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。
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。
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。
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?
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。
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?
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。
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。
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。