概率性思維
——認(rèn)識(shí)不確定性的科學(xué)思維——兼論防震減災(zāi)科普宣傳中的科學(xué)性

鄒文衛(wèi)

概率性思維
——認(rèn)識(shí)不確定性的科學(xué)思維——兼論防震減災(zāi)科普宣傳中的科學(xué)性

鄒文衛(wèi)

鄒文衛(wèi)，北京市地震局《城市與減災(zāi)》雜志社社長兼主編，編審，中國災(zāi)害防御協(xié)會(huì)副秘書長，中國災(zāi)害防御協(xié)會(huì)科普委員會(huì)主任；長期從事于地震災(zāi)害研究以及防震減災(zāi)科普宣傳教育研究和實(shí)踐工作。先后主持和參與多項(xiàng)國家級(jí)防震減災(zāi)科普項(xiàng)目研究工作，著有《防震減災(zāi)科普?qǐng)鲳^建設(shè)與發(fā)展》等專著，編寫《地震三點(diǎn)通》等多種科普讀物，發(fā)表防震減災(zāi)科普研究論文多篇。曾獲北京市先進(jìn)科普工作者稱號(hào)。

確定論與概率論——從引力波探測(cè)和量子通信說起

2016年年初，科學(xué)界發(fā)生了兩個(gè)引人注目的大事件：2016年2月，美國LIGO（激光干涉引力波觀測(cè)站，Laser Interferometer Gravitation-Wave Observatory）科學(xué)團(tuán)隊(duì)正式公布探測(cè)到了引力波的重大成果；2016年1月，我國潘建偉團(tuán)隊(duì)的“多光子糾纏及干涉度量”項(xiàng)目獲國家自然科學(xué)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)，以及標(biāo)志著潘建偉團(tuán)隊(duì)研究成果的世界首顆量子通信實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子”號(hào)發(fā)射成功。

兩個(gè)科學(xué)成果均有重大影響。

前者是早在100年前愛因斯坦的廣義相對(duì)論所預(yù)測(cè)的結(jié)果得到了初步證實(shí)，兩個(gè)巨大的黑洞在14億光年距離之外的相互碰撞，激發(fā)出了時(shí)空的漣漪——引力波。這次事件中兩個(gè)黑洞的質(zhì)量分別是36個(gè)和29個(gè)太陽質(zhì)量，它們合并后釋放出了3個(gè)太陽質(zhì)量的能量到時(shí)空中。1916年，愛因斯坦根據(jù)廣義相對(duì)論理論推論存在引力波，其最有可能被觀測(cè)到的引力波是由宇宙中最劇烈的事件引發(fā)的，比如恒星爆炸或者黑洞合并等。

后者則是我國科學(xué)家基于量子力學(xué)理論基礎(chǔ)取得的量子信息科學(xué)的最新進(jìn)展。在量子力學(xué)中，微觀世界的一對(duì)粒子不管相距多么遙遠(yuǎn)，都存在“心靈感應(yīng)”，即一個(gè)粒子的狀態(tài)隨另一個(gè)瞬時(shí)變化，這稱之為“量子糾纏”。利用粒子之間的這種關(guān)聯(lián)，即其中一個(gè)被測(cè)量到處于某種狀態(tài)，另一個(gè)也會(huì)在同時(shí)塌縮到某種狀態(tài)，科學(xué)家利用微觀量子態(tài)表示的量子密碼形成量子密鑰，從根本上保證了量子通信的安全性。量子通信通過應(yīng)用量子密鑰分配技術(shù)，保障信息傳輸?shù)陌踩！澳印钡纳眨瑯?biāo)志著我國在世界上首次實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構(gòu)建天地一體化的量子保密通信與科學(xué)實(shí)驗(yàn)體系。

量子通信衛(wèi)星

以上兩大成果是當(dāng)今世界兩個(gè)最偉大的物理科學(xué)理論——廣義相對(duì)論和量子力學(xué)（量子論）的最新研究進(jìn)展。廣義相對(duì)論描述引力和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，向著宏觀方向發(fā)展，研究的對(duì)象越來越大，太陽系→銀河系→星云→宇宙的起源→……量子力學(xué)則是研究極小尺度，向著微觀方向發(fā)展，研究的對(duì)象越來越小，分子→原子→原子核→電子→中子→質(zhì)子→基本粒子→……

