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.

Zapisz się do naszego newslettera

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 2 września w salonikach prasowych wielu sieci. Szczegóły zob. tutaj.

Numery drukowane można zamówić online > tutaj. Prenumeratę na rok 2020 można zamówić > tutaj.

Aby dobrowolnie WESPRZEĆ naszą inicjatywę dowolną kwotą, kliknij „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

  • Tekst wyda­je się być zale­d­wie wstę­pem. Szko­da, inte­re­su­ją­ca per­spek­ty­wa 🙂

55 podróży filozoficznych okładka

Wesprzyj „Filozofuj!” finansowo

Jeśli chcesz wesprzeć tę inicjatywę dowolną kwotą (1 zł, 2 zł lub inną), przejdź do zakładki „WSPARCIE” na naszej stronie, klikając poniższy link. Klik: Chcę wesprzeć „Filozofuj!”

Polecamy