Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på Samtalen. Publikasjonen bidro med artikkelen til Space.com Ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.
Antonis Antoniou (åpnes i ny fane)PhD-kandidat i vitenskapsfilosofi, University of Bristol
Det har gått mer enn 50 år siden astronomer først foreslo “mørk materie,” som antas å være den vanligste formen for materie i universet. Til tross for dette, vi aner ikke (åpnes i ny fane) hva det er – ingen har direkte sett det eller produsert det i laboratoriet.
Så hvordan kan forskere være så sikre på at det eksisterer? Bør de være det? Det viser seg at filosofi kan hjelpe oss med å svare på disse spørsmålene.
Tilbake på 1970-tallet avslørte en banebrytende studie av astronomene Vera Rubin og Kent Ford av hvordan vår nabogalakse Andromeda roterer en overraskende inkonsekvens mellom teori og observasjon. I følge vår beste gravitasjonsteori for disse skalaene – Newtons lover (åpnes i ny fane) — stjerner og gass i en galakse bør rotere langsommere og saktere jo lenger unna de er fra galaksens sentrum. Det er fordi de fleste av stjerner vil være nær sentrum, og skape en sterk gravitasjonskraft der.
I slekt: Universets historie: Big Bang til nå i 10 enkle trinn
Rubin og Fords resultat viste at dette ikke var tilfelle. Stjerner på ytterkanten av galakse beveget seg omtrent like raskt som stjernene rundt midten. Ideen om at galaksen må være innebygd i en stor glorie av mørk materie ble i utgangspunktet foreslått for å forklare denne anomalien (selv om andre hadde foreslått det tidligere). Denne usynlige massen samhandler med de ytre stjernene gjennom tyngdekraften for å øke hastighetene deres.
Dette er bare ett eksempel på flere anomalier i kosmologiske observasjoner. Imidlertid kan de fleste av disse likeledes forklares ved å justere de nåværende gravitasjonslovene til Newtonsk dynamikk og Einsteins generelle relativitetsteori. Kanskje naturen oppfører seg litt annerledes på visse skalaer enn disse teoriene forutsier?
En av de første slike teorier, utviklet av den israelske fysikeren Mordehai Milgrom i 1983, foreslo det (åpnes i ny fane) Newtonske lover kan fungere litt annerledes når det er ekstremt liten akselerasjon involvert, for eksempel ved kanten av galakser. Denne tilpasningen var perfekt kompatibel med den observerte galaktiske rotasjonen. Likevel favoriserer fysikere i dag i overveiende grad hypotesen om mørk materie som er innlemmet i den s.k. ΛCDM-modell (åpnes i ny fane) (Lambda kald mørk materie).
Dette synet er så sterkt forankret i fysikken at det er mye referert til som “standardmodellen for kosmologi.” Men hvis de to konkurrerende teoriene om mørk materie og modifisert gravitasjon like mye kan forklare galaktisk rotasjon og andre anomalier, kan man spørre seg om vi har gode grunner til å foretrekke hverandre fremfor hverandre.
Hvorfor har det vitenskapelige miljøet en sterk preferanse for mørk mater-forklaringen fremfor modifisert gravitasjon? Og hvordan kan vi noen gang bestemme hvilken av de to forklaringene som er den riktige?
Filosofi til unnsetning
Dette er et eksempel på hva filosofer kaller “underbestemmelse av vitenskapelig teori (åpnes i ny fane)” av tilgjengelig bevis. Dette beskriver enhver situasjon der tilgjengelig bevis kan være utilstrekkelig til å bestemme hvilken tro vi bør ha som svar på det. Det er et problem som har forvirret vitenskapsfilosofer i lang tid.
Når det gjelder den merkelige rotasjonen i galakser, kan ikke dataene alene avgjøre om de observerte hastighetene skyldes tilstedeværelsen av ytterligere uobserverbart stoff eller på grunn av det faktum at våre nåværende gravitasjonslover er feil.
