Kausalität

Grundbegriff und Formen der Kausalität

Kausalität ist die Beziehung zwischen Ursache und Wirkung. Sie betrifft die Abfolge von Ereignissen und Zuständen, die aufeinander bezogen sind. A ist die Ursache für die Wirkung B, wenn B von A erzeugt wird.

Im Alltag werden Ursache, Bedingung, Anlass und Grund häufig unterschieden, wobei keine einheitliche Abgrenzung besteht. Eine Bedingung ist meist eine zeitlich vor der Wirkung liegende, besonders wichtige Voraussetzung, ohne die die Wirkung nicht eintritt. Ein Anlass ist ein zufälliger oder „unwesentlicher“ Auslöser neben einer „eigentlichen“ Ursache. Ein Grund gehört eher zu rationalen Überlegungen oder Begründungen und wird von der Naturkausalität unterschieden.

Eine monokausale Erklärung führt ein Ereignis auf genau eine Ursache zurück; diese eine Ursache kann mehrere Wirkungen haben. Eine multikausale Erklärung berücksichtigt mehrere Ursachen, die ein oder mehrere Ereignisse bewirken. In einer Kausalkette oder Ursache-Wirkungs-Kette bewirkt ein Ereignis ein weiteres, das wiederum ein nächstes auslöst. Die Ursachen sind dabei streng zeitlich gereiht und voneinander abhängig. Ein typisches Beispiel ist eine Reihe von Dominosteinen.

Die moderne Geschichtswissenschaft erklärt Ereignisse grundsätzlich multikausal. Ursachen können Personen, Institutionen, Handlungen, Ereignisse, Strukturen, Prozesse, Mentalitäten und Ideologien sein und kurz-, mittel- oder langfristig wirken. Auch der Zufall wird berücksichtigt. Alexander Demandt listete 210 Kausalfaktoren auf, die zur Erklärung des Untergangs des Römischen Reiches angeführt wurden. Monokausale Erklärungen gelten auch in den Sozialwissenschaften häufig als unterkomplex. Soziale Prozesse entstehen meist durch mehrere voneinander abhängige Faktoren und durch gegenseitige Beeinflussung verschiedener Handlungsfelder. Monokausale Deutungen sind typisch für Verschwörungstheorien, in denen Ereignisse den Machenschaften einer einzigen, besonders mächtigen Gruppe zugeschrieben werden.

Kausalordnung und Naturwissenschaften

Die Kausalordnung ist eine Halbordnung, also eine Ordnung kausaler Abhängigkeiten innerhalb einer Menge von Ereignissen. Für zwei Ereignisse gilt: A ist Ursache von B, B ist Ursache von A oder beide sind kausal unabhängig beziehungsweise nebenläufig (A || B). Die meisten Theoretiker betrachten Kausalität als transitiv: Wenn A Ursache von B und B Ursache von C ist, dann ist A auch indirekte Ursache von C. Dagegen wird eingewandt, dass die alltägliche Suche nach Ursachen meist auf das unmittelbar verursachende Ereignis zielt. In Physik, Informatik und Philosophie kann die Zeit selbst über die Kausalordnung definiert werden. „Gleichzeitigkeit“ wird dann durch kausale Unabhängigkeit ersetzt; ob unabhängige Ereignisse gleichzeitig erscheinen, hängt vom Beobachter ab.

In der Physik besagt das Kausalitätsgesetz, dass es keine Wirkung ohne Ursache gibt. Es steht in engem Zusammenhang mit Determinismus: Kennt man den Zustand eines Systems in allen Parametern, kann man mithilfe der Naturgesetze einen zukünftigen Zustand berechnen. Nach Max Born gehören zur Kausalität insbesondere Nahwirkung und Aufeinanderfolge. Die newtonsche Gravitation verletzte beide Vorstellungen teilweise, da sie eine instantane Fernwirkung annahm. Der Feldbegriff Michael Faradays und die Grenzgeschwindigkeit der Relativitätstheorie korrigieren dieses Problem.

Kausalität bildet eine strenge Halbordnung: Sie ist transitiv und irreflexiv. Eine Wirkung darf also nicht direkte oder indirekte Ursache ihrer selbst sein, weil sonst Widersprüche wie das Großvater-Paradoxon entstehen könnten.

In der klassischen Mechanik erschwert die angenommene instantane Fernwirkung eine Kausalordnung, in der die Ursache stets vor der Wirkung liegt. Im dritten newtonschen Axiom treten „actio“ und „reactio“ gleichzeitig auf. Newton meinte damit jedoch keinen Kausalzusammenhang, sondern die Gleichheit und Entgegengesetztheit der Kräfte.

