暗物质，我们是否应该如此相信它的存在？

图：用蓝色突出显示Abell 520星系中可能存在的暗物质。

科学家认为，暗物质是宇宙中追主要的物质形式。虽然距离天文学家首次提出“暗物质”概念已经过去了50多年，但是，迄今为止，我们仍然无法说清楚它到底是什么物质？至今没有人直接看到这一物质或者在实验室中产生出这一物质。

那么，为什么科学家如此确定它存在呢？他们是否应该如此确定？或许我们可以从哲学领域寻求答案。

让我们回到20世纪70年代。此时，天文学家薇拉·鲁宾和肯特.福特开展的一项关于仙女座星系旋转的模拟实验显示了理论与观测数据之间的不一致。根据这一领域内的最好的引力理论——牛顿法则，星系中的恒星与气体的旋转速度应该是随着随中心距离的增加而减慢，因为大多数恒星都位于中心附近的位置，从而形成了强大的引力场。

然而鲁宾和福特的结果显示，事实并非如理论所论述的那样。位于星系边缘位置的恒星运行速度与位于中心位置的恒星运行速度一样快。基于此，两位科学家提出假设以解释这一怪异之处，即这一星系可能镶嵌在一个大型的暗物质环中。这一不可见物质通过引力与边缘恒星互动以加快其运行速度。

这仅仅是观测宇宙中发现反常现象之一。然而，大部分宇宙现象还是可以借助牛顿力学中的引力法则以及爱因斯坦宏观相对论来解释。或许，自然界行为仅仅是在特定区域显示出超越理论的反常。

1983年，以色列的物理学家莫尔德海·米尔格罗姆首次提出这一理论，指出当场域中存在一小部分推动力时，例如星系边缘区域，牛顿力学便会产生不同的结果。这一颤动完美契合了观测到的星系旋转。此外，当今物理学家大多支持CDM模型提出的暗物质假设理论。

这一理论牢固树立在物理学研究领域，并且称之为宇宙标准模型。然而，如果暗物质以及修正引力两个竞争理论都能够解释引力旋转以及其他反常现象，我们或许会疑问，我们是否有更充分的理由从中选取优胜方。

图：公式展现了恒星以及气体远离中心时的旋转速度。理论表明，我们应该获取标记为“可见磁盘预期”的图形，但实际情况却并非如此。

为什么科学界广泛倾向于暗物质解释，却不选择修正引力理论呢？我们判断何为正确解释时，又依据什么呢？

拯救哲学

哲学家通过可及证据，将其称之为“科学理论的不完全确定”。这一描述适用于那些缺乏充分证据以判断我们究竟应该选择哪一项。这一问题已经困扰了科学哲学家很长时间。

在星系奇怪的旋转例子中，单独的数据并不能判断观测到的转速是否是由于其他未观测到的物质影响导致的，也不能断定我们近代的引力法则是不正确的。

因此，科学家在其他情境中寻找额外的数据来解释这一问题。其中一个支持暗物质理论的例子来自于布雷特星系中物质分布的观测数据，这一星系由两个距离地球3.8光年的星系碰撞形成。另一个例子是基于宇宙大爆炸诞生的光经宇宙微波背景中的物质反射产生的测量数据。由于米尔格罗姆的初步理论无法解释这些现象，这些数据经常被看作是支持暗物质理论的必不可少的证据。

然而，随着这些研究成果的发表，一些修正引力理论也在近十年里得以发展，从而用于解释所有的暗物质观测证据，有时，这一理论获得巨大成功。但是，暗物质假设仍然是物理学家最爱用解释理论。为什么？

我们可以运用贝叶斯确认理论来解释这一现象。这是一个概率框架，用于估计各种情况下现有证据对假设的支持程度。

在两个竞争性理论假设中，决定某一假设成为最终倾向的是两个假设初始可能性概率（具有证据之前）与支持证据出现时的概率（称之为可能性概率）之间的产物。

图：暗物质VS修正引力，Pr表示可能性。

如果我们认可最复杂的情况，即修正引力理论和暗物质里论具有同等的解释力，那么此时可能性是1.这意味着，最终的判断依赖于这两个假设的初始可能性。

决定何为理论假设的初始可能性，以及通过何种方式判断这一可能性仍然是贝叶斯确认理论中最困难的点。而这正是哲学分析发挥其作用的地方。

哲学文献对于这一话题的关注点在于科学假设的初始可能性是否应该是基于可能性法则以及有理约束客观决定的。换句话说，他们可能包含了一些其他因素，例如心理学方面的考虑（科学家是否会基于自己的兴趣或社会逻辑或政治理由来支持某一特殊假设？）、背景知识、其他领域内的科学理论成功等。

分析这些因素将有助于我们理解为何暗物质理论会受到物理学界的普遍支持。

哲学无法确切的告知我们天文学家提出的暗物质的存在理论是否是正确或错误的，但是，它却可以告诉我们天文学家是否有充分的理由相信这一假设，影响因素是什么，以及又会是什么因素会导致修正引力理论变得和暗物质理论一样受到欢迎。

我们仍然无法准确回答这些问题，但是我们正在努力解决这一问题。更多的科学哲学研究将有助于我们判定这一问题。

BY:Antonis Antoniou

FY: 秋

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来源: 天文在线