סיקור מקיף

החומר האפל: האם עלינו להיות כל כך בטוחים שהוא קיים? כך הפילוסופיה יכולה לעזור

עברו יותר מ-50 שנה מאז שאסטרונומים הציעו לראשונה את "החומר האפל", שנחשב לצורת החומר הנפוצה ביותר ביקום. למרות זאת, אין לנו מושג מהו החומר האפל. אף אחד לא ראה את החומר האפל ישירות או ייצר אותו במעבדה. אבל האם יש תיאוריות מתחרות שמסבירות את אותן נתונים טוב יותר?

צביר הגלקסיות Abell 520, עם חלקים החשודים כחומר אפל מודגשים בכחול. נאס"א
צביר הגלקסיות Abell 520, עם חלקים החשודים כחומר אפל מודגשים בכחול. נאס"א

מאת אנטוניס אנטוניו, דוקטורנט לפילוסופיה של המדע, אוניברסיטת בריסטול

עברו יותר מ-50 שנה מאז שאסטרונומים הציעו לראשונה את "החומר האפל", שנחשב לצורת החומר הנפוצה ביותר ביקום. למרות זאת, אין לנו מושג מהו החומר האפל. אף אחד לא ראה את החומר האפל ישירות או ייצר אותו במעבדה. אבל האם יש תיאוריות מתחרות שמסבירות את אותן נתונים טוב יותר?

לכן כיצד יכולים המדענים להיות כל כך בטוחים שהוא קיים? מסתבר שהפילוסופיה יכולה לעזור לנו לענות על השאלות האלה.

עוד בשנות ה-70 של המאה ה-20, חשף מחקר מכונן של האסטרונומים ורה רובין וקנט פורד על האופן שבו הגלקסיה השכנה שלנו אנדרומדה מסתובבת שחשף חוסר עקביות מפתיע בין התיאוריה לתצפית. על פי התיאוריה הכבידתית הטובה ביותר שלנו – חוקי ניוטון – כוכבים וגז בגלקסיה צריכים להסתובב לאט יותר ויותר ככל שהם רחוקים יותר ממרכז הגלקסיה. הסיבה לכך היא שרוב הכוכבים יהיו קרובים למרכז, מה שייצור שם כוח כבידה חזק.

הממצאים של רובין ופורד הראו שזה לא היה המקרה. כוכבים בקצה החיצוני של הגלקסיה נעו בערך באותה מהירות כמו הכוכבים סביב מרכזה. הרעיון שהגלקסיה חייבת להיות משובצת בהילה גדולה של חומר אפל הוצע בעצם כדי להסביר את האנומליה הזו (אם כי אחרים הציעו זאת בעבר). מסה בלתי נראית זו מתקשרת עם הכוכבים החיצוניים באמצעות כוח הכבידה כדי להגביר את מהירויותיהם.

זוהי רק דוגמה אחת מתוך מספר אנומליות בתצפיות קוסמולוגיות. עם זאת, ניתן להסביר את רובן באותה מידה על ידי שינוי חוקי הכבידה הנוכחיים של הדינמיקה הניוטונית ותורת היחסות הכללית של איינשטיין. אולי הטבע מתנהג בצורה מעט שונה בקני מידה מסוימים ממה שהתיאוריות האלה מנבאות?

אחת התיאוריות הראשונות מסוג זה, שפותחה על ידי הפיזיקאי הישראלי מרדכי מילגרום ב-1983, הציעה כי חוקי ניוטון עשויים לפעול באופן מעט שונה כאשר מעורבת תאוצה קטנה ביותר, כמו בקצה הגלקסיות. שינוי זה תאם באופן מושלם את הסיבוב הגלקטי שנצפה. אף על פי כן, פיזיקאים כיום מעדיפים באופן גורף את השערת החומר האפל המשולבת במה שמכונה  מודל ΛCDM (החומר האפל הקר של למבדה).

השקפה זו מושרשת כל כך חזק בפיזיקה, עד שהיא מכונה "המודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה". עם זאת, אם שתי התיאוריות המתחרות של החומר האפל והכבידה המתוקנת יכולות להסביר באותה מידה את הסיבוב הגלקטי ואת החריגות האחרות, אפשר לתהות אם יש לנו סיבות טובות להעדיף אחת על פני השנייה.