In der Relativitätstheorie kann wegen der Relativität der Gleichzeitigkeit die Reihenfolge zweier Ereignisse vom Bezugssystem abhängen. Da sich Wirkungen höchstens mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, werden mögliche Ursachen durch den Vergangenheitslichtkegel und mögliche Wirkungen durch den Zukunftslichtkegel eines Ereignisses begrenzt. Innerhalb dieser Kegel bleibt die zeitliche Ordnung für alle Beobachter gleich. Die allgemeine Relativitätstheorie verkompliziert die Kausalstruktur durch die Krümmung der Raumzeit. Vergangenheits- und Zukunftskegel können sich schneiden, sodass geschlossene Weltlinien möglich werden. Nur in kausalen Raumzeiten bleiben beide Kegel getrennt.

Nach der Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik sind nur Wahrscheinlichkeiten späterer Beobachtungen vorhersagbar; im Einzelfall wirkt objektiver Zufall. Kausalität bleibt jedoch erhalten, wenn alle physikalisch möglichen Zustände B aus A abgeleitet werden können. Determinismus ist dabei eine stärkere Aussage als Kausalität. Die De-Broglie-Bohm-Theorie ist eine deterministische Interpretation; die Unvorhersagbarkeit beruht dort auf ungenauer Kenntnis der Anfangsbedingungen. Einsteins Satz „Gott würfelt nicht“ drückte seine Überzeugung aus, der Zufall beruhe nur auf verborgenen Ursachen. Diese Position blieb jedoch eine Minderheitsmeinung und wurde durch spätere quantenoptische Experimente weiter geschwächt.

Der Schmetterlingseffekt bezeichnet die Möglichkeit, dass geringe Unterschiede in den Anfangsbedingungen sehr unterschiedliche Wirkungen haben. Bei einem labilen Gleichgewicht kann etwa ein kleiner Stoß auf eine Kugel am Gipfel eines Berges bestimmen, in welche Richtung sie rollt. Die Chaostheorie fragt zugespitzt, ob der Schlag eines Schmetterlingsflügels in Brasilien einen Tornado in Texas verursachen kann.

Philosophische Auffassungen

Die Vorsokratiker suchten nach dem Urgrund allen Seins, dem Arché, beziehungsweise nach Urstoffen oder allumfassenden Prinzipien wie Feuer, Luft, Wärme oder Kälte. Der griechische Begriff aition beziehungsweise aitia bezeichnete zunächst einen Verantwortlichen oder Schuldigen und wurde Ende des 5. Jahrhunderts v. Chr. durch hippokratische Ärzte erstmals eindeutig im kausalen Sinn für Krankheitsursachen verwendet. Demokrit vertrat früh die Vorstellung einer umfassenden Kausalität.

Platon setzte die Wirkung mit dem Werdenden gleich und nahm an, dass jedes Werdende eine Ursache haben müsse. Als letzte Ursachen betrachtete er die Ideen; die Notwendigkeit galt als letzte Quelle der materiellen Bedingtheit der Welt.

Aristoteles unterschied vier Ursachen, die vier Arten entsprechen, eine Warum-Frage zu beantworten: die Formursache (causa formalis), die Zweckursache (causa finalis), die Materialursache (causa materialis) und die Wirkursache (causa efficiens). Bei einer Säge erklärt ihre Form, warum sie Holz zerkleinert; der Zweck des Sägens ist die Gewinnung von Brennholz; das Metall ist nötig, weil die Säge hart sein muss; bewegt wird sie, weil jemand sie bewegt. Bei einer Bildsäule ist das Erz die Materialursache und die Kunst des Bildhauers die Formursache. Der Vater ist die Wirkursache des Kindes, die Gesundheit die Zweckursache des Sports. Für Aristoteles bedeutet Wissen, alle aitiai einer Sache angeben zu können. Die Zweckursache steht bei ihm im Vordergrund, während die Wirkursache dem modernen Kausalitätsbegriff näherkommt.

Im Hellenismus rückte der praktische Nutzen der Ursachenforschung in den Mittelpunkt. Epikur wollte durch die Erklärung unverständlicher Phänomene die menschliche Unruhe vermindern. Zenon von Kition und die Stoa anerkannten im Unterschied zu Aristoteles ausschließlich die wirkende Ursache. Scholastiker und Thomisten übernahmen Aristoteles’ Einteilung, ordneten Material- und Wirkursachen jedoch den höheren Form- und Zweckursachen unter und ergänzten die erste Ursache (causa prima), Gott.

Der Okkasionalismus betrachtet allein die göttliche Vorstellung als wahrhafte Ursache. Körperliche Dinge sind nur Anlässe oder Gelegenheitsursachen (causae occasionales), in denen sich das Wirken des göttlichen Geistes zeigt.

