कारणता (भौतिकी)

भौतिक कारणता मुख्य रूप से विशेष कारणों और प्रभावों के बीच भौतिक संबंध है। इसे सभी प्राकृतिक विज्ञान और व्यवहारिक विज्ञान, विशेषकर भौतिकी के लिए मौलिक माना जाता है। कारणता भी दर्शनशास्त्र, सांख्यिकी और आवश्यकता एवं पर्याप्तता के दृष्टिकोण से अध्ययन किया जाने वाला विषय है। कारणता का अर्थ यह है कि कोई प्रभाव उस कारण से उत्पन्न नहीं हो सकता जो उस घटना के पीछे (अतीत) प्रकाश शंकु में नहीं है। इसी प्रकार कोई कारण अपने सामने (भविष्य) प्रकाश शंकु के बाहर प्रभाव नहीं डाल सकता है।

स्थूल के विरुद्ध सूक्ष्म कारण

परमाणु स्तर पर मूलभूत घटनाओं के लिए कारणता को मानव पर्यवेक्षकों के स्तर पर, या सूक्ष्मदर्शी रूप से, स्थूल रूप से परिभाषित किया जा सकता है। इस प्रकार मजबूत कार्यकारण सिद्धांत प्रकाश की गति से अधिक तेजी से सूचना हस्तांतरण को रोकता है, इस प्रकार किसी कमजोर कार्य के कारण यह सिद्धांत सूक्ष्म स्तर पर संचालित होता है, और इसे सूचना हस्तांतरण की आवश्यकता नहीं होती है। इस प्रकार भौतिक प्रारूप मजबूत संस्करण का पालन किए बिना कमजोर सिद्धांत का पालन कर सकते हैं।

स्थूल कारणता

पारंपरिक भौतिकी में, कोई प्रभाव उसके कारण से पहले उत्पन्न नहीं हो सकता है, यही कारण है कि लियानार्ड-वीचर्ट क्षमता के उन्नत समय समाधान जैसे समाधानों को भौतिक रूप से अर्थहीन मानकर निरस्त कर दिया जाता है। आइंस्टीन के विशेष और सामान्य सापेक्षता सिद्धांत दोनों में, कारणता का अर्थ है कि कोई प्रभाव उस कारण से उत्पन्न नहीं हो सकता जो उस घटना के पीछे (अतीत) प्रकाश शंकु में नहीं है। इसी प्रकार, कोई कारण अपने सामने (भविष्य) प्रकाश शंकु के बाहर प्रभाव नहीं डाल सकता है। ये प्रतिबंध इस बाधा के अनुरूप हैं कि द्रव्यमान और ऊर्जा जो कारण प्रभाव के रूप में कार्य करते हैं, वे प्रकाश की गति से अधिक तेज़ और/या समय में पीछे की ओर यात्रा नहीं कर सकते हैं। इस प्रकार क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत में, अंतरिक्ष जैसा वक्र संबंध के साथ घटनाओं के अवलोकन, कहीं और, क्रमविनिमेय संपत्ति के होते हैं, इसलिए ऐसे अवलोकनों के अवलोकन या माप का क्रम दूसरे को प्रभावित नहीं करता है।

कारणता की और आवश्यकता यह है कि कारण और प्रभाव को स्थान और समय (समानता की आवश्यकता) के पार मध्यस्थ किया जाए। यह आवश्यकता अतीत में बहुत प्रभावशाली रही है, पहले स्थान पर कारण प्रक्रियाओं (जैसे गाड़ी को धक्का देना) के प्रत्यक्ष अवलोकन के परिणामस्वरूप, दूसरे स्थान पर न्यूटन के गुरुत्वाकर्षण के सिद्धांत (पृथ्वी द्वारा पृथ्वी का आकर्षण) के समस्याग्रस्त पहलू के रूप में दूरी पर क्रिया के माध्यम से सूर्य (भौतिकी)) गुरुत्वाकर्षण के यांत्रिक स्पष्टीकरण जैसे यंत्रवत प्रस्तावों के स्थान पर भंवर सिद्धांत या डेसकार्टेस का भंवर सिद्धांत, गतिशील पारंपरिक क्षेत्र सिद्धांत (उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रोमैग्नेटिज्म क्लासिकल विद्युतगतिकी या मैक्सवेल के विद्युतगतिकी और आइंस्टीन क्षेत्र समीकरण या आइंस्टीन के सापेक्षता के सामान्य सिद्धांत) को विकसित करने के लिए प्रोत्साहन के रूप में तीसरे स्थान पर, डेसकार्टेस की तुलना में अधिक सफल तरीके से प्रभावों के संचरण में निकटता को अलग करना लिखित रूप में मान्य रहता हैं।

