因果不对称性:从热力学之箭到因果之箭( 二 )


与热力学基础和时间不对称的物理基础相关的讨论重新浮现 。然而如果没有对因果概念明晰精确的分析,这种讨论就很难继续 。
随着干预主义()的引入,一切都变了 。干预主义分别由 Pearl [10] 和 ,和[11]独立引入, 又在哲学上发展了它[13](脚注 1) 。干预主义提供了一个优美的框架,捕捉了所有科学追因溯源的基础思想 。干预主义的核心思想是:当且仅当我们可能通过操纵 A 来干预 B(脚注 2),那么A才是B的原因 。干预是一种理想的、无混淆的实验操作,切断控制变量与其他历史变量的联系,这样任何剩余的相关性都可以归因于被控制的变量 。干预主义以实验为基础,增进了我们对因果的理解:关于因果知识能为概率、建立因果关系的数据类型和支持这些因果关系的推理模式带来什么?它还提供了一种公理化的演算,类似于概率演算,用来表示和推理因果关系(脚注 3) 。
科学知识总是自然地用因果关系的术语来传达和构思,但长期以来,存在使用统计或概率术语来传达科学知识的倾向 。这是因为因果讨论是启发性的,而事实内容又由统计数据传达 。干预主义消除了这种倾向 。
3. 统计力学
自从经典力学的时间对称性引起了热力学第二定律中不对称性来源的问题以来,关于世界上时间不对称性来源的问题一直存在 。一个半世纪以来统计力学基础的研究表明了,尽管底层法则是时间对称的,我们仍然可以恢复出涌现动力学的不对称性 。
David在《Time and 》[18]中给出的统计力学的玻尔兹曼解释清晰准确地表达了这些基础概念(脚注 4),此解释有三个前提:
1.经典动力学定律(Thelaws),也就是我们熟知的牛顿运动定律 。
2.统计假设(The):这是统计力学的中心假设;相空间(phase space)上的标准勒贝格测度()给出了给定宏观状态中的系统处于与该宏观状态兼容的一个或另一个微观状态的概率(或者更精确地,处于与该宏观状态相关联的相空间的体积的某个子体积中) 。
3.过去假设(The past ):这是初始的(遥远过去)一个边界条件,最常被框定为宇宙曾经处于非常低熵状态的假设 。
这些假设共同起作用,产生了过去未来皆适用的热力学,如下所述 。
经典动力学定律划定了一组物理上的可能状态 。
统计假设在状态空间施加了概率分布,这种概率分布极大地偏好于熵增轨迹的世界(脚注 5) 。
过去假设排除了在初始(遥远的过去)处于非低熵的所有状态 。
其结果是我们世界的历史极有可能是熵增加的 。在这三个前提假设中,(1)和(2)在时间上是对称的 。牛顿力学定律在时间反演下是对称的:对于从 A 到 B 的封闭系统的任何物理上可能的轨迹,该轨迹的反演(通过反转位置和动量获得)在物理上也是可能的 。概率分布与时间无关 。不对称性完全体现在(3)中,因为(3)仅在时间的一端施加不对称边界条件 。
关于的解释的各个层面有很多争议 。本文将以他的解释为基础(但如果这不是你对统计力学基础的偏好描述,可以用你自己的来代替) 。任何统计力学基础的解释,只要能成功地产生热力学的普遍性( ),都会保证记录的不对称性 。在的解释中看到不对称性如何运作是很有用的,但无论你用何种逻辑从自己的假设中推导不对称性,反演此种逻辑都应能让你按下述描述的形式推出因果不对称性 。
4. 知识不对称
从经验出发描绘时间不对称性,并将其置于热力学梯度来研究的工作可以追溯到赖兴巴赫() 。此工作经过 Paul和 Huw Price 的研究,并在的工作基础上得到发展(脚注 6) 。存在两种不对称性:一种是认知不对称( ),另一种是行为不对称( ) 。认知不对称是指我们对过去的认识多于未来这种不对称感;行为不对称是指我们的实践只能影响未来而无法影响过去的不对称感 。