然而，廣義相對(duì)論和量子論認(rèn)識(shí)世界的哲學(xué)觀點(diǎn)截然不同。廣義相對(duì)論是經(jīng)典確定論，認(rèn)為由狀態(tài)A可以推論出確定的、唯一的狀態(tài)B；量子論則是不確定論，認(rèn)為由狀態(tài)A到狀態(tài)B是不可預(yù)知的，是隨機(jī)的過程。

潘建偉

愛因斯坦是相對(duì)論的代表，描述世界如同機(jī)器按照一定的規(guī)律運(yùn)轉(zhuǎn)著，衛(wèi)星按照我們的計(jì)算和控制，運(yùn)動(dòng)在一定的軌道上，我們不僅對(duì)它們的過去和現(xiàn)在了如指掌，而且能精確地預(yù)測(cè)和掌控它們的將來。愛因斯坦相信只要有足夠的觀測(cè)條件和精確的計(jì)算，就能知道一個(gè)粒子的準(zhǔn)確位置……他把粒子想象成扔出去的一個(gè)球，科學(xué)家可以準(zhǔn)確計(jì)算出球的軌跡和落點(diǎn)。

玻爾是量子論的代表，認(rèn)為微觀粒子，如電子，要同時(shí)精確確定它的位置與動(dòng)量是不可能的，電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，不像行星圍繞太陽那樣走確定的軌道，而只能探測(cè)它在某位置的概率是多少。“不確定性”是量子論的一個(gè)基礎(chǔ)。

很長一段時(shí)間，這兩種理論背道而馳，物理界也分成了兩派，并持續(xù)爭論不休，其中最著名的是“玻爾-愛因斯坦論戰(zhàn)”。1927年10月，在比利時(shí)首都布魯塞爾召開了第五次索爾維國際物理學(xué)化學(xué)研究會(huì)，主題為“電子和光子”，這是物理學(xué)界 “有史以來最聰明的會(huì)議”，參加這次會(huì)議的29人中有17人獲得或后來獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。這次會(huì)議上爆發(fā)了“玻爾-愛因斯坦論戰(zhàn)”，愛因斯坦在和波爾互懟的時(shí)候說：“上帝不擲骰子”；波爾反駁道：“你不能決定上帝擲不擲骰子？”這是兩個(gè)物理學(xué)先驅(qū)人物的爭論，他們的話，就代表了他們的觀點(diǎn)，誰也沒有說服對(duì)方。

隨著科學(xué)的發(fā)展，現(xiàn)在來看，上帝有時(shí)擲骰子，有時(shí)不擲骰子。上帝是否擲骰子，關(guān)鍵是取決于我們所研究的對(duì)象。這就是科學(xué)！

因此，在一般人的眼里如此精準(zhǔn)的物理學(xué)（量子物理學(xué)），都要以概率說話，那么對(duì)于充滿著不確定性的天氣變化、地震的發(fā)生及其引發(fā)的災(zāi)害則更應(yīng)該進(jìn)行概率性思維。概率論是研究不確定事件的法寶，有了概率性思維，才能把握事物的本質(zhì)。

不能忽視預(yù)測(cè)中的不確定性

對(duì)于存在不確定性的事物，需要我們用概率的方法去思考問題。而我們大部分人比較熟悉確定性思維，而對(duì)概率性思維并不習(xí)慣。

（1）預(yù)測(cè)洪水——隱瞞不確定性造成巨大損失

1997年4月，美國某地河水泛濫，河水漫過某市的堤壩，涌進(jìn)市內(nèi)，造成該城市5萬居民撤離，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)幾十億美元，城市中75%的房屋遭到了破壞或損毀。

愛因斯坦與玻爾

這次洪災(zāi)本是可以避免的，因?yàn)槊绹鴩覛庀缶诸A(yù)報(bào)了這次洪水。如果采取了恰當(dāng)?shù)拇胧?，如防洪石堤可以用沙袋加高，將洪水分流到農(nóng)田里去，而不是涌進(jìn)市區(qū)。

當(dāng)?shù)氐牡虊问前凑湛傻钟钸_(dá)15.5米洪水的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的，而這次的預(yù)測(cè)值為14.9米，雖然，美國國家氣象局的預(yù)測(cè)都稱不上完美，但提前兩個(gè)月做出的預(yù)測(cè)值，出現(xiàn)1.6米的誤差也是可以理解的。根據(jù)以往洪水預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率分析統(tǒng)計(jì)，預(yù)測(cè)中的誤差約為±2.7米，意味著堤壩被淹沒的概率為35%?；蛘?，更確切地說，河流水位深度在12.2米到17.6米之間。