הגרף מציג את מהירות הסיבוב של כוכבים וגז (ציר אנכי) כפונקציה של המרחק שלהם מהמרכז (ציר אופקי). התיאוריה מציעה שעלינו לקבל את הגרף המסומן 'צפוי על ידי הדיסק הנראה', אך המציאות שונה.  ויקיפדיה, CC BY-SA

מדוע לקהילה המדעית יש העדפה חזקה להסבר החומר האפל על פני השינויים בכוח הכבידה? ואיך נוכל אי פעם להחליט איזה משני ההסברים הוא הנכון?

הפילוסופיה בא לעזרה

זוהי דוגמה למה שפילוסופים מכנים "תת-הגדרה של התיאוריה המדעית" על ידי הראיות הזמינות. זה מתאר כל מצב שבו הראיות הזמינות עשויות להיות לא מספיקות כדי לקבוע אילו אמונות עלינו להחזיק בתגובה לכך. זוהי בעיה שהדהימה את הפילוסופים של המדע במשך זמן רב.

במקרה של הסיבוב המוזר בגלקסיות, הנתונים לבדם אינם יכולים לקבוע אם המהירויות הנצפות נובעות מנוכחותו של חומר בלתי נצפה נוסף או בשל העובדה שחוקי הכבידה הנוכחיים שלנו אינם נכונים.

לכן מדענים מחפשים נתונים נוספים בהקשרים אחרים שבסופו של דבר יבהירו את התשובה לשאלה. אחת הדוגמאות לכך לטובת החומר האפל מגיעה מהתצפיות על האופן שבו החומר מופץ בצביר הגלקסיות Bullet, המורכב משתי גלקסיות מתנגשות במרחק של כ-3.8 מיליארד שנות אור מכדור הארץ. השנייה מבוססת על מדידות של האופן שבו האור מוסט על ידי חומר (בלתי נראה) בקרינת הרקע הקוסמית בתחום המיקרוגל – האור שנותר מהמפץ הגדול. אלה נתפסים לעתים קרובות כראיות שאין עליהן עוררין לטובת החומר האפל, משום שהתיאוריה הראשונית של מילגרום אינה יכולה להסביר אותם.

עם זאת, בעקבות פרסום תוצאות אלה פותחו תיאוריות נוספות של כוח משיכה שונה במהלך העשורים האחרונים על מנת להסביר את כל הראיות התצפיתיות לחומר אפל, לעתים בהצלחה רבה. עם זאת, השערת החומר האפל עדיין נותרה ההסבר המועדף על הפיזיקאים. למה?

אחת הדרכים להבין זאת היא להשתמש בכלים הפילוסופיים של תיאוריית האישור הבייסיאנית. זוהי מסגרת הסתברותית להערכת המידה שבה ההשערות נתמכות על ידי הראיות הזמינות בהקשרים שונים.

במקרה של שתי השערות מתחרות, מה שקובע את ההסתברות הסופית של כל השערה הוא מכפלת היחס בין ההסתברויות הראשוניות של שתי ההשערות (לפני הראיות) והיחס בין ההסתברויות שהראיות מופיעות בכל מקרה (הנקרא יחס הסבירות).

השוואה בין תיאורית החומר האפל לעומת תיאוריות הכבידה המשתנה, כאשר Pr פירושו הסתברות.  באדיבות המחבר
השוואה בין תיאורית החומר האפל לעומת תיאוריות הכבידה המשתנה, כאשר Pr פירושו הסתברות. באדיבות המחבר

אם נקבל את העובדה שהגרסאות המתוחכמות ביותר של כבידה שונה ותורת החומר האפל נתמכות באותה מידה על ידי הראיות, אזי יחס הסבירות שווה לאחד. משמעות הדבר היא שההחלטה הסופית תלויה בהסתברויות הראשוניות של שתי ההשערות הללו.

הקביעה מה בדיוק נחשב כ"הסתברות הראשונית" של השערה, והדרכים האפשריות שבהן ניתן לקבוע הסתברויות כאלה, נותרה אחד האתגרים הקשים ביותר בתורת האישור הבייסיאנית. וכאן מתברר שניתוח פילוסופי מועיל.

