השערה (מדע)

הַשְׁעָרָה או הִיפּוֹתֵזָה במדע, היא הסבר אפשרי לתופעה בטבע או בחברה שטרם ניתן לה אישוש מספק. זאת להבדיל מתאוריה מדעית, שהיא הסבר של היבט של עולם הטבע והיקום שנבדק ואושש שוב ושוב בהתאם לשיטה המדעית, תוך שימוש בפרוטוקולים מקובלים של תצפית, מדידה והערכה של תוצאות.

ההשערה כחלק מהמחקר המדעי

השערה מדעית מוגדרת על פי השיטה המדעית כהשערה שניתנת לבדיקה והפרכה. העלאת השערה היא הצעד הראשון של תהליך המחקר המדעי. השערות מדעיות חדשות מבוססות במקרים רבים על תצפיות ונתונים שלא ניתן להסביר באופן משביע רצון באמצעות התאוריות המדעיות הקיימות. בהתאם לכך, השערת-עבודה או היפותזה ראשונית, היא השערה שמקובלת באופן זמני שמדענים מציעים כדי לקיים מחקר נוסף. תהליך זה יכול להתחיל עם ביצוע מחשבה או ניחוש מושכל.

ההשערה היא אחד משלושת המרכיבים של הטיעון המדעי^[1]:

רעיון – השערה או תאוריה מדעית
תחזית – מה צפוי להיות התוצאות של ניסוי או תצפית אם הרעיון נכון.
ראיות – מה התוצאה בפועל של תחזיות או ניסויים שבוצעו.

השערות שיש להן כוח הסבר משמעותי של תצפיות או ניסויים מהעבר הן בעלות סיכוי גבוה יותר להתקבל ולהפוך לתאוריה מדעית מקובלת. תאוריות מוצלחות הן גם בעלות כוח ניבוי כלומר הן מצליחות לקלוע בצורה טובה לתצפיות או ניסויים שטרם בוצעו. אם הראיות לא תאומות לתחזית התאוריה הדבר יכול להתרחש בגלל בעיה בניסוי, או בגלל בעיה בתאוריה – במקרה זה ניתן להכניס תיקונים בתאוריה או לזנוח אותה כליל לטובת תאוריות מתחרות.

ספקולציות מדעיות

הגבול בין מדע מוצק למה שמכונה "פסאודו-מדע" או "ספקולציה מדעית" מטושטש לעיתים קרובות בתודעה הציבורית. המשותף למודל של פרויד על האיד, האגו והסופר אגו, ולמודל של תיאוריית היקומים הנולדים (יקום מחזורי), בין השאר, הוא היעדר יכולת הפרכה (Falsifiability) שהוא הקריטריון הפילוסופי של קרל פופר לקביעת גבולות המדע. אם אי אפשר להוכיח בניסוי או בתצפית שהתיאוריה שגויה, היא אינה מדעית.

חלק מהספקולציות הללו מכונות לעיתים "מדע לא אמפירי" או "פילוסופיה של הטבע". לעיתים יש להן ערך רעיוני ומתמטי, אך הפיכתן למדע דרשה תמיד מפגש בלתי אמצעי עם המציאות הניתנת למדידה. בניגוד לפסאודו-מדע טהור, המודלים של מדע ספקולטיבי לרוב מנוסחים על ידי מדענים מהשורה הראשונה ונעשה בהם שימוש בכלים מתמטיים ולוגיים קפדניים, אך הם מעבר לקצה היכולת הניסויית הנוכחית שלנו, או שהם סובלים מכשלים מבניים של חוסר יכולת הפרכה.

יש תיאוריות ומודלים שנחשבים בטעות לעיתים כמדע מבוסס, או שהתחילו בתוך האקדמיה אך חורגים מהמתודה המדעית, למשל:

קוסמולוגיה ופיזיקה תיאורטית

ספקולציות קצה בקוסמולוגיה ובפיזיקה תיאורטית: תיאוריית המיתרים (String Theory) מנסה לאחד את תורת היחסות הכללית עם מכניקת הקוונטים על ידי החלפת חלקיקים נקודתיים ב"מיתרים" רוטטים. למרות המתמטיקה המבריקה, התיאוריה דורשת ממדים נוספים ופעולה באנרגיות כה גבוהות, שכרגע אין דרך ניסויית לבחון או להפריך אותה.