समकालिकता

आधुनिक भौतिकी में, कारणता की धारणा को स्पष्ट करना पड़ा था। इसके लिए विशेष सापेक्षता में युगपत शब्द पर्यवेक्षक-निर्भर करता है। यह सिद्धांत के साथ सापेक्षता का संबंध स्थापित करता है। परिणामस्वरूप, कारणता का सापेक्षतावादी सिद्धांत कहता है कि सभी जड़त्वीय पर्यवेक्षकों के अनुसार कारण को उसके प्रभाव से पहले होना चाहिए। यह इस कथन के समतुल्य है कि कारण और उसका प्रभाव समय अंतराल से अलग हो जाते हैं, और प्रभाव उसके कारण के भविष्य से संबंधित होता है। इस प्रकार यदि समय-समान अंतराल दो घटनाओं को अलग करता है, तो इसका अर्थ है कि उनके बीच प्रकाश की गति से कम गति पर संकेत भेजा जा सकता है। दूसरी ओर, यदि सिग्नल प्रकाश की गति से भी तेज गति से आगे बढ़ सकते हैं, तो यह कारणता का उल्लंघन होगा क्योंकि यह सिग्नल को अंतरिक्ष समय अंतरालों में भेजने की अनुमति देगा, जिसका अर्थ है कि कम से कम कुछ जड़त्वीय पर्यवेक्षकों के लिए सिग्नल समय में पीछे की ओर यात्रा करेगा। इस कारण से, विशेष सापेक्षता प्रकाश की गति से अधिक तेज़ संचार की अनुमति नहीं देती है।

सामान्य सापेक्षता के सिद्धांत में, कारणता की अवधारणा को सबसे सरल तरीके से सामान्यीकृत किया गया है: प्रभाव उसके कारण के भविष्य के प्रकाश शंकु से संबंधित होना चाहिए, भले ही अंतरिक्ष जैसा घुमावदार हो। जब हम विशेष रूप से क्वांटम यांत्रिकी और सापेक्षतावादी क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत में कारणता की जांच करते हैं तो नई सूक्ष्मताओं को ध्यान में रखा जाना चाहिए। उन दो सिद्धांतों में, कारणता का स्थानीयता के सिद्धांत से गहरा संबंध है।

बेल की इस प्रमेय से पता चलता है कि क्वांटम से जुड़े प्रयोगों में स्थानीय कारणता की स्थितियों के परिणामस्वरूप क्वांटम यांत्रिकी द्वारा गैर-पारंपरिक सहसंबंधों की भविष्यवाणी की जाती है।

इन सूक्ष्मताओं के अतिरिक्त, भौतिक सिद्धांतों में कारणता महत्वपूर्ण और वैध अवधारणा बनी हुई है। उदाहरण के लिए, यह धारणा कि घटनाओं को कारणों और प्रभावों में क्रमबद्ध किया जा सकता है, इस विरोधाभास जैसे कारणता संबंधी विरोधाभासों को रोकने (या कम से कम रूपरेखा) के लिए आवश्यक है, जो पूछता है कि क्या होगा यदि समय-यात्री अपने बड़ो से मिलने से पहले ही उसे मार डाले। समययात्री के कालक्रम सुरक्षा का अनुमान भी देखें।

नियतिवाद (या, कारणता क्या नहीं है)