בלב הספרות הפילוסופית בנושא זה טמונה השאלה האם ההסתברויות הראשוניות של השערות מדעיות צריכות להיקבע באופן אובייקטיבי על סמך חוקים הסתברותיים ואילוצים רציונליים בלבד. לחלופין, הם יכולים לכלול מספר גורמים נוספים, כגון שיקולים פסיכולוגיים (האם מדענים מעדיפים השערה מסוימת המבוססת על עניין או מסיבות סוציולוגיות או פוליטיות), ידע רקע, הצלחת תיאוריה מדעית בתחומים אחרים וכן הלאה.

זיהוי גורמים אלה יעזור לנו בסופו של דבר להבין את הסיבות לכך שתיאוריית החומר האפל מועדפת באופן גורף על ידי קהילת הפיזיקה.

הפילוסופיה אינה יכולה בסופו של דבר לומר לנו אם אסטרונומים צודקים או טועים לגבי קיומו של החומר האפל. אבל הוא יכול לומר לנו אם לאסטרונומים אכן יש סיבות טובות להאמין בו, מהן הסיבות האלה, ומה יידרש כדי שכוח הכבידה המתוקן יהפוך לפופולרי כמו החומר האפל.

אנחנו עדיין לא יודעים את התשובות המדויקות לשאלות האלה, אבל אנחנו עובדים על זה. יותר מחקר בפילוסופיה של המדע יסייע לנו להגיע להכרעה.

למאמר ב-The Conversation

12 תגובות

  1. בתגובה מספר 10 מליפני מספר ימים הראיתי שיטה להסברת הסיבה לסיבוב הגלקסיות הספיראליות, ציפיתי ממגיבי הידען לעזור לי ,אבל, מגיבי הידען עייפו כניראה ולא שיתפו פעולה. אבל, בכל זאת, אתן את הפיתרון:-
    הפתרון שהגעתי אליו אינו גרביטציה (!) אלא הפרש לחצים הקיים ברחבי הייקום ,ולכן, אין צורך בחומר אפל וזה מסביר גם את התפשטות הייקום המואצת בלי אנרגיה אפלה!. הכל מוסבר במאמרים 75-85 , יקום פשוט.
    ובהצלחה ליאיר לפיד שהיתחיל בתפקידו היום:-
    ראש ממשלתנו החדש לארבעת החודשים הבאים.
    נא להגיב בעדינות
    סבדרמיש יהודה

  2. יש לי הצעה למגיביי הידען!
    בואו ביחד נעשה תרגיל "בחוכמת ההמונים", וננסה למצוא את הפתרון ההגיוני הנכון של הבעייה הקוסמולוגית הנ"ל,המוסברת בעזרת גרביטציה וחומר אפל.. אני אתחיל, ואתם תשלימו.

    הרעיון הוא פשוט :-
    בשלב ראשון- נגדיר את הבעיה,
    בשלב השני- נמצא את כל האפשרויות המוצלחות יותר או פחות לפתרון,- אני מצאתי כ- 20 פתרונות,
    בשלב השלישי – ננפה את כל האפשרויות הלא מוצלחות,- אני ניפיתי כ- 20 פתרונות.
    בשלב הרביעי- נחליט מי הפתרון העדיף מהנותרים.- אני נותרתי עם 2 פתרונות.

    ברור לכם שאם נעשה את ארבעת השלבים הנ"ל בצורה מושלמת אנחנו חייבים להגיע לפתרון מוצלח!
    כאן אני זקוק למגיביי הידען, -כחוכמת ההמונים.

    נתחיל-
    להלן השלב הראשון:- הגדרת הבעיה:

    נתונה נוסחת הגרביטציה של כוכב m בגלקסיה הספיראלית M: F=M*m*G/r^2

    גרביטציה זאת גורמת לתנועה הסיבובית של כוכב m בגלקסיה: F=(mv^2)/r

    שתי נוסחאות אלה אמורות להיות שוות, אבל הן לא. מה יכולות להיות הסיבות לכך?