יקומים מקבילים (Multiverse): רעיון הנגזר מפרשנויות של מכניקת הקוונטים או מודל האינפלציה הקוסמית (ההתרחבות הקוסמית). מכיוון שיקומים אחרים נמצאים, בהגדרה, מחוץ לאופק התצפית שלנו, אין דרך לאסוף נתונים אמפיריים לגביהם.

יקום מחזורי: המודל המחזורי של היקום מתאר קוסמולוגיה שבה היקום עובר מחזורים חוזרים של התפשטות וקריסה. בתום כל קריסה מתקבלת סינגולריות שממנה מתחיל שלב התפשטות חדש. מודל זה מציע רצף אינסופי של "מפצים גדולים" ו"קריסות גדולות" ללא התחלה או סוף מוחלטים.

פסיכולוגיה ופסיכואנליזה

הפסיכולוגיה האבולוציונית (בגרסתה הפופולרית) מנסה להסביר התנהגויות אנושיות עכשוויות, למשל בחירת בני זוג או קנאה, כהתאמות אבולוציוניות מתקופת האבן. הביקורת המדעית היא שמדובר ברוב המקרים ב "סיפורי ככה זה" (Just-so stories), הסברים הגיוניים בדיעבד שאינם ניתנים לבדיקה אמפירית מבוקרת, כי לא ניתן לחזור בזמן או לבודד משתנים תרבותיים.

ארכיטיפים והתת-מודע הקולקטיבי (קארל יונג): בדומה לפרויד, יונג הציע מבנים נפשיים מולדים ומשותפים לכל בני האדם המשתקפים במיתוסים וחלומות. המודל הוא רוחני וספרותי במהותו, וחסר כל כלי מדידה אובייקטיבי.

במדעי המוח והתודעה קיימת תיאוריית הסימולציה (Simulation Hypothesis): הטיעון הפילוסופי (שזכה לדחיפה מאילון מאסק ופיזיקאים מסוימים) לפיו המציאות שלנו היא סימולציית מחשב שנבנתה על ידי ציוויליזציה מתקדמת. זוהי גרסה מודרנית ל"שד המתעתע" של דקארט; כל כשל במציאות יכול להיחשב כ"באג", וכל שלמות - כ"קוד מצוין", מה שהופך אותה לבלתי ניתנת להפרכה.

אסטרופיזיקה וקוסמולוגיה

חורי תולעת יציבים (Traversable Wormholes): חורי תולעת הם פתרונות מתמטיים לגיטימיים של משוואות השדה של איינשטיין (תורת היחסות הכללית), אולם כדי שחור תולעת יהיה יציב ומשהו יוכל לעבור דרכו בלי שהוא יקרוס מיד, יש צורך ב"אנרגיה שלילית" או ב"חומר אקזוטי" (Exotic Matter) בעל מסה שלילית. אין ראיה שחומר כזה קיים, מה שהופך את רעיון המסע בזמן או קיצור הדרך ביקום לספקולציה מתמטית טהורה.

התנגשות יקומים (Cosmic Bruising): ספקולציה מתוך המודל של אינפלציה קוסמית שמוליד רב-יקום. הרעיון הוא שאם היקום שלנו נוצר בתוך "בועה" לצד בועות אחרות, ייתכן שהיקום שלנו התנגש בעבר ביקומים שכנים. מדענים חיפשו "חבורות" או אנומליות קוסמיות בקרינת הרקע הקוסמית כדי להוכיח זאת. עד כה שום ממצא לא אישש זאת, וההסברים לאנומליות הקטנות שנמצאו נותרו שנויים במחלוקת.

