Artykuł Filozofia nauki Filozofia przyrody

Tomasz Bigaj: Przyczyny celowe w fizyce

Co to znaczy podać przyczynę dla jakiegoś zdarzenia? Pytanie to postawił sobie Arystoteles przed dwoma i pół tysiącami lat, a udzielona przez niego odpowiedź do dzisiaj intryguje.

Tekst ukazał się w „Filozofuj!” 2019 nr 3 (27), s. 19–21. W pełnej wersji graficznej jest dostępny w pliku PDF.


Zacznijmy od tego, że Arystoteles wyróżnił cztery sposoby rozumienia pojęcia przyczyny, a zarazem cztery metody przyczynowego wyjaśniania zjawisk. W niniejszym szkicu interesować nas będą tylko dwa: przyczyna sprawcza oraz przyczyna celowa (dwa pozostałe rodzaje – przyczyna materialna i formalna – są ściśle związane z jego koncepcją ontologiczną, tzw. hylemorfizmu, i nie są szczególnie użyteczne w innych zastosowaniach). Dla zilustrowania tych pojęć filozof posłużył się przykładem rzeźbiarza pracującego nad posągiem z brązu. Przyczyną sprawczą powstania posągu jest praca włożona przez artystę – mechaniczna obróbka materiału, nadanie mu odpowiedniego kształtu, wypolerowanie powierzchni itd. Natomiast przyczyna celowa przejawia się w zamyśle rzeźbiarza – w jego idei tego, jak posąg ma wyglądać, czemu ma służyć, jakich wrażeń dostarczać. Kluczową różnicą między przyczyną sprawczą a celową jest ich odmienna relacja czasowa w stosunku do efektu, którego zaistnienie staramy się wyjaśnić. Przyczyna sprawcza zachodzi, zanim efekt zostanie osiągnięty (np. rzeźbiarz musi wykonać swoją pracę, zanim posąg zacznie nabierać kształtów). Natomiast przyczyna celowa odnosi się do przyszłości. Rzeźbiarz wybiega myślą do momentu, kiedy już posąg będzie ukończony – kiedy jego cel zostanie osiągnięty.

Arystoteles bynajmniej nie ograniczał pojęcia przyczyny celowej do wąskiej dziedziny intencjonalnych działań człowieka. Uważał, że w świecie przyrody przyczyny celowe mają tak samo ważną rolę do odegrania co przyczyny sprawcze, a może nawet ważniejszą. Na przykład u podstaw mechaniki Arystotelesa leżał podział na ruchy naturalne i wymuszone. Ruchem naturalnym dla przedmiotów o charakterze „ziemskim” miał być według niego ruch pionowy (w dół lub w górę). Kierunek zaś tego ruchu był właśnie wyznaczony celem: ciała ciężkie, zawierające więcej pierwiastka ziemskiego, dążą w kierunku Ziemi, natomiast ciała lekkie (dym, para), zawierające pierwiastek niebiański, kierują się w stronę sfery niebieskiej. Zatem właściwym sposobem przyczynowego wyjaśnienia tego, że jabłko spada na ziemię, jest zauważenie, że celem jabłka jest znaleźć się jak najbliżej Ziemi (jeśli tylko nic nie stanie mu na przeszkodzie). Wyjaśnianie takie nazywane jest wyjaśnianiem teleologicznym (od greckiego słowa telos – cel).

Odwrót od przyczyn celowych

Rozwój nauki, a w szczególności fizyki, podważył znaczenie przyczyn celowych i celowego wyjaśniania zjawisk na korzyść wyjaśniania sprawczego. Od czasów Izaaka Newtona obowiązującym wyjaśnieniem spadania jabłka nie jest jego miejsce przeznaczenia, a siła grawitacji, z jaką Ziemia działa na jabłko. Siła ta jest w oczywisty sposób przyczyną sprawczą: działa ona na jabłko, zanim znajdzie się ono na ziemi, i powoduje zgodnie z prawem dynamiki, że zaczyna nabierać ono coraz większej prędkości. Niektórzy filozofowie zwracają uwagę, że wyjaśnianie celowe w świecie przyrody nie spełnia standardów naukowości, gdyż jest przejawem antropomorfizmu, czyli nieuprawnionego przypisywania przedmiotom i zjawiskom nieożywionym cech ludzkich. Jabłko nie ma zamiaru znaleźć się na powierzchni Ziemi, niczego nie planuje ani nie zamyśla. To tylko ludzie mogą stawiać sobie cele i je realizować; martwa przyroda może jedynie poddawać się siłom i stosownie do nich ewoluować. Ideałem wyjaśniania naukowego stało się wyjaśnianie obowiązujące w mechanice, w której kompletny opis przyczyn sprawczych ruchu ciał sprowadza się do działających na ciała sił oraz ich początkowego położenia i prędkości. Celowość była zbędnym dodatkiem, nieakceptowalnym w tak fundamentalnej nauce przyrodniczej, jaką jest fizyka.

