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

Numery drukowane można zamówić online > tutaj. Prenumeratę na rok 2019 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.

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