פיזיקת חלקיקים: סופר-סימטריה (Supersymmetry - SUSY): אחת ההשערות של פיזיקת החלקיקים. התיאוריה משערת שלכל חלקיק מוכר במודל הסטנדרטי יש "בן זוג" כבד בהרבה (למשל, לפוטון יש "פוטינו", לאלקטרון יש "סלקטרון"), אך מאיץ החלקיקים הגדול ב-CERN לא מצא זכר לחלקיקים הללו בטווח האנרגיות שבו הם היו אמורים להימצא. היו פיזיקאים שנטשו את התיאוריה, ואחרים שינו את הפרמטרים שלה כדי להסביר מדוע החלקיקים מתחבאים באנרגיות גבוהות יותר, מה שעורר ביקורת לפיה התיאוריה הופכת לבלתי ניתנת להפרכה.

טכיונים: חלקיקים היפותטיים שנעים מהר יותר ממהירות האור. במשוואות מסוימות של תורת היחסות, אם מציבים מסה שהיא מספר מרוכב עם שורש שלילי, מתקבל חלקיק כזה. הם פותרים בעיות מתמטיות מסוימות במודלים קוונטיים מוקדמים, אך מפרים את עקרון הסיבתיות (התוצאה עלולה לקרות לפני הסיבה) ומעולם לא נצפו.

ביולוגיה ואבולוציה

פאנספרמיה (Panspermia): הספקולציה לפיה מקור החיים על פני כדור הארץ אינו ב"מרק הקדום" המקומי אלא בחלל החיצון. לפי התיאוריה, מיקרואורגניזמים או מולקולות אורגניות מורכבות הגיעו על גבי מטאוריטים או שביטים. נמצאו חומצות אמינו על מטאוריטים, אך התיאוריה אינה פותרת את שאלת היווצרות החיים אלא רק מעבירה את הבעיה למקום אחר ביקום שאין לנו גישה אליו ולכן היא קשה מאוד להוכחה או להפרכה.

השערת גאיה (The Gaia Hypothesis): הוצעה על ידי ג'יימס לאבלוק ולין מרגוליס. לפי ההשערה, כדור הארץ (הביוספרה, האטמוספרה, האוקיינוסים והסלעים) מתפקד כמערכת סינרגטית ומאזנת אחת, מעין אורגניזם-על השומר על תנאים אופטימליים לחיים. ביולוגים אבולוציוניים, למשל ריצ'רד דוקינס, ביקרו אותה מכיוון שהיא מניחה מעין "תכנון" או מטרה אבולוציונית ברמת כוכב הלכת, דבר שסותר את עקרון הברירה הטבעית הפועל על פרטים וגנים.

כימיה

מתחם היציבות של יסודות על-כבדים (The Island of Stability): בטבלה המחזורית, ככל שיסוד כבד יותר (בעל יותר פרוטונים), הוא נוטה להיות רדיואקטיבי יותר ולהתפרק תוך שברירי שניות. אולם כימאים ופיזיקאים גרעיניים משערים שיש "אי של יציבות", קבוצה של יסודות על-כבדים היפותטיים, שמספר הפרוטונים שלהם 114 או 126, שבהם סידור הפרוטונים והנייטרונים בגרעין יהיה כה מושלם, "מספרי קסם", שהם יוכלו לשרוד דקות, ימים או אפילו שנים. מדענים מנסים לסנתז אותם במעבדות ובינתיים הצליחו ליצור רק גרסאות ששורדות שניות בודדות. זהו מדע אמפירי, אך המיקום המדויק של המתחם, כלומר האי, ותכונותיו נותרו בגדר ספקולציה כימית.

סיבות ההישרדות של תאוריות ספקולטיביות

תאוריות ספקולטיביות שורדות בעולם המדע משום שהן מספקות כוח הסברי אלגנטי לבעיות קיימות. למשל, סופר-סימטריה פותרת את בעיית ההיררכיה בפיזיקה; פאנספרמיה מסבירה את קצב הופעת החיים בכדור הארץ. הן אינן פסאודו-מדע כמו אסטרולוגיה, כי הן נשענות על חוקי הטבע המוכרים, אך הן נשארות ספקולטיביות כל עוד אין ראיה מכריעה.