但美國國家氣象局沒有重視預(yù)測(cè)中的不確定性，而是強(qiáng)調(diào)14.9米這一預(yù)測(cè)結(jié)果。似乎是在暗示人們，此次洪水的最大深度就是14.9米。有些居民甚至將14.9米的預(yù)測(cè)值解讀為洪峰可能達(dá)到的最大值，認(rèn)為15.5米高的堤壩足以保護(hù)公眾的安全。預(yù)測(cè)者后來解釋說，如果預(yù)測(cè)中傳遞出任何含有不確定性的信息，擔(dān)心公眾會(huì)因此對(duì)預(yù)測(cè)失去信心。

其實(shí)不然，如果預(yù)測(cè)中含有不確定的因素，公眾知道了洪水超過堤壩高度的概率還有35%的話，他們反而可以準(zhǔn)備得更充分，盡量加高和加固堤壩，并分洪引流。

自此以后，美國國家氣象局更加強(qiáng)烈地意識(shí)到向公眾準(zhǔn)確、客觀地傳遞不確定性的重要性。這也就是目前世界上絕大部分國家氣象預(yù)報(bào)采用概率性預(yù)報(bào)的原因。

（2）拉奎拉地震——預(yù)測(cè)和科學(xué)傳播的悲劇

2009年4月5日晚上（星期天），意大利拉奎拉的居民們?nèi)胨埃蝗桓杏X到一陣陣不是太強(qiáng)烈的地震。第一次地震發(fā)生在夜里11點(diǎn)，震級(jí)為3.9級(jí)。第二次地震的震級(jí)更低些，為3.5級(jí)，強(qiáng)度都不足以震醒熟睡的人。當(dāng)?shù)卣鶕?jù)歐洲地震預(yù)測(cè)委員會(huì)主席為首的地震學(xué)家們的預(yù)測(cè)意見，告訴民眾不必?fù)?dān)心。意大利民事保護(hù)部副部長德博納迪尼斯對(duì)公眾解釋說，小震活動(dòng)有助于釋放能量，減少大地震的威脅。他同意某位記者的觀點(diǎn)，認(rèn)為民眾們可以回到屋里，喝杯小酒，他還推薦當(dāng)?shù)匾豢蠲麨槊商仄涨≈Z的特色葡萄酒。

然而，星期一凌晨3點(diǎn)32分，一場(chǎng)6.3級(jí)的大地震襲擊了拉奎拉，房屋倒塌，309人喪生，經(jīng)濟(jì)損失超過160億美元。

拉奎拉地震災(zāi)害的最大悲劇，是用確定性的思維和語言向公眾描述傳達(dá)了不確定性的地震及其災(zāi)害。

極具諷刺的是，7位參與了地震預(yù)測(cè)的地震科學(xué)家和向公眾發(fā)布消息解釋的公職人員于2011年因過失殺人罪被告上法庭，檢察官指控他們未盡全力告知公眾發(fā)生“大地震”的危險(xiǎn)。2013年4月22日，拉奎拉地方法院以“過失殺人罪”分別判處當(dāng)時(shí)參與地震研究的六名意大利地震專家和這名政府官員六年監(jiān)禁。這一判決引發(fā)國際科學(xué)界強(qiáng)烈反對(duì)?？茖W(xué)家們認(rèn)為，當(dāng)前的科技水平根本無法預(yù)測(cè)地震，稱這是科學(xué)“悲哀的一天”，判決把整個(gè)科學(xué)界推向了審判席，而這些地震專家成為一場(chǎng)無法預(yù)料的自然災(zāi)害的替罪羊。

2014年11月，對(duì)科學(xué)家的指控被上訴法院撤銷，只有那位“大嘴”官員被判有罪但被減刑至2年。2015年11月20日，意大利最高法院維持此判決。

盡管最初的審判雖然顯得有些荒唐，但科學(xué)家對(duì)地震預(yù)測(cè)的描述可能也有值得改進(jìn)的地方。在目前地震預(yù)報(bào)科學(xué)水平之下，在發(fā)生一系列小震后，把大震的風(fēng)險(xiǎn)依然不會(huì)太高這種概率性，描述為不會(huì)有更大的地震發(fā)生的確定性意見是有問題的。