इस संदर्भ में कारणता शब्द का अर्थ है कि सभी प्रभावों के मूलभूत अंतःक्रियाओं के कारण विशिष्ट भौतिक कारण होने चाहिए। इस संदर्भ में कारणता गति के दूसरे नियम|न्यूटन के दूसरे नियम जैसे परिभाषात्मक सिद्धांतों से जुड़ी नहीं है। इस प्रकार, कारणता के संदर्भ में, कोई बल किसी द्रव्यमान में तेजी नहीं लाता है और न ही इसके विपरीत रहता हैं। बल्कि न्यूटन का दूसरा नियम संवेग के संरक्षण से प्राप्त किया जा सकता है, जो स्वयं नोएथर प्रमेय है।

अनुभववादियों की तत्वमीमांसीय व्याख्याओं (जैसे डेसकार्टेस का भंवर सिद्धांत) के प्रति घृणा का अर्थ था कि घटना के कारणों के बारे में विद्वानों के तर्कों को या तो अप्राप्य होने के कारण निरस्त कर दिया गया था या उन्हें अवहेलना कर दी गयी थी। यह शिकायत कि भौतिकी घटना के कारण की व्याख्या नहीं करती है, तदानुसार ऐसी समस्या के रूप में निरस्त कर दी गई है, जो अनुभवजन्य के अतिरिक्त दार्शनिक या आध्यात्मिक है (उदाहरण के लिए, न्यूटन की परिकल्पनाएं नॉन फ़िंगो)। इस प्रकार अर्न्स्ट मच के अनुसार न्यूटन के दूसरे नियम में बल की धारणा बहुवचन, तात्विक और अतिश्योक्तिपूर्ण थी और, जैसा कि ऊपर बताया गया है, इसे कारणता के किसी भी सिद्धांत का परिणाम नहीं माना जाता है। वास्तव में, दो पिंडों के गुरुत्वाकर्षण संपर्क की गति के न्यूटोनियन समीकरणों पर विचार करना संभव है,

$m_{1}{\frac {d^{2}{\mathbf {r} }_{1}}{dt^{2}}}=-{\frac {m_{1}m_{2}G({\mathbf {r} }_{1}-{\mathbf {r} }_{2})}{|{\mathbf {r} }_{1}-{\mathbf {r} }_{2}|^{3}}};\;m_{2}{\frac {d^{2}{\mathbf {r} }_{2}}{dt^{2}}}=-{\frac {m_{1}m_{2}G({\mathbf {r} }_{2}-{\mathbf {r} }_{1})}{|{\mathbf {r} }_{2}-{\mathbf {r} }_{1}|^{3}}},$

स्थितियों का वर्णन करने वाले दो युग्मित समीकरणों के रूप में $\scriptstyle {\mathbf {r} }_{1}(t)$ और $\scriptstyle {\mathbf {r} }_{2}(t)$ दो निकायों में से, इन समीकरणों के दाहिने हाथ की ओर से बलों के रूप में व्याख्या किए बिना, समीकरण केवल अंतःक्रिया की प्रक्रिया का वर्णन करते हैं, इसके भौतिक स्वरूप को दूसरे की गति के कारण के रूप में व्याख्या करने की आवश्यकता के बिना, और किसी को इसके बाद (साथ ही पहले भी) समय में सिस्टम की स्थितियों की भविष्यवाणी करने की अनुमति देते हैं।

सामान्य स्थितियाँ जिनमें मनुष्यों ने भौतिक अंतःक्रिया में कुछ कारकों को पूर्व के रूप में पहचाना और इसलिए अंतःक्रिया के कारण की आपूर्ति की, वे अधिकांशतः ऐसी थीं जिनमें मनुष्यों ने कुछ स्थितियों को लाने का निर्णय लिया और अपनी ऊर्जाओं को उस स्थिति को उत्पन्न करने के लिए निर्देशित किया- प्रक्रिया जिसे स्थापित होने में समय लगा और नई स्थिति बनी जो अभिनेता की गतिविधि के समय से परे बनी रही। चूंकि यह एक-दूसरे के संबंध में बाइनरी सितारों की गति को उस तरीके से समझाना कठिन और निरर्थक होगा, जो वास्तव में, समय-प्रतिवर्तीता है। यह इस प्रकार समय-प्रतिवर्ती और समय के तीर के प्रति अज्ञेयवादी है, अपितु समय की ऐसी दिशा के साथ स्थापित होने पर, संपूर्ण विकास प्रणाली को पूर्ण रूप से निर्धारित किया जा सकता है।