David Hume definierte Ursache als „einen Gegenstand, dem ein anderer folgt, wobei allen Gegenständen, die dem ersten gleichartig sind, Gegenstände folgen, die dem zweiten gleichartig sind“, oder als einen Gegenstand, ohne den der zweite „nie ins Dasein getreten wäre“. Eine notwendige Verknüpfung von Ursache und Wirkung lehnte Hume ab. Sie entstehe aus der Gewohnheit, regelmäßig gemeinsam auftretende Ereignisse zu verbinden. Seine Regularitätstheorie versteht Kausalität als zuverlässige, regelmäßig auftretende bivariate Kovariation. Nach Hume müssen drei Bedingungen erfüllt sein: e₁ liegt zeitlich unmittelbar vor e₂; e₁ liegt räumlich unmittelbar neben e₂; und immer wenn ein Vorkommnis des Typs e₁ auftritt, wird ein Vorkommnis des Typs e₂ beobachtet. Sichere Prognosen und logisch begründete allgemeine Naturgesetze seien daraus nicht ableitbar.

Materialistische und mechanizistische Philosophien führten Ursachen letztlich auf mechanischen Druck und Stoß, den „Tanz der Atome“, zurück. Immanuel Kant dagegen verstand Kausalität als notwendigen Bestandteil der Erkenntnis. Der Begriff sei a priori vorausgesetzt und ermögliche es überhaupt, sensorische Eindrücke zu geordneten Erfahrungen zusammenzufassen. Neben der „Kausalität nach Gesetzen der Natur“ unterschied Kant eine „Kausalität durch Freiheit“, durch die eine neue Reihe von Erscheinungen beginnen könne. Die Dinge an sich bleiben nach Kant unerkennbar; Naturwissenschaft bezieht sich auf die erfahrbare Erscheinungswelt.

Kritiker wie Friedrich Nietzsche bestritten Ursachen an sich. Ernst Mach sah in der Natur nur funktionale Beziehungen, der Konditionalismus ersetzte Ursachen durch Bedingungen. John Stuart Mill verstand die Ursache als die volle Summe ihrer Bedingungen; Max Verworn betrachtete den Ursachenbegriff als vorwissenschaftliches Überbleibsel. Der Dialektische Materialismus erklärte Veränderungen durch das Zusammenwirken äußerer Ursachen und innerer Widersprüche. Innere Ursachen wirken nur durch äußere, äußere nur durch innere; welche Ursache innerlich oder äußerlich ist, hängt vom betrachteten System ab.

Moderne Theorien und Willensfreiheit

John Leslie Mackies INUS-Bedingung beschreibt ein Ereignis als Ursache, wenn es ein unzureichender (Insufficient), aber notwendiger (Necessary) Teil einer selbst nicht notwendigen (Unnecessary), jedoch hinreichenden (Sufficient) Bedingung für ein Ergebnis ist.

David Lewis stellt im Closest-World-Konzept kontrafaktische Aussagen in den Mittelpunkt. Für die Aussage „Hätten Kängurus keine Schwänze, würden sie umfallen“ wird eine möglichst realitätsnahe Welt vorgestellt, die sich nur in diesem Punkt von der tatsächlichen Welt unterscheidet. Kausalität lässt sich entsprechend ausdrücken: Hätte man den Stein nicht geworfen, wäre die Scheibe nicht zersprungen. Judea Pearl konkretisierte diesen Ansatz in Causality.

Leonard Talmys Theorie der Kräftedynamik untersucht sprachlich ausgedrückte Kräftebeziehungen. Sie unterscheidet unter anderem zwischen verursachen, helfen, lassen, ermöglichen, verhindern, vorbeugen und abhängen. Für eine Grund-Beziehung wirken ein Agonist und ein Antagonist mit entgegengesetzten Tendenzen; die Kraft des Agonisten ist größer. Phillip Wollf schlug drei Dimensionen vor: die Tendenz des Antagonisten zum Resultat, die Kräfteopposition und das (Nicht-)Eintreten des Resultats.

Der Determinismus nimmt an, dass jedes Ereignis durch vorhergehende Ereignisse fest vorbestimmt ist und sich das Universum als Kausalkette entwickelt. Da auch das menschliche Gehirn aus Materie besteht, müsste es sich nach dieser Auffassung grundsätzlich deterministisch verhalten. Damit stellt sich die Frage, ob Willensfreiheit mit einer vollständig kausal bestimmten Welt vereinbar ist.

Kausalität in Informatik, Systemtheorie und empirischer Forschung

In der Informatik dient Kausalität zur nachträglichen Rekonstruktion von Ereignisfolgen, besonders in verteilten Systemen. Logische Uhren und Zeitstempel helfen zu bestimmen, welche Ereignisse einander kausal vorausgehen, etwa wenn Nachrichten die Reihenfolge ihres Versands nicht einhalten. Bei Programmen lässt sich außerdem vorab feststellen, welche Operation welche Daten benötigt. Daraus entsteht eine Kausalordnung, anhand derer Abläufe sequentialisiert oder parallelisiert werden können. Maschinelles Lernen, insbesondere Reinforcement Learning, soll künftig zum Verständnis realer Kausalitäten beitragen.