האבולוציה: מספקולציה למדע

כוח הניבוי של האבולוציה ושילובה בגילויי יסוד במדע

אחת הטענות המרכזיות בזכות כוחה ההסברי והניבויי של תורת האבולוציה היא יכולתה לחזות את קיומן של צורות מעבר בין קבוצות אורגניזמים עוד לפני שהתגלו. לתאוריית האבולוציה יש כוח ניבוי: היא מאפשרת לחזות תבניות במציאת מאובנים, התפלגות מינים והתפתחות תכונות. למשל, חיזוי של צורות מעבר בין קבוצות אורגניזמים הוביל לגילוי מאובנים התואמים את תחזיות התאוריה, בהם טיקטאאליק. דוגמה נוספת היא חקר מוצאם של הלווייתנים. על בסיס נתונים אנטומיים והשוואתיים חזו החוקרים כי יתגלו מאובנים של יונקים יבשתיים בעלי התאמות הדרגתיות לחיים במים. במהלך המאה ה-20 נמצאה סדרה של מאובנים התואמת תחזית זו, ובהם פקיצטוס, שהיה עדיין יונק יבשתי ברובו אך בעל מאפיינים ייחודיים הקושרים אותו ללווייתנים, ואמבולוצטוס, שהיה מותאם הן להליכה ביבשה והן לשחייה. נמצאו מאובנים מאוחרים יותר שבהם נראה המשך הדרגתי של המעבר עד להופעת לווייתנים ימיים לחלוטין.

גם המעבר בין דינוזאורים לעופות סיפק דוגמה מפורסמת לחיזוי אבולוציוני. לאחר פרסום תורת האבולוציה עלה הצורך להסביר את מקורם של העופות באמצעות צורות ביניים שיישאו הן תכונות של זוחלים והן תכונות של עופות. זמן קצר לאחר מכן התגלה בגרמניה המאובן ארכאופטריקס, עם נוצות וכנפיים לצד שיניים, זנב גרמי ארוך וטפרים בולטים בגפיים הקדמיות. שילוב תכונות זה הפך אותו לאחת הדוגמאות הידועות ביותר לצורת מעבר ברשומת המאובנים.

תחום נוסף שבו תחזיות אבולוציוניות קיבלו אישוש הוא המעבר מסינאפסידים קדומים ליונקים. חוקרים צפו כי יימצאו מאובנים המראים שלבים ביניים בשינויים במבנה הלסת, השיניים והאוזן התיכונה. ואכן, התגלתה סדרה רחבה של תרפסידים וצינודונטים המציגה שינוי הדרגתי של תכונות אלו לאורך הזמן הגאולוגי. מכלול דוגמאות אלה נחשב בעיני פלאונטולוגים להמחשה של יכולתן של תאוריות אבולוציוניות לא רק להסביר ממצאים קיימים, אלא גם להוביל לחיזוי מוצלח של גילויים עתידיים ברשומת המאובנים.

בנוסף, האבולוציה משתלבת עם הגנטיקה: פיתוח מדע הגנטיקה המולקולרית במאה ה-20, ובפרט גילוי מבנה ה-DNA, סיפקו מנגנון פיזיקלי-כימי של שינויים תורשתיים שעליהם מסתמכת הברירה הטבעית. שילוב זה מכונה לעיתים "הסינתזה האבולוציונית המודרנית".

בראשיתה לא התיישבה התאוריה עם הערכות מוקדמות של גיל כדור הארץ. במאה ה-19, לפי חישובים תרמודינמיים כגון אלו של לורד קלווין, כדור הארץ היה צעיר מכדי להספיק לתהליכים אבולוציוניים. פער זה יושב לאחר גילוי הרדיואקטיביות ופיתוח שיטות תיארוך רדיומטרי שהראו כי גיל כדור הארץ הוא כ-4.5 מיליארד שנים, ומסגרת הזמן הזו עולה בקנה אחד עם קצבי האבולוציה הידועים.

השתלבות האבולוציה במדעי יסוד

האבולוציה נשענת על חוקי הפיזיקה והכימיה ואינה עומדת בניגוד להם.

כימיה: מוטציות הן שינויים במבנה מולקולת ה-DNA; מנגנוני שכפול, תיקון ותרגום הם תהליכים כימיים.

פיזיקה ותרמודינמיקה: מערכות ביולוגיות הן מערכות פתוחות שמחליפות אנרגיה וחומר עם הסביבה; על כן התפתחות סדר מקומי, למשל ארגון מבני בגנום או בתא, אינה סותרת את החוק השני של התרמודינמיקה.

