Предполагается, что это самая распространенная форма материи во Вселенной, но никто никогда не видел ее на самом деле.
Прошло более 50 лет с тех пор, как астрономы впервые предположили существование "темной материи", которая считается наиболее распространенной формой материи во Вселенной. Несмотря на это, мы понятия не имеем, что это такое - никто не видел ее непосредственно и не получал в лабораторных условиях.
Почему же ученые так уверены в ее существовании? И следует ли им это делать? Оказывается, философия может помочь нам ответить на эти вопросы.
Еще в 1970-х годах астрономы Вера Рубин и Кент Форд провели фундаментальное исследование того, как вращается наша соседняя галактика Андромеда, и обнаружили удивительное несоответствие между теорией и наблюдениями. Согласно нашей наиболее подходящей для таких масштабов гравитационной теории - законам Ньютона - звезды и газ в галактике должны вращаться все медленнее и медленнее, чем дальше они находятся от центра галактики. Это происходит потому, что большинство звезд находится вблизи центра, создавая там сильную гравитационную силу.
Результат Рубина и Форда показал, что это не так. Звезды на внешнем краю галактики двигались примерно так же быстро, как и звезды вокруг ее центра. Для объяснения этой аномалии была предложена идея о том, что галактика должна быть заключена в большой ореол темной материи (хотя другие ученые предлагали ее и раньше). Эта невидимая масса взаимодействует с внешними звездами посредством гравитации, увеличивая их скорость.
Это лишь один пример из нескольких аномалий в космологических наблюдениях. Однако большинство из них можно объяснить, подкорректировав существующие гравитационные законы ньютоновской динамики и общей теории относительности Эйнштейна. Возможно, в определенных масштабах природа ведет себя несколько иначе, чем предсказывают эти теории?
Одна из первых таких теорий, разработанная израильским физиком Мордехаем Милгромом в 1983 году, предполагала, что ньютоновские законы могут работать немного по-другому при крайне малом ускорении, например, на краю галактик. Эта поправка оказалась вполне совместимой с наблюдаемым галактическим вращением. Тем не менее, сегодня физики в подавляющем большинстве случаев отдают предпочтение гипотезе темной материи, включенной в так называемую модель CDM (Lambda Cold Dark Matter).
Эта точка зрения настолько прочно укоренилась в физике, что ее широко называют "стандартной моделью космологии". Однако, если две конкурирующие теории темной материи и модифицированной гравитации могут одинаково объяснить вращение галактик и другие аномалии, можно задаться вопросом, есть ли у нас веские причины предпочесть одну из них другой.
Почему научное сообщество отдает предпочтение концепции темной материи, а не модели измененной гравитации? И как мы можем решить, какое из двух объяснений является правильным?
Философия на помощь
Это пример того, что философы называют "недоопределением научной теории" имеющимися доказательствами. Это описывает любую ситуацию, в которой имеющихся доказательств может быть недостаточно для определения того, каких убеждений мы должны придерживаться в ответ на них. Это проблема, которая долгое время озадачивала философов науки.
В случае со странным вращением в галактиках одни только данные не могут определить, обусловлены ли наблюдаемые скорости присутствием дополнительной ненаблюдаемой материи или тем, что наши нынешние гравитационные законы неверны.
Поэтому ученые ищут дополнительные данные в других контекстах, которые в конечном итоге позволят решить этот вопрос. Одним из таких примеров в пользу темной материи являются наблюдения за распределением материи в скоплении галактик Bullet, состоящем из двух сталкивающихся галактик на расстоянии около 3,8 миллиарда световых лет от Земли. Другая теория основана на измерениях того, как свет отклоняется (невидимой) материей в космическом микроволновом фоне - свете, оставшемся после Большого взрыва. Эти результаты часто рассматриваются как неоспоримое свидетельство в пользу темной материи, поскольку первоначальная теория Милгрома не может их объяснить.
Однако после публикации этих результатов в течение последних десятилетий были разработаны другие теории модифицированной гравитации, чтобы учесть все наблюдательные свидетельства в пользу темной материи, иногда с большим успехом. Тем не менее, гипотеза темной материи по-прежнему остается любимым объяснением физиков. Почему?
Один из способов понять это - использовать философские инструменты байесовской теории подтверждения. Это вероятностная структура для оценки степени поддержки гипотез имеющимися доказательствами в различных контекстах.
В случае двух конкурирующих гипотез окончательная вероятность каждой гипотезы определяется произведением отношения начальных вероятностей двух гипотез (до появления доказательств) и отношения вероятностей появления доказательств в каждом случае (называемого отношением правдоподобия).
Если принять, что наиболее совершенные версии модифицированной гравитации и теории темной материи в равной степени поддерживаются доказательствами, то отношение правдоподобия будет равно единице. Это означает, что окончательное решение зависит от начальных вероятностей этих двух гипотез.
Определение того, что именно считается "начальной вероятностью" гипотезы, и возможные способы определения таких вероятностей остаются одной из самых сложных задач в байесовской теории подтверждения. И именно здесь философский анализ оказывается полезным.
В центре философской литературы по этой теме лежит вопрос о том, должны ли исходные вероятности научных гипотез объективно определяться исключительно на основе вероятностных законов и рациональных ограничений. В качестве альтернативы, они могут включать в себя ряд дополнительных факторов, таких как психологические соображения (отдают ли ученые предпочтение той или иной гипотезе из интереса или по социологическим или политическим причинам), фоновые знания, успех научной теории в других областях и так далее.
Выявление этих факторов в конечном итоге поможет нам понять причины, по которым теория темной материи в подавляющем большинстве случаев пользуется поддержкой физического сообщества.
Философия не может в конечном итоге сказать нам, правы или нет астрономы в отношении существования темной материи. Но она может сказать нам, действительно ли у астрономов есть веские причины верить в нее, каковы эти причины и что нужно сделать, чтобы модифицированная гравитация стала такой же популярной, как темная материя.
Мы все еще не знаем точных ответов на эти вопросы, но мы работаем над этим. Дополнительные исследования в области философии науки позволят нам вынести более точный вердикт".
Антонис Антониу, кандидат наук по философии, Бристольский университет
