運動發展規律的每一步新的認識又充實豐富著因果關係範疇。
經典力學是對巨觀低速機械運動的因果關係的抽象和概括。在確定的力學體系內，只要知道了組成該體系的所有物體的初始狀態，即t=t₀時，它們的位置x、y、z和動量p_x、p_y、p_z，又知道它們之間的相互作用力，就可以通過牛頓運動定律來確定這個體系在未來任一時刻（t>t₀）及過去任一時刻（t<t₀）的狀態。這就是經典力學中的因果關係。由於經典力學在18世紀是唯一的嚴密科學體系，它套用於生產和科學實驗活動又獲得了巨大成功，在當時就導致形成了機械決定論的哲學世界觀。持這種見解的學者認為，對任何自然現象，都可以建立相應的力學模型來作出解釋。於是熱學中的熱質說、電磁學和光學中的以太論等等應運而生。整個自然界被視為一部由不可再分的原子組成的巨大機械，一經起動，便按照既定的力學規律確定無誤地運轉下去。這種對因果關係的理解，帶有形上學的色彩，因為它只承認必然性的客觀性，而把偶然性則僅僅看做是人們的無知的一種表現。將這種觀點貫徹到底，仍然擺脫不了宿命論和“神的第一推動”。

熱力學因果性

19世紀初葉以後，在總結了大量巨觀熱運動的基礎上，拋棄了熱質說，形成了唯象的熱力學理論。深入的研究證明，只有通過分析組成巨觀物體的極大量分子、原子的隨機運動，才能闡明熱力學規律的微觀機制，這就是經典統計物理的意義所在。經典統計物理認為，位於熱力學孤立系統內的個別微觀粒子，仍然遵循著牛頓運動定律，進行著機械運動，但對於極其大量的微觀粒子，沒有可能也沒有必要探討它們的機械運動的一切細節，只能而且只需用統計方法去考察全部粒子在一定的巨觀條件下的分布狀況。統計物理學證明，對於一個熱力學系統，它的巨觀非平衡態對應著微觀的非最可幾分布，平衡態對應著最可幾分布，熵增加的過程就是從非最可幾分布自發地向最可幾分布轉化的過程，它同時也指示著時間箭頭的方向。與力學規律的絕對確定性不同的是，熱力學孤立系統若初始時刻處於非平衡態，則根據統計規律只能以非常接近於1的幾率判定它要自發地向平衡態轉化；達到平衡態之後，它也還有可能不斷地偏離平衡態，但偏離愈大，出現這種態的幾率愈小。這種不斷偏離平衡態的現象叫做漲落現象。統計規律所反映的是客觀世界的偶然性同必然性在因果關係上的統一。對於由大量結構單元組成、受到多種因素制約的複雜系統，人們只能用統計規律，也就是只能用幾率的語言（而不是單值展開）來定量地研究它們的運動、變化。人們由此認識到力學規律的局限性，它的特定形式並不足以囊括因果關係的全部內容。

相對論因果性

20世紀初，由愛因斯坦創立的狹義相對論用光速不變原理取代了經典力學的超距作用原理，從而把人類對於因果關係的認識大大推進了一步。
根據狹義相對論，兩個不同事件的空－時間隔 Δs定義為(Δs)²=(сΔt)²－(Δx)²－(Δy)²－(Δz) ² (Δt為兩事件的時間差，Δx，Δy，Δz分別是直角坐標之差)。對於所有作勻速運動的慣性參考系，(Δs)²是不變數。可以通過光信號聯繫的兩個事件的空－時間隔 Δs 具有(Δs)²=0的性質，這樣的，Δs稱為類光間隔。如果(Δs)²>0，則稱Δs為類時間隔，在類光間隔和類時間隔的情況下，兩事件間可以具有因果關係，如果(Δs)²<0則稱為類空間隔，即使信號以最大速度——光速с傳遞，兩事件間也不可能存在因果關係。
考慮二維世界的簡單情況，空－時間隔Δs 化簡為(Δs)²=(сΔt)²－(Δx)²－(Δy)²。相對於原點的空－時間隔為0的各個點都在曲面x²+y²=(сt)²上。原點同這曲面上的各個點都可以用速度為光速的信號來傳遞信息。這一方程定義的曲面被稱為光錐。假設在圖上的原點有一位觀察者，則其下方光錐內的P類事件是過去發生的，其上方光錐內的F類事件是將來發生的。P、F兩類事件可能發生因果聯繫，其因果次序是確定的。但是，光錐外部的E類事件同光錐內部的事件之間的空-時間隔則是類空的，它們之間的時間次序依賴於所選擇的參考系，就不可能存在因果聯繫（如右圖）。