Ein System heißt in der Systemtheorie kausal, wenn seine Ausgangswerte nur von aktuellen und vergangenen Eingangswerten abhängen. Bei einem solchen System verschwindet die Sprungantwort oder Impulsantwort für negative Zeiten. Ein System, das diese Bedingung nicht erfüllt, heißt akausal.

In der Biologie und Verhaltensforschung wird die Kausalitätserwartung als „angeborener Lehrmeister“ beschrieben. Vorfahren, die schwarze und gelbe Streifen hinter einem Gebüsch als Hinweis auf einen Tiger deuteten und flohen, konnten dadurch überleben. Die Erwartung, dass Gleiches dieselbe Ursache habe, ermöglicht schnelle Entscheidungen, kann aber auch zu Denkfehlern führen. Deshalb wird beispielsweise vorschnell der Pilot, Kapitän oder Lokführer für ein Unglück verantwortlich gemacht.

Die Forschung zur Konditionierung untersuchte, unter welchen Bedingungen Vorstellungen von Ursache-Wirkungs-Zusammenhängen entstehen. Dazu gehören Thorndikes Katzenexperimente, Pawlows klassische Konditionierung und Skinners operante Konditionierung. In sozialwissenschaftlichen Experimenten formulierten Thomas D. Cook und Donald T. Campbell 1979 drei notwendige Bedingungen für Kausalität: Kovarianz zwischen unabhängiger Variable (UV) und abhängiger Variable (AV), zeitliche Abfolge der UV vor der AV und der Ausschluss alternativer Erklärungen. Die dritte Bedingung ist besonders schwierig, weil aus ethischen Gründen nicht alle Einflussfaktoren kontrolliert werden können. Drittvariablenkontrolle und Panelstudien dienen als Hilfsmittel. Die Sozialpsychologie untersucht außerdem die phänomenale Kausalität, also die Tendenz, wahrnehmbaren Objekten Ursachen zuzuschreiben. Bei Lernstörungen kann ein Wirkungsgefüge aus mehreren Ursachen betrachtet werden.

Statistik kann Zusammenhänge oder Korrelationen nachweisen, aber keine Kausalität beweisen. Ein Zusammenhang zwischen A und B kann bedeuten, dass A B verursacht, dass B A verursacht, dass beide durch C verursacht werden oder dass der Zusammenhang zufällig oder fehlerhaft ist. Die zeitgleiche Abnahme von Storchenpopulation und Geburtenrate in Westdeutschland Ende der sechziger Jahre beweist daher keine Ursache-Wirkungs-Beziehung. In der Regressionsanalyse werden unabhängige Variablen X und abhängige Variablen Y betrachtet; ihre Rollen werden per Definition festgelegt. Kausalität kann sogar ohne statistisch erkennbare Korrelation vorliegen, etwa wenn ein Zufallsgenerator ein Schaltsignal für eine Glühlampe manchmal in sein Gegenteil umwandelt.

In der Ökonometrie bezeichnet Granger-Kausalität einen eingeschränkten, statistisch testbaren Kausalitätsbegriff. X ist für Y Granger-kausal, wenn Y bei gleicher Information bis t−1 im Zeitpunkt t mit X besser prognostiziert werden kann als ohne X. Die Kausalität kann ein- oder beidseitig gelten. In einem bivariaten VAR(p)-Modell wird Nicht-Granger-Kausalität durch Null-Restriktionen geprüft: Für die fehlende Kausalität von Y₂ auf Y₁ gilt φ₁₂,₁ = φ₁₂,₂ = … = φ₁₂,p = 0; für die fehlende Kausalität von Y₁ auf Y₂ gilt φ₂₁,₁ = φ₂₁,₂ = … = φ₂₁,p = 0. Die Teststatistik lautet F(p,N−n−p) = (RSSᵣ−RSSᵤ)/(pσ̂₁₁²), wobei N der Umfang der Zeitreihen, n die Zahl der geschätzten Koeffizienten, p die Zahl zusätzlicher Koeffizienten, RSSᵣ die quadrierte Residuen-Summe des restringierten und RSSᵤ diejenige des unrestringierten Modells ist; σ̂₁₁² = RSSᵤ/(N−n−p) ist die geschätzte Varianz von Z₁.

In der Betriebswirtschaft bezeichnet ein Kostenzurechnungsprinzip ein Verfahren, mit dem Kosten auf Bezugsgrößen umgerechnet werden. Wird eine Produkteinheit als Bezugsgröße gewählt, erhält man die Stückkosten. In der Medizin bezeichnet Ätiologie heute vor allem die Lehre von den Krankheitsursachen.