    נעבור לשלב השני ונאסוף את כל הפתרונות האפשריים לפתרון, בשלב זה, מבלי לתת את הדעת לנכונותם. להלן האפשרויות :-

    א. לפחות אחד מאברי שתי הנוסחאות M m G r v חייב להיות שונה בגודלו, למשל M .
    ב. תיקון אחת הנוסחאות לפחות, למשל תיקון הנוסחה הסיבובית (תיאוריית ה MOND )
    ג. החלפת הנוסחאות בנוסחאות אחרות, למשל- חשמל, מגנטיות , כוח מכני, הכוח החזק, הכוח החלש, אפקט קזימיר
    ד. השפעה חיצונית, כגון- כוח צנטרפוגלי של היקום כולו,מימד אחר, יקום מקביל/תאום,יצור חי, כוח עליון.

    עד כאן כל האפשרויות שאני מצאתי,ולפני שאנו עוברים לשלב ג , שלב הניפוי, אני מצפה מקוראי הידען להעיר את הערותיהם, ואולי, לשדרג ולמצוא עוד אפשרויות לפתרון?.
    נא להגיב בעדינות
    סבדרמיש יהודה

  3. לי יש פתרון הרבה יותר טוב לחידת החומר האפל. היקום שלנו הוא רק אחד מני רבים. היקום שלנו מסודר במרחב לפי צורת עשרימון, שהיינו מצפים למצוא, כך שכל אחת מעשרים פאותיו
    גובלת עם יקום אחר. הכוח האפל הוא כוח המשיכה של היקומים המקיפים אותנו. יחס של אחד לעשרים הוא המפתח. היקום שלנו הוא האחד כל החומר הנצפה,כל האטומים והחלקיקים מהווים חמש אחוז. העשרים הם היקומים שמסביבו של היקום שלנו הם הרבה הרבה יותר כמובן אך בסידור המבני בחלל המבנה הכוורתי שעשרימון מאפשר ״החזקה״ ומונע קריסה.

  4. כאשר את "מדען" הדוגל בתיאוריה שאינך יודע להסבירה – אות הוא שהינך קרוב מאד למוות של התיאוריה.
    "מדענים" – המשיכו להתקשקש והניחו לעולם במנוחה.

  5. חשף מחקר מכונן של האסטרונומים ורה רובין וקנט פורד על האופן שבו הגלקסיה השכנה שלנו אנדרומדה מסתובבת שחשף חוסר עקביות מפתיע בין התיאוריה לתצפית.

    משפט עקום לגמרי מבחינת מבנה, ניסוח ולוגיקה

  6. לא נאמר כלום. הכותב מנסח במילים גבוהות את האינטואיציה ההסתברות הבסיסית שלנו, מסכם שבעצם אי אפשר לדעת מה ההסתברות לכל האחת מההשערות, מציין שאם יש הטיות פוליטיות או סוציולוגיות זה יכול להשפיע (אבל לא אומר כלום על איזה מן סוג הטיות יכולות לבוא לידי ביטוי ביחס להשקעות האמורות), וחותם בכל שהפילוסופיה של המדע יכולה אולי לעזור, אבל לא מסביר איך.

  7. בכתבה כתוב שעברו יותר מ-50 שנה מאז שאסטרונומים הציעו את מושג החומר האפל. זה נכון טכנית, אך יותר מדויק לכתוב שעברו 100 שנים מאז שאסטרונומים הציעו לראשונה את מושג החומר האפל:

    https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/1922ApJ….55..302K/abstract

  8. כשקראתי "על פי התיאוריה הכבידתית הטובה ביותר שלנו – חוקי ניוטון –" – הפסקתי לקרא את הכתבה

  9. חקירת המציאות בדרך של דמיון גיאומטרי פיזיקלי.

