Chaotické systémy porušujú princíp kauzality
„Príčina predchádza dôsledok“ je princíp kauzality, platný v prírodných aj sociálnych vedách. Pri zložitých dynamických javoch však rozlíšenie príčiny a dôsledku môže byť pomerne zložité. Moderné matematické a výpočtové metódy umožňujú odhaliť kauzálne vzťahy v experimentálnych dátach, ktoré odrážajú vývoj študovaných javov alebo systémov v čase.
Príkladom takýchto dát môžu byť elektrické signály mozgu (EEG) či srdca (EKG) alebo dlhodobé záznamy teploty vzduchu a iných meteorologických veličín. Chaotické systémy sú matematické modely zložitých prírodných javov, napríklad procesov v zemskej atmosfére alebo v ľudskom tele. V najnovšej štúdii vedci z Ústavu informatiky AV ČR a Ústavu merania SAV zistili, že chaotické systémy porušujú princíp kauzality. Pri počítačovej simulácii zmeny smeru času u bežne skúmaných lineárnych systémov matematické metódy detekcie kauzality, podľa očakávania, prehodia príčinu a následok. Avšak u chaotických systémov príčina zostáva príčinou aj pri spätnom behu času, a to aj vtedy, keď sa odohrá až po následku. Tento paradox môžeme pozorovať v počítačovej simulácii, ale nemôže k nemu dôjsť v skutočnom svete, pretože chaotické systémy nie sú reverzibilné v čase. Ak na uvedený paradox narazíme pri kauzálnej analýze reálnych dát, čiže dáta otočíme v čase a príčina si nevymení úlohu s následkom, potom to môže to byť signalizácia toho, že skúmané dáta pochádzajú z chaotického procesu.
A v tom je praktický význam tejto štúdie. Získané vedomosti nám pomôžu poodhaliť fyzikálne mechanizmy, ktoré vedú ku kauzálnym vzťahom pozorovaným v reálnych dátach. Napríklad v atmosfére Zeme sa kauzálny vplyv fenoménu El Niño na počasie vo vzdialených oblastiach realizuje ako lineárny transfer časovo oneskorených signálov. Z matematickej do fyzikálnej reči preložené, ako transport vzdušných más a s nimi zviazanej energie. Na druhej strane, v ľudskom tele rytmus dýchania ovplyvňuje rytmus srdca a tento kauzálny vzťah je možné chápať ako interakciu nelineárnych, potencionálne chaotických oscilátorov.
Opis tejto štúdie a jej výsledkov je obsahom článku:
M. Paluš, A. Krakovská, J. Jakubík, M. Chvosteková: Causality, dynamical systems and the arrow of time,
ktorý vychádza v časopise Chaos.
Chaos 28, 075307 (2018); https://doi.org/10.1063/1.5019944
Preprint: http://www.cs.cas.cz/mp/papers07/reversprepr.pdf
Kontakt:
RNDr. Milan Paluš, DrSc., Ústav informatiky AV ČR, mp@cs.cas.cz
RNDr. Anna Krakovská, CSc., Ústav merania SAV, krakovska@savba.sk