ऐसे समय-स्वतंत्र दृष्टिकोण की संभावना वैज्ञानिक व्याख्या के निगमनात्मक-नामपारंपरिक (डी-एन) दृष्टिकोण के आधार पर है, जिसमें किसी घटना की व्याख्या पर विचार किया जाता है यदि इसे वैज्ञानिक नियम के अनुसार सम्मिलित किया जा सकता है। डी-एन दृष्टिकोण में, भौतिक अवस्था को स्पष्ट माना जाता है यदि, (नियतात्मक) नियम को लागू करते हुए, इसे दी गई प्रारंभिक स्थितियों से प्राप्त किया जा सकता है। (ऐसी प्रारंभिक स्थितियों में किसी भी क्षण में बाइनरी सितारों की गति और दूसरे से दूरी सम्मिलित हो सकती है।) इस प्रकार के 'नियतिवाद द्वारा स्पष्टीकरण' को कभी-कभी नियतिवाद#विविधता के रूप में जाना जाता है। डी-एन दृष्टिकोण का नुकसान यह है कि कारणता और नियतिवाद कमोबेश पहचाने जाते हैं। इस प्रकार, पारंपरिक भौतिकी में, यह माना गया कि सभी घटनाएँ प्रकृति के ज्ञात नियमों के अनुसार पहले की घटनाओं के कारण होती हैं, जिसकी परिणति पियरे-साइमन लाप्लास के दावे में हुई कि यदि दुनिया की वर्तमान स्थिति को सटीकता के साथ जाना जाता है, तो इसकी गणना की जा सकती है भविष्य या अतीत में किसी भी समय लाप्लास का नियम देखें। चूंकि, इसे सामान्य रूप से लाप्लास नियतिवाद ('लाप्लास कारणता' के अतिरिक्त) के रूप में जाना जाता है क्योंकि यह नियतिवाद गणितीय प्रारूपों पर निर्भर करता है जैसा कि गणितीय कॉची समस्या में निपटाया गया है।

कारणता और नियतिवाद के बीच भ्रम विशेष रूप से क्वांटम यांत्रिकी में तीव्र है, यह सिद्धांत इस अर्थ में आकस्मिक है कि यह कई स्थितियों में वास्तव में देखे गए प्रभावों के कारणों की पहचान करने या समान कारणों के प्रभावों की भविष्यवाणी करने में असमर्थ है, अपितु यकीनन क्वांटम यांत्रिकी सिद्धांत कुछ व्याख्याएं (उदाहरण के लिए यदि तरंग फ़ंक्शन को वास्तव में ढहने के लिए नहीं माना जाता है, जैसा कि कई-दुनिया की व्याख्या में होता है, या यदि इसका पतन छिपे हुए चर सिद्धांत के कारण होता है, या बस नियतत्ववाद को फिर से परिभाषित करने का अर्थ है कि विशिष्ट प्रभावों के अतिरिक्त संभावनाएं निर्धारित की जाती हैं)।

वितरित कारणता

अराजकता सिद्धांत से तितली प्रभाव जैसे भौतिकी में सिद्धांत कारणता में प्रकार के वितरित पैरामीटर सिस्टम की संभावना को खोलते हैं। तितली प्रभाव सिद्धांत प्रस्तावित करता है:

गैर-रेखीय गतिशील प्रणाली की प्रारंभिक स्थिति में होने वाले छोटे परिवर्तन सिस्टम के दीर्घकालिक व्यवहार में बड़े परिवर्तन को उत्पन्न कर सकते हैं। इससे वितरित कारणता को समझने का अवसर खुलता है।

