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?
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).
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.