W niniejszym artykule chciałbym pokazać, jak błędne jest to przekonanie. Okazuje się, że przyczyny celowe istnieją i mają się dobrze nawet w najbardziej rozwiniętych gałęziach fizyki. Co więcej, wydaje się, że nie możemy się bez nich obejść. Zacznijmy może od przywołanego wcześniej przykładu z jabłkiem. Zauważyliśmy już, że mechanika wprowadza pojęcie przyczyny sprawczej spadania jabłka w postaci działania siły grawitacji. Jednakże możliwe jest opisanie tego samego zjawiska przy wykorzystaniu pojęcia energii potencjalnej albo też potencjału grawitacyjnego. Energia potencjalna jabłka zależy od jego wysokości nad ziemią. W mechanice obowiązuje prosta zasada, że ciało w spoczynku przyjmuje położenie, w którym jego energia potencjalna jest możliwie najmniejsza. Zatem o ile nie istnieją żadne ograniczenia, ciało dąży w kierunku miejsca, gdzie może osiągnąć najmniejszą energię potencjalną, czyli w kierunku powierzchni ziemi. Czy jednak nie jest to wyjaśnienie analogiczne do Arystotelesowskiego dążenia ciał do swoich „naturalnych miejsc”? Czy nie wprowadzamy tutaj myślenia celowego, odwołującego się do przyszłego, pożądanego stanu rzeczy, a nie do sił i oddziaływań w przeszłości? Wydaje się, że tak właśnie jest.

Zasady ekstremalne w fizyce jako wyjaśnienia celowe

Wyjaśnienie zachowania ciał w polu grawitacyjnym przy pomocy zasady minimalizacji energii potencjalnej jest przykładem zastosowania w fizyce tzw. zasad ekstremalnych.

Jednym z pierwszych zastosowań zasad ekstremalnych było sformułowanie tzw. zasady Fermata w optyce. Głosi ona, że promień świetlny wychodzący z punktu A do punktu B porusza się tak, aby czas dojścia z A do B był możliwie jak najmniejszy. Przy pomocy zasady Fermata możemy nie tylko uzasadnić banalny fakt, że światło porusza się po liniach prostych, ale także wyprowadzić dwa podstawowe prawa optyki: prawo odbicia i prawo załamania (prawo Snelliusa). Idea Fermata została zapożyczona do opisu zjawisk mechanicznych przez Pierre’a Maupertuisa i Leonharda Eulera w postaci zasady najmniejszego działania. Działanie jest wielkością, którą definiuje się dla każdej możliwej trajektorii obiektu z punktu początkowego A do punktu końcowego B. Wielkość ta jest zależna od różnicy pomiędzy energią kinetyczną a potencjalną. Okazuje się, że trajektorie faktycznie wytyczane przez obiekty poddane działaniom różnych sił mają tę własność, że obliczone dla nich działanie przyjmuje wartość ekstremalną (zazwyczaj minimalną) w porównaniu z trajektoriami „sąsiadującymi”. Wygląda to tak, jakby ciało znajdujące się w ruchu dokonywało wyboru jednej spośród szeregu przyszłych możliwych trajektorii na podstawie obliczonej wartości działania. Zatem na pytanie, dlaczego ciało porusza się w taki, a nie inny sposób, możemy odpowiedzieć w duchu Arystotelesowskiej teleologii: ponieważ celem ciała jest takie zachowanie, które minimalizuje jego działanie.