तितली प्रभाव की व्याख्या करने का संबंधित तरीका यह है कि इसे भौतिकी में कारणता की धारणा के अनुप्रयोग और आइनस मैकी की आइनस स्थितियों द्वारा दर्शाए गए कारणता के बीच अंतर को उजागर करने के रूप में देखा जाए। इसके आधार पर पारंपरिक (न्यूटोनियन) भौतिकी में, सामान्य तौर पर, केवल उन्हीं स्थितियों को (स्पष्ट रूप से) ध्यान में रखा जाता है, जो आवश्यक और पर्याप्त दोनों हैं। उदाहरण के लिए, जब विशाल गोले को यांत्रिक संतुलन के बिंदु से प्रारंभ करके ढलान पर लुढ़कने के लिए प्रेरित किया जाता है, तो इस प्रकार इसका वेग इसे तेज करने वाले गुरुत्वाकर्षण बल के कारण माना जाता है, इसे गति देने के लिए जिस छोटे से धक्का की आवश्यकता थी, उसे स्पष्ट रूप से कारण के रूप में नहीं माना गया है। भौतिक कारण होने के लिए परिणामी प्रभाव के साथ निश्चित आनुपातिकता होनी चाहिए। ट्रिगरिंग और गेंद की गति के कारण के बीच अंतर किया जाता है। उसी प्रकार तितली को बवंडर उत्पन्न करने वाले के रूप में देखा जा सकता है, इसका कारण तितली की गतिविधियों के अतिरिक्त पहले से उपस्थित वायुमंडलीय ऊर्जा में माना जाता है।

कारणात्मक गतिशील त्रिभुज

Main article: कारणात्मक गतिशील त्रिकोणासन

रेनेटे लोल, जान अंबजॉर्न या जन अंबजर्न और जेरज़ी जर्किविक्ज़ द्वारा आविष्कारित कारण गतिशील त्रिभुज (सीडीटी के रूप में संक्षिप्त), और फोटिनी मार्कोपोलू और ली स्मोलिन द्वारा लोकप्रिय, क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के लिए दृष्टिकोण है जो लूप क्वांटम गुरुत्वाकर्षण के समान पृष्ठभूमि से स्वतंत्र है। इसका अर्थ यह है कि यह किसी पूर्व-उपस्थिता क्षेत्र (आयामी स्थान) को नहीं मानता है, बल्कि यह दिखाने का प्रयास करता है कि स्पेसटाइम फैब्रिक कैसे विकसित होता है। इस प्रकार कई लूप क्वांटम गुरुत्व सिद्धांतकारों द्वारा आयोजित लूप्स '05 सम्मेलन में कई प्रस्तुतियाँ सम्मिलित थीं, जिन्होंने सीडीटी पर बहुत गहराई से चर्चा की, और इसे सिद्धांतकारों के लिए महत्वपूर्ण अंतर्दृष्टि बताया गया था। इसने अत्यधिक रुचि उत्पन्न की है क्योंकि इसमें अच्छा अर्ध-पारंपरिक वर्णन प्रतीत होता है। इसके आधार पर बड़े पैमाने पर, यह परिचित 4-आयामी स्पेसटाइम को फिर से बनाता है, अपितु यह प्लैंक स्केल के पास स्पेसटाइम को 2-आयामी दिखाता है, और स्थिर समय के स्लाइस पर भग्न संरचना का खुलासा करता है। इस प्रकार सिम्प्लेक्स नामक संरचना का उपयोग करके, यह स्पेसटाइम को छोटे त्रिकोणीय खंडों में विभाजित करता है। इस प्रकार सिंप्लेक्स विभिन्न आयामों में त्रिभुज का सामान्यीकृत रूप है। 3-सिम्प्लेक्स को सामान्य रूप से चतुर्पाश्वीय कहा जाता है, और 4-सिंप्लेक्स, जो इस सिद्धांत में बुनियादी निर्माण खंड है, को पेंटाटोप या पेंटाकोरोन के रूप में भी जाना जाता है। प्रत्येक संकेतन ज्यामितीय रूप से सपाट है, अपितु इस प्रकार के घुमावदार स्पेसटाइम बनाने के लिए सिम्पलेक्स को विभिन्न तरीकों से साथ चिपकाया जा सकता है। जहां क्वांटम स्पेस के त्रिकोणीकरण के पिछले प्रयासों ने बहुत अधिक आयामों वाले अव्यवस्थित ब्रह्मांड या बहुत कम आयाम वाले न्यूनतम ब्रह्मांड का निर्माण किया है, सीडीटी केवल उन कॉन्फ़िगरेशन की अनुमति देकर इस समस्या से बचता है जहां कारण किसी भी प्रभाव से पहले होता है। दूसरे शब्दों में, सरलता के सभी जुड़े हुए किनारों की समयसीमाएं सहमत होनी चाहिए।