Forskere ser derfor etter ytterligere data i andre sammenhenger som til slutt vil avgjøre spørsmålet. Et slikt eksempel til fordel for mørk materie kommer fra observasjonene (åpnes i ny fane) av hvordan materie er fordelt i Bullet-klyngen av galakser, som består av to kolliderende galakser omtrent 3,8 milliarder lysår fra Jorden. En annen er basert på målinger (åpnes i ny fane) av hvordan lys avledes av (usynlig) materie i den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, lyset som er igjen fra big bang. Disse blir ofte sett på som udiskutable bevis til fordel for mørk materie fordi Milgroms opprinnelige teori ikke kan forklare dem.
Imidlertid, etter publiseringen av disse resultatene, ytterligere teorier om modifisert gravitasjon har blitt utviklet (åpnes i ny fane) i løpet av de siste tiårene for å gjøre rede for alle observasjonsbevis for mørk materie, noen ganger med stor suksess (åpnes i ny fane). Likevel er hypotesen om mørk materie fortsatt fysikernes favorittforklaring. Hvorfor?
En måte å forstå det på er å bruke de filosofiske verktøyene til Bayesiansk bekreftelsesteori (åpnes i ny fane). Dette er et probabilistisk rammeverk for å estimere i hvilken grad hypoteser støttes av tilgjengelig bevis i ulike sammenhenger.
Når det gjelder to konkurrerende hypoteser, er det som bestemmer den endelige sannsynligheten for hver hypotese produktet av forholdet mellom de opprinnelige sannsynlighetene for de to hypotesene (før bevis) og forholdet mellom sannsynlighetene for at beviset vises i hvert tilfelle (kalt sannsynlighetsrate).
Hvis vi aksepterer at de mest sofistikerte versjonene av modifisert gravitasjon og mørk materie-teori er like støttet av bevisene, så er sannsynlighetsforholdet lik én. Det betyr at den endelige avgjørelsen avhenger av de innledende sannsynlighetene for disse to hypotesene.
Å bestemme nøyaktig hva som teller som den “initielle sannsynligheten” for en hypotese, og de mulige måtene slike sannsynligheter kan bestemmes på, er fortsatt en av de vanskeligste utfordringene i Bayesiansk bekreftelsesteori. Og det er her filosofisk analyse viser seg å være nyttig.
I hjertet av filosofisk litteratur (åpnes i ny fane) i dette emnet ligger spørsmålet om de opprinnelige sannsynlighetene for vitenskapelige hypoteser skal bestemmes objektivt basert utelukkende på sannsynlighetslover og rasjonelle begrensninger. Alternativt kan de involvere en rekke tilleggsfaktorer, for eksempel psykologiske betraktninger (om forskere favoriserer en bestemt hypotese basert på interesse eller av sosiologiske eller politiske årsaker), bakgrunnskunnskap, suksessen til en vitenskapelig teori på andre domener, og så videre .
Å identifisere disse faktorene vil til slutt hjelpe oss å forstå årsakene til at teorien om mørk materie er overveldende favorisert av fysikksamfunnet.
Filosofi kan til syvende og sist ikke fortelle oss om astronomer har rett eller galt om eksistensen av mørk materie. Men det kan fortelle oss om astronomer faktisk har gode grunner til å tro på det, hva disse årsakene er, og hva som skal til for at modifisert gravitasjon skal bli like populær som mørk materie.
Vi vet fortsatt ikke de eksakte svarene på disse spørsmålene, men vi jobber med det. Mer forskning innen vitenskapsfilosofi vil gi oss en bedre vurdering.
Denne artikkelen er publisert på nytt fra Samtalen (åpnes i ny fane) under en Creative Commons-lisens. Les original artikkel (åpnes i ny fane).
Følg alle Expert Voices-spørsmål og debatter – og bli en del av diskusjonen – på Facebook og Twitter. Synspunktene som uttrykkes er forfatterens og gjenspeiler ikke nødvendigvis utgiverens synspunkter.