Zasady ekstremalne mają szerokie zastosowanie w fizyce współczesnej, od skomplikowanych problemów mechaniki teoretycznej do całek Feynmana w fizyce kwantowej. Jednakże wyjaśnienia oparte na celowości pojawiają się także w innych kontekstach fizyki. Weźmy chociażby naukę o cieple, czyli termodynamikę. Układy termodynamiczne, takie jak gaz zamknięty w pewnej objętości, składają się z ogromnej liczby cząsteczek, o których zakłada się, że zachowują się zgodnie z prawami mechaniki Newtonowskiej. Zasadniczo zatem powinniśmy być w stanie przewidzieć przyszłe zachowanie danego systemu na podstawie znajomości położeń, prędkości i wzajemnych oddziaływań wszystkich cząstek składających się na ten system. Jednakże z praktycznego punktu widzenia jest to niemożliwe ze względu na ogromną liczbę uczestniczących cząstek. Co zatem można zrobić? Ludwig Boltzmann zaproponował tutaj podejście statystyczne. Zakładając, że stan wyjściowy makroskopowego układu jest dany odpowiednimi mierzalnymi parametrami (ciśnienie, temperatura itd.), możemy na chybił trafił wybrać jeden z wielu możliwych realizujących go stanów mikroskopowych (opisanych położeniami i prędkościami cząstek) i zapytać, jaka będzie ewolucja takiego stanu. Boltzmann pokazał, że z prawdopodobieństwem graniczącym z pewnością ewolucja ta będzie przebiegała w taki sposób, aby pewna wielkość zwana entropią przyjęła jak największą wartość. W ten sposób można statystycznie uzasadnić powszechnie znaną drugą zasadę termodynamiki, która mówi, że w układach izolowanych entropia nigdy nie maleje (rośnie lub pozostaje taka sama). I znów mamy do czynienia z Arystotelesowską celowością. Układ pozostawiony samemu sobie ewoluuje tak, aby osiągnąć cel, którym jest stan równowagi charakteryzujący się największą możliwą entropią.

Praktyczne aspekty wyjaśnień celowych

Krytycy teleologii wskazują na to, że opisane powyżej wyjaśnienia celowe można łatwo wyeliminować. Wyjaśnienie oparte na zasadzie zwiększania entropii jest tylko statystycznym przybliżeniem opisu prawdziwego zachowania cząstek, wynikającego z działania chaotycznych sił. Z kolei zasady ekstremalne stosowane w mechanice są matematycznie równoważne standardowym prawom dynamiki Newtona opartym na pojęciu siły. Można zatem twierdzić, że tak naprawdę wszystkie przyczyny są sprawcze, a tylko dla wygody stosujemy opis w kategoriach przyczyn celowych. Jednakże sprawa nie jest taka oczywista. Jeśli standardowa mechanika Newtonowska i mechanika oparta na zasadach ekstremalnych są równoważne, to skąd wiemy, która z nich oferuje „prawdziwszy” model rzeczywistości? Jest historycznym przypadkiem, że mechanika Newtona została sformułowana po raz pierwszy w kategoriach sił. Mogłoby się zdarzyć, że to mechanikę wariacyjną (w której poszukujemy trajektorii, obliczając wartości ekstremalne) odkryto by wcześniej i wtedy właśnie ona stanowiłaby punkt odniesienia dla filozoficznych interpretacji późniejszych wersji. Nie powinniśmy również ignorować praktycznego aspektu naszych teorii naukowych. Mechanika wariacyjna czy termodynamika oferują nam metodę analizy praktycznych problemów, które byłyby niesłychanie trudne, jeśli wręcz nie niemożliwe do rozwiązania w standardowej mechanice. Czyż nie jest to pośredni argument za tym, że podejścia te, wraz z ich ontologiczną preferencją celowości nad sprawstwem, są bliżej prawdy niż konkurencyjna teoria? Być może Arystoteles miał rację, twierdząc, że fundamentalny opis świata nie może się obejść bez podania celu dla obserwowalnych zjawisk.


Tomasz Bigaj – profesor Filozofii na UW. Ukończył studia na wydziałach fizyki i filozofii. Zajmuje się głównie ontologicznymi problemami fizyki współczesnej, szczególnie mechaniki kwantowej. Opublikował cztery książki i blisko 50 artykułów naukowych, w tym w renomowanych czasopismach międzynarodowych. Jest dwukrotnym zdobywcą grantów Marii Skłodowskiej-Curie, finansowanych z funduszy Komisji Europejskiej.

Tekst jest dostępny na licencji: Uznanie autorstwa-Na tych samych warunkach 3.0 Polska.

< Powrót do spisu treści numeru.

Ilustracja: Natalia Biesiada-Myszak

Najnowszy numer można nabyć od 4 maja w salonikach prasowych wielu sieci. Szczegóły zob. tutaj.

Numery drukowane można zamówić online > tutaj. Prenumeratę na rok 2022 można zamówić > tutaj.

Dołącz do Załogi F! Pomóż nam tworzyć jedyne w Polsce czasopismo popularyzujące filozofię. Na temat obszarów współpracy można przeczytać tutaj.

1 komentarz

Kliknij, aby skomentować