    הגיאומטריה הפשוטה והגלויה לעין האדם , מלמדת אותנו איך לגשת אל הפיזיקה המסתורית שאינה גלויה לאדם.
    ראשית יש לזהות את המושג היסודי של הגיאומטריה, וזה זיהוי קל.
    הקו הוא המושג היסודי של הגיאומטריה, ויש לו אורך מילימטרי וצורה.
    (יש קו ישר, יש אינסוף צורות של קו עגול סגור, ויש אינסוף צורות של קו עקום),

    עתה יש לחפש את המושג היסודי של הפיזיקה, בדמיון למושג היסודי של הגיאומטריה, ובהכרח נגיע אל האנרגיה כגודל כלשהו, עם צורות רבות.
    הגודל שחייב להיות הוא עוד לא ברור, אבל הצורות ברורות לגמרי.
    יש אנרגיה של חום, ושל קור , ואנרגיית שרירים, ואנרגיה של קפיצים, ואנרגיה של גובה , ואנרגיה חשמלית, ואנרגיה כימית, ועוד ועוד

    דמיון גיאומטרי פיזיקלי מדריך את ההשקפה העצברית בחקר המציאות.
    לקו נבחר יש גודל כמותי מילימטרי, וצורה אחת מבין צורות רבות.
    לאנרגיה יש גודל כמותי (עוד לא ברור) והרבה צורות.

    שיטה זו של דמיון גיאומטרי פיזיקלי מיד מניבה חוק הקיים במציאות.
    צורות האנרגיה מתחלפות זו בזו, והכמות המתחלפת תמיד נשמרת.
    עתה כבר ברור שיש דמיון בין הגיאומטריה לפיזיקה, אבל הפיזיקה היא הרבה יותר מורכבת, כיוון שיש בה חוק טבע "חוק שימור הכמות של צורות האנרגיה"

    ואכן, הפיזיקה הרבה יותר מורכבת מהגיאומטריה, מכיוון שפרט לאנרגיה, יש בה עוד דבר כמותי והוא הזמן הפסיבי.
    זמן פסיבי הוא דבר כמותי נמדד , ויש לו מאפיינים של נח מוחלט וקר מוחלט.
    זמן פסיבי ממלא את המרחב האינסופי, הוא לא מפריע לתנועות הכוכבים, והוא התווך ההכרחי להעברת אור השמש , בסגנון של " גלי זמן פסיבי".

    זמן פסיבי לא קיים ביקום הניוטוני, וגם לא קיים ביקום של איינשטיין.
    אצל שני החוקרים הדגולים האלה קיים רק הזמן האקטיבי , הקיים רק בתודעת האדם. התפיסה הברורה של זמן אקטיבי היא "בהאזנה" לפעימות הלב.
    בין כל שתי פעימות לב אנו תופסים כמות של זמן אקטיבי, הנמוג ונעלם מיד.

    לעומת הזמן האקטיב הנעלם מהמציאות ברגע שמבחינים בו, הזמן הפסיבי קיים ונמצא תמיד, והוא התווך שבו נעים גלי אור.

    לזמן הפסיבי יש תפקיד חשוב מאוד בהשקפה העצברית, מכיוון שהחומר נתפס כצורה פיזיקלית, הנובעת מצירוף כמויות של "שני דברים כמותיים אחרים" והם
    אנרגיה וזמן פסיבי.
    כך צורת הריבוע נתפסת מצירוף כמויות של "שני דברים כמותיים אחרים" והם
    אורך קו סגור הבנוי מ 4 קטעי קו ישר השווים באורכם, ובתוכו כמות של שטח.

    בכך עוד לא תמו פלאיה של הפיזיקה העצברית.
    כמו שיש זמן פסיבי, כך גם יש אנרגיה פסיבית שאינה מתחלפת .
    כל גוף ממשי בנוי מצירוף כמויות של זמן פסיבי ואנרגיה, וכאשר גוף כזה מונח על קפיץ פתוח המונח על פני האדמה, הקפיץ יתכווץ קצת.
    קפיץ מכווץ מציג כמות של אנרגיה, והיא נובעת מהגוף המונח על הקפיץ.
    חוק שימור הכמות של אנרגיה מתקיים גם עם האנרגיה הפסיבית.

    הפיזיקה העצברית מציגה מציאות חדשה, בלי חומר כמותי בעל כוח משיכה, וכמובן בלי חומר אפל , בלי גלים אלקטרו מגנטיים אלא עם גלים של זמן פסיבי,
    אין גרוויטצייה, ואין חלקיקים, אלא יש 5 דברים כמותיים רציפים בעולם.
    אורך, שטח, נפח, זמן ואנרגיה.