इस प्रकार हो सकता है कि कारणता स्पेसटाइम ज्यामिति की नींव में निहित करती हैं।

कारण समुच्चय

Main article: कारण समुच्चय

कारण समुच्चय सिद्धांत में, कारणता और भी अधिक प्रमुख स्थान रखता है। इस प्रकार क्वांटम गुरुत्व के प्रति इस दृष्टिकोण का आधार डेविड बैडली का प्रमेय है। यह प्रमेय बताता है कि स्पेसटाइम की कारण संरचना उसके अनुरूप वर्ग के पुनर्निर्माण के लिए पर्याप्त है, इसलिए अनुरूप कारक और कारण संरचना को जानना स्पेसटाइम को जानने के लिए पर्याप्त है। इसके आधार पर, राफेल सॉर्किन ने कॉज़ल सेट थ्योरी का विचार प्रस्तावित किया, जो क्वांटम गुरुत्व के लिए मौलिक रूप से असतत दृष्टिकोण है। इस प्रकार स्पेसटाइम की कारण संरचना को पोसेट के रूप में दर्शाया गया है, जबकि इकाई आयतन के साथ प्रत्येक पोसेट तत्व की पहचान करके अनुरूप कारक का पुनर्निर्माण किया जा सकता है।

अंतःक्रिया, बल और संवेग का संरक्षण

भौतिक कारण से अभिप्राय उस प्रभाव से है जो वस्तु ए से वस्तु बी तक बल द्वारा प्रसारित भौतिक हस्तक्षेप के कारण होता है। इस गति को लैग्रेंजियन (क्षेत्र सिद्धांत) में अनुवादात्मक समरूपता पर लागू नोएथर के प्रमेय के अनुसार बल द्वारा प्रचारित किया जाता है, जिसका उपयोग मौलिक वर्णन करने के लिए किया जाता है, जिसे मानक प्रारूप पर लागू होने पर प्रकृति की शक्तियां निहित रहती हैं।

यह भी देखें

• कारणता – How one process influences another (सामान्य)
• कारण संपर्क
• कारण तंत्र – System where the output depends only on past and current inputs
• कण क्षितिज
• भौतिकी का दर्शन
• प्रतिकारणात्मकता
• समक्रमिकता
• इलेक्ट्रोडायनामिक्स के लिए व्हीलर-फेनमैन समय-सममित सिद्धांत – Interpretation of electrodynamics

अग्रिम पठन

• Bohm, David. (2005). Causality and Chance in Modern Physics. London: Taylor and Francis.
• Espinoza, Miguel (2006). Théorie du déterminisme causal. Paris: L'Harmattan. ISBN 2-296-01198-5.

बाहरी संबंध

• Causal Processes, Stanford Encyclopedia of Philosophy
• Caltech Tutorial on Relativity — A nice discussion of how observers moving relatively to each other see different slices of time.
• Faster-than-c signals, special relativity, and causality. This article explains that faster than light signals do not necessarily lead to a violation of causality.