גאולוגיה וגאופיזיקה: תנועת הלוחות הטקטוניים ושינויים אקלימיים מסבירים בידוד אוכלוסיות, סלקציה ולחצים סביבתיים, ולכן הם גורמים מרכזיים בתהליכים אבולוציוניים.

ביוכימיה: אילוצים מבניים ומסלולים מטבוליים מכתיבים את השינויים האבולוציוניים האפשריים ואת קצבם.

האבולוציה כעיקרון מארגן בביולוגיה

האבולוציה נתפסת כעיקרון המאחד של מדעי החיים ומספקת מסגרת פרשנית לתחומים שונים:

גנטיקה: האבולוציה מסבירה את התפלגות האללים באוכלוסיות ואת דינמיקה השונות הגנטית; הגנטיקה מספקת את המנגנון.

מיקרוביולוגיה ותורת החיידקים: הבנת הופעת עמידות לאנטיביוטיקה או התפתחות פתוגנים נשענת על עקרונות של ברירה טבעית והעברה אופקית של גנים.

אקולוגיה: יחסי גומלין בין מינים - טריפה, הדדיות, תחרות ועוד - מובנים כתוצרים של קו-אבולוציה, כלומר אבולוציה משותפת ומקבילה; התאמות אקולוגיות נבחנות בהקשר אבולוציוני.

סיסטמטיקה ופילוגנטיקה: מיון אורגניזמים מתבסס על קרבה אבולוציונית; עצים פילוגנטיים נבנים באמצעות נתונים מורפולוגיים ומולקולריים.

תרומת האבולוציה להבנת מוצא האדם: שילוב נתוני מאובנים ונתונים גנטיים והשוואות שלהם מאפשר לשחזר את התפתחות הסוג הומו סאפיינס, וכן לתארך ולאתר מוצא משותף עם פרימטים אחרים ונתיבי נדידה.

התנהגות וביולוגיה אבולוציונית של האדם: תחומים כגון פסיכולוגיה אבולוציונית וביולוגיה של התנהגות חברתית בוחנים תכונות כגון שיתוף פעולה, תחרות או בחירת בני זוג כתוצרים אפשריים של ברירה טבעית וברירה זוויגית, תוך ביקורת מתודולוגית על גבולות ההסקה.

רפואה אבולוציונית מסבירה רגישויות למחלות, דינמיקת פתוגנים ואילוצים היסטוריים על גוף האדם.

לאור שינויים אלה הפכה האבולוציה לתאוריה מדעית בעלת כוח ניבוי, שולבה בעקרונות יסוד של מדעים אחרים, ומתפקדת כעיקרון ביולוגי מאחד.

אנלוגיות לתהליכים תרבותיים וטכנולוגיים

מונחים אבולוציוניים - שונות, בחירה, העתקה - משמשים בתיאור דינמיקה של רעיונות וטכנולוגיות, אם כי תחומים אלו אינם זהים למנגנונים הביולוגיים ולעיתים מוגדרים כמטפורה או כהרחבה בין-תחומית.

תרומה של מדע ספקולטיבי להתפתחות המדע

השערות הן חלק מרכזי בהתפתחות המדע ומופיעות בענפי מדע שונים, לדוגמה:

במדעי הטבע, ההשערה עוסקת בהסבר לתופעת טבע מסוימת, ואישושה או הפרכתה מתבצעים בשיטות המחקר המקובלות במדעי הטבע, ובפרט ניסוי.
במדעי החברה, ההשערה עוסקת בהסבר לתופעה חברתית כלשהי, ואישושה או הפרכתה מתבצעים בשיטות המחקר המקובלות במדעי החברה, כגון מודלים סטטיסטיים.
במדעי הרוח, בהיסטוריה, ההשערה עוסקת בהסבר לתופעה היסטורית כלשהי, ואישושה או הפרכתה מתבצעים בשיטות המקובלות בחקר ההיסטוריה, כגון מחקר ארכאולוגי, איתור מסמכים העוסקים בהשערה וכדומה.