    וכל השאר יסופר במאמר "יקום פלאי הבנוי מאנרגיה וזמן פסיבי"

    א.עצבר

  10. מבחינת ההסתברויות הראשוניות ברמה הרציונלית, יתכן שהשאלה היא בעצם מה יותר סביר:
    1. השערה בדבר קונספט חדש של "חומר", שאין לנו מושג עד כה מהותי עליו פרט ל"דרישה" (- שהיא מין הנחה המניחה את המבוקש -) שהוא מפעיל ונפעל רק באופן גרביטציוני (זה המצב בהשערת החומר האפל); או,
    2. תיקון נדרש בכללי התאוריה, כגון שינוי מסוים בחוקי ניוטון כאשר מעורבת תאוצה קטנה ביותר (בתאוריה של מילגרום).
    נראה שהחלופה הראשונה משמעותה שינוי פראדיגמטי- קונספטואלי מופלג. זו השערה, עדיין לא תאוריה מדעית, והעדפתה טעונה הצגה של ראיות חד משמעיות, תאורטיות ואמפיריות, ובמקביל – שתציג הטלת ספק בכל הסבר אלטרנטיבי. ראיות מספיקות הן במקרה זה ענין בעייתי, שכן ללא בניה של תשתית קונספטואלית התשתית התאורטית נתונה בספק, וגם הניבוי ברמה הכמותית עלול להיות "הזמנה" מוטה מראש של תוצאות, או מין ניחוש.
    נראה שהחלופה השניה משמעותה שינוי תאורטי מקומי בלבד. די לה שתסביר את את התופעות הרלוונטיות במידה משביעת רצון מבחינה תאורטית ותנבא ברמה מקובלת את התוצאות מבחינה כמותית.

    יחס ההסתברויות הסופיות בין החלופות אינו ברור, לעת עתה. נראה שהבולטות היחסית של תאוריית החומר האפל היא פונקציה של גורמים פסיכולוגיים, חברתיים ותרבותיים אופנתיים כלליים. מסתבר שהעולם מדעי מושפע מהעולם החברתי התרבותי הכללי, שבהם עדיין מאמינים ב"פרוגרס" סטיכי, ומצד שני רודפים אחר ריגושים אופנתיים. מבחינות אלה, המהפכנות הקונספטואלית של החומר האפל היא ללא ספק אארקטיבית יותר מהשמרנות היחסית של כל תאוריה מתחרה.
    בסופו של דבר, ההתנסחויות בדבר בבסתברויות הראשוניות הן אולי צורות מורכבות של ניסוח עיקרון "התער של אוקהאם". עם זאת, העיקרון הזה וגם כללי ההסתברויות הראשוניות והסופיות אינם בגדר חוק, אלא העדפות של שכל פילוסופי ישר, ולכן ההכרה בשאלת ההסתברות הראשונה תושפע ישירות מהמאמץ המחקרי.

    בפן המחקרי האמפירי, תשומת הלב צריכה להתמקד לא רק בנסיונות "להוכיח" קיומו של חומר אפל, יהיה מה שיהיה (ונסיונות כאלה כשלו עד כה כשלון מוחלט), אלא גם במדידה מדויקת של התאוצות בשולי גלקסיות מסוימות, בהן מתגלות אנומליות, ובניסיון לגלות גורמים משפיעים רלוונטיים (ענני גז, עצמים בעלי כוח משיכה חריג בצפיפות גבוהה, כגון חורים שחורים או כוכבי ניוטרונים, וכו') – אלא גם באותן גלקסיות שבהן התאוצות הנמדדות אינן חריגות מול התאוריה המקובלת. דיוק ועידון הממצאים האמפיריים עשוי מאוד לקדם את התחום.
    בתחום התאורטי בודאי שיש לעודד מחקרים המציעים מודיפיקציות בתאוריות המקובלות.
    מכל מקום, מה שלא נכון לעשות הוא להניח את נוכונותה של השערת החומר האפל כאילו היא "תאוריה" מדעית של ממש, בשעה שהיא לוקה בגרעון תאורטי ברור.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן