关于物理学中的因果关系介绍

[拼音]：wulixue zhong de yinguo guanxi

[外文]：causality in physics

因果关系客观地存在于物质世界的运动、变化之中。这个哲学范畴在于说明，物质世界中各现象之间存在着客观的联系，任一现象自身都是由另外的一个或一些现象引起的，并且它又总会导致一个或一些新现象的出现。这里，引起一定现象的现象是原因，产生的现象是结果。

因果关系要求原因一定发生在先，结果一定继随在后；又要求一定的原因同一定的结果之间存在规律性的联系。因果关系实质上综合地反映了物质世界的各种事物或现象不可能无中生有（有果无因）或有归于无（有因无果）。

探索一定层次一定形式运动的原因是科学研究的基本动力之一，人们对于客观对象运动发展规律的每一步新的认识又充实丰富着因果关系范畴。

经典力学是对宏观低速机械运动的因果关系的抽象和概括。在确定的力学体系内，只要知道了组成该体系的所有物体的初始状态，即t＝t0时，它们的位置x、y、z和动量px、py、pz，又知道了它们之间的相互作用力，就可以通过牛顿运动定律来确定这个体系在未来任一时刻(t＞t0)及过去任一时刻(t＜t0)的状态。这就是经典力学里的因果关系。由于经典力学在18世纪是唯一的严密科学体系，它应用于生产和科学实验活动又获得了巨大成功，在当时就导致形成了机械决定论的哲学世界观。持这种见解的学者认为，对任何自然现象，都可以建立相应的力学模型来作出解释。于是热学中的热质说、电磁学和光学中的以太论等等应运而生。整个自然界被视为一部由不可再分的原子组成的巨大机械，一经起动，便按照既定的力学规律确定无误地运转下去。这种对因果关系的理解，带有形而上学的色彩，因为它只承认必然性的客观性，而把偶然性则仅仅看做是人们的无知的一种表现。将这种观点贯彻到底，仍然摆脱不了宿命论和“神的第一推动”。

19世纪初叶以后，在总结了大量宏观热运动的基础上，抛弃了热质说，形成了唯象的热力学理论。深入的研究证明，只有通过分析组成宏观物体的极大量分子、原子的随机运动，才能阐明热力学规律的微观机制，这就是经典统计物理的意义所在。经典统计物理认为，位于热力学孤立系统内的个别微观粒子，仍然遵循着牛顿运动定律，进行着机械运动，但对于极其大量的微观粒子，没有可能也没有必要探讨它们的机械运动的一切细节，只能而且只需用统计方法去考察全部粒子在一定的宏观条件下的分布状况。统计物理学证明，对于一个热力学系统，它的宏观非平衡态对应着微观的非最可几分布，平衡态对应着最可几分布，熵增加的过程就是从非最可几分布自发地向最可几分布转化的过程，它同时也指示着时间箭头的方向。与力学规律的绝对确定性不同的是，热力学孤立系统若初始时刻处于非平衡态，则根据统计规律只能以非常接近于 1的几率判定它要自发地向平衡态转化；达到平衡态之后，它也还有可能不断地偏离平衡态，但偏离愈大，出现这种态的几率愈小。这种不断偏离平衡态的现象叫做涨落现象。统计规律所反映的是客观世界的偶然性同必然性在因果关系上的统一。对于由大量结构单元组成、受到多种因素制约的复杂系统，人们只能用统计规律，也就是只能用几率的语言（而不是单值展开）来定量地研究它们的运动、变化。人们由此认识到力学规律的局限性，它的特定形式并不足以囊括因果关系的全部内容。

20世纪初，由A.爱因斯坦创立的狭义相对论用光速不变原理取代了经典力学的超距作用原理，从而把人类对于因果关系的认识大大推进了一步。

根据狭义相对论，两个不同事件的空－时间隔 Δs定义为(Δs)2＝（сΔt）2-（Δx）2-（Δy）2-(Δz)2(Δt为两事件的时间差，Δx，Δy，Δz分别是直角坐标之差)。对于所有作匀速运动的惯性参照系，（Δs）2是不变量。可以通过光信号联系的两个事件的空－时间隔 Δs 具有(Δs)2=0的性质，这样的，Δs称为类光间隔。如果(Δs)2＞0，则称Δs为类时间隔，在类光间隔和类时间隔的情况下，两事件间可以具有因果关系，如果(Δs)2＜0则称为类空间隔，即使信号以最大速度──光速с传递，两事件间也不可能存在因果关系。

考虑二维世界的简单情况，空－时间隔Δs 化简为(Δs)2＝(сΔt)2-(Δx)2-(Δy)2。相对于原点的空－时间隔为0的各个点都在曲面x2+y2＝(сt)2上。原点同这曲面上的各个点都可以用速度为光速的信号来传递信息。这一方程定义的曲面被称为光锥。假设在图上的原点有一位观察者，则其下方光锥内的P类事件是过去发生的，其上方光锥内的F类事件是将来发生的。P、F两类事件可能发生因果联系，其因果次序是确定的。但是，光锥外部的E类事件同光锥内部的事件之间的空-时间隔则是类空的，它们之间的时间次序依赖于所选择的参照系，就不可能存在因果联系。

如果要联系具有类空间隔的两个事件，就需要有超光速的信号。一旦发生这种情况，就会使因和果不确定。因为，若事件A(x，y，z，t)能够以速度为u＞с的信号为媒介，来引起事件B(x+Δx，y+Δy，y+Δz，t+Δt)，那么，从另一个以速度v运动的参照系看来，A、B两事件之间的时间间隔按照洛伦兹变换就应该是

。

，

。

于是，如果u＞с，则在所有处于速度大于с2/u而小于с的惯性参照系中的观测者看来，都会认为是事件B引起了事件A，而不是相反，因和果颠倒了过来。正好说明了它们之间的因果关系不可能存在。

与经典力学相比，相对论是更普遍的宏观理论，只是在机械运动速度v远小于с的条件下，经典力学才是有意义的。

量子理论的建立又揭示了微观世界中因果关系的具体形式。微观粒子的状态由波函数ψ表征。按照非相对论性量子力学，微观粒子的运动应满足薛定谔方程。波函数 ψ(x，y，z，t)的绝对值的二次方就是在x、y、z处测得微观粒子的几率密度。量子力学中的因果性表现为，对于一个孤立系，给出初始态的波函数 ψ，由薛定谔方程完全确定体系在以后任一时刻的波函数 ψ。微观世界存在有一对正则变量的测不准关系，例如 ΔxΔp≥h/2π。就是说位置x越是确定得精确，动量px就变得越不精确，反之亦然。由于微观世界与宏观世界有上述差别，而ψ 给出的是几率分布。所以在量子力学中，人们必须在|ψ|2对应于几率分布的统计意义上来认识微观粒子在时空中运动的因果制约性。

如果要研究微观粒子的产生和湮没等现象，就得采用量子场论为工具。它的基本公设之一是：如果两个定域场量的空－时坐标不能以速度小于或等于光速的信号相联结，这两个场量便是互不相干的，或者说，对两者的测量是互不干扰的。这一公设又称为微观因果性原理(见微观因果性)。微观因果性原理在目前的点粒子、点相互作用的量子场论中有很重要的地位，可以用它来导出色散关系，也可以用它来研究自旋统计关系。

由于在点粒子、点相互作用的量子场论中出现了发散困难，所以有人提出了非定域相互作用及非定域场论等假说。在这些假说中，允许相互作用以超光速传递，从而产生了如何保持因果律的问题。必须肯定，任何理论结构都不应该破坏宏观尺度的因果关系。

列宁曾经指出：“我们通常所理解的因果性，只是世界性联系的一个极小部分。”日夜相继就只是一种时间上孰先孰后的关系，地球在绕日轨道上的自转才是这一现象的原因。相对论中质能关系E＝mс2反映的是能量和质量之间的内在联系，但不是因果关系。通过坐标变换而带来的钟慢、尺缩等效应反映的是惯性坐标系的速度同测量值的关系，也不是因果关系。原因同结果的位置也并不是僵死的、一成不变的。电磁场的麦克斯韦方程组就揭示了变化的电场可以产生磁场，变化的磁场又可产生电场。它说明原因同结果之间可以互相转化、互相制约。自然科学的发展将不断深化人们对因果关系的认识；另一方面，因果关系也可以帮助人们更深刻地认识客观世界的内在联系。