物理學中的因果關係

如果要聯繫具有類空間隔的兩個事件，就需要有超光速的信號。一旦發生這種情況，就會使因和果不確定。

與經典力學相比，相對論是更普遍的巨觀理論，只是在機械運動速度v遠小於с的條件下，經典力學才是有意義的。

量子力學因果性

量子理論的建立又揭示了微觀世界中因果關係的具體形式。微觀粒子的狀態由波函式ψ表征。按照非相對論性量子力學，微觀粒子的運動應滿足薛丁格方程。

物理學中的因果關係

波函式 ψ(x，y，z，t)的絕對值的二次方就是在x、y、z處測得微觀粒子的幾率密度。量子力學中的因果性表現為，對於一個孤立系，給出初始態的波函式 ψ(r,0)，由薛丁格方程完全確定體系在以後任一時刻的波函式 ψ(r,t)。微觀世界存在有一對正則變數的測不準關係，例如 ΔxΔp≥h/2π。就是說位置x越是確定得精確，動量p_x就變得越不精確，反之亦然。由於微觀世界與巨觀世界有上述差別，而ψ給出的是幾率分布。所以在量子力學中，人們必須在|ψ|²對應於幾率分布的統計意義上來認識微觀粒子在時空中運動的因果制約性。

物理學中的因果關係

如果要研究微觀粒子的產生和湮沒等現象，就得採用量子場論為工具。它的基本公設之一是：如果兩個定域場量的空－時坐標不能以速度小於或等於光速的信號相聯結，這兩個場量便是互不相干的，或者說，對兩者的測量是互不干擾的。這一公設又稱為微觀因果性原理(見微觀因果性)。色散關係，也可以用它來研究自旋統計關係。

物理學中的因果關係

由於在點粒子、點相互作用的量子場論中出現了發散困難，所以有人提出了非定域相互作用及非定域場論等假說。在這些假說中，允許相互作用以超光速傳遞，從而產生了如何保持因果律的問題。必須肯定，任何理論結構都不應該破壞巨觀尺度的因果關係。

物理學中的因果關係

日夜相繼只是一種時間上孰先孰後的關係，地球在繞日軌道上的自轉才是這一現象的原因。相對論中質能關係E=mс²反映的是能量和質量之間的內在聯繫，但不是因果關係。通過坐標變換而帶來的鐘慢、尺縮等效應反映的是慣性坐標系的速度同測量值的關係，也不是因果關係。原因同結果的位置也並不是僵死的、一成不變的。電磁場的麥克斯韋方程組就揭示了變化的電場可以產生磁場，變化的磁場又可產生電場。它說明原因同結果之間可以互相轉化、互相制約。自然科學的發展將不斷深化人們對因果關係的認識；另一方面，因果關係也可以幫助人們更深刻地認識客觀世界的內在聯繫。

因果性概說

在非正式場合中，物理學家使用因果關係一詞和普通人所說的並無差異。在物理理論中，一些物理學家會說力導致了運動（或變速）。嚴格說來，這並非因果律的正式理論。因果關係並不內在隱含於運動公式中，而是假定作為一個額外的需要滿足的限制條件，也即原因總是先於結果。這一限制有數學上的意義，例如克拉莫－克若尼關係式。

物理學中原因概念在信息的語境中出現，信息將原因同其效果聯繫起來。正式地說，可以預計信息不能比光速更快，否則，就可能在某個參考系（使用狹義相對論的洛倫茲變換）中觀察者可以看到結果先於原因（即違反因果律的假定）。

原因的概念也出現在物質－能量流動的相對語境中（物質－能量流動被通常認為和信息流動相聯繫）。常見的是，例如利用因果律來聲稱波（如電磁波）的群速度不能超過光速。