更糟糕的是，官員一味地向公眾宣傳生活可以一切正常，大家可以進(jìn)屋坐下來喝杯小酒，應(yīng)該是在穩(wěn)定公眾慌亂的情緒，但明顯地違背了科學(xué)，就是用確定性的思維來對(duì)待不確定性事件，尤其是向公眾進(jìn)行了不科學(xué)的表達(dá)。如果當(dāng)時(shí)這位官員采用概率性的語言向公眾解釋這次地震發(fā)生的可能性，結(jié)果可能就大不一樣了。

有評(píng)論家認(rèn)為：這次審判不是針對(duì)科學(xué)的，而是針對(duì)不正確的科學(xué)傳播。

用概率性思維應(yīng)對(duì)不確定事件

我們知道，地震事件是一種不確定事件。地殼應(yīng)力的積累到何種程度會(huì)超過巖石的強(qiáng)度，巖石斷層在何處是強(qiáng)度的薄弱點(diǎn)，地震的發(fā)生與哪些影響因子有關(guān)，各因子之間又有什么樣的制約關(guān)系，這些因子又會(huì)在什么條件下互相作用引發(fā)地震等，這一切目前的科學(xué)水平尚未達(dá)到，面對(duì)這樣充滿了不確定性的地震事件，我們一定要摒棄確定性思維，而以概率性思維來思考。

實(shí)際上，我國強(qiáng)制性國家標(biāo)準(zhǔn)——《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》就采用了概率法，該標(biāo)準(zhǔn)是全國量大面廣的一般建筑工程（也稱丙類建筑）的抗震設(shè)防依據(jù)，提供全國各地的基本地震動(dòng)參數(shù)（基本烈度），區(qū)劃圖中所給出的地震動(dòng)峰值加速度值（Amax）具有確切的概率含義，是50年超越概率為10%的地震動(dòng)峰值加速度，也就是50年內(nèi)本地發(fā)生強(qiáng)度小于基本烈度的可能性為90%，仍有10%的可能性發(fā)生大于或等于基本烈度。

（1）貝葉斯定理——新聞應(yīng)對(duì)模糊性語言中的科學(xué)依據(jù)

我們經(jīng)常遇到這樣的情況：有謠言流傳，或有小震活動(dòng)等地震前兆情況發(fā)生時(shí)，政府要求地震部門發(fā)聲，以穩(wěn)定社會(huì)。而這時(shí)對(duì)地震部門來說就是一種兩難境地，在當(dāng)前地震科學(xué)水平之下，說肯定會(huì)發(fā)生地震顯然是不科學(xué)的，說不會(huì)發(fā)生地震也是心中無底。因此，經(jīng)常有這樣語言的表述：“可能性不大”“不大可能”“可能性很小”等。很多人質(zhì)疑這種的表達(dá)，認(rèn)為這是一種不科學(xué)的說法。其實(shí)不然，這正是一種科學(xué)的表述，是對(duì)地震發(fā)生的概率進(jìn)行估計(jì)，從而心中有數(shù)，如果不能以概率的表述形式告訴公眾準(zhǔn)確的概率值，則可以根據(jù)概率值選擇適當(dāng)?shù)恼Z言和措辭，因?yàn)檫@種說辭里隱含了概率性思維。

作者曾用概率論的貝葉斯定律嘗試討論這種說法的科學(xué)性。

貝葉斯定理是概率論中的最重要的定理之一，貝葉斯定理能夠根據(jù)新發(fā)生的相關(guān)事件的概率來修正對(duì)原先事件的概率估計(jì)（先驗(yàn)概率），得出受新事件影響后的概率值（后驗(yàn)概率）。當(dāng)然，對(duì)于地震而言，原先事件的概率估計(jì)只能依賴于某地區(qū)發(fā)生地震的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)作為基準(zhǔn)概率，而此處定義的與地震相關(guān)的新事件是社會(huì)上傳言有某種地震宏觀異常，據(jù)此來計(jì)算某天真正發(fā)生地震的概率。為計(jì)算方便，假設(shè)該地區(qū)有感地震的頻率很高。

計(jì)算結(jié)果是，當(dāng)歷史上該地區(qū)地震發(fā)生受此類事件影響的概率較低時(shí)，發(fā)生新事件后某天地震發(fā)生的概率會(huì)比基準(zhǔn)概率還低很多，但如果歷史上該地區(qū)地震發(fā)生受此類事件影響的概率較高時(shí)，受新事件影響某天發(fā)生地震的概率就會(huì)比基準(zhǔn)概率高出不少，但仍屬于小概率事件。

計(jì)算結(jié)果說明，受新事件影響后地震發(fā)生的概率，完全取決于該地區(qū)歷史地震的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)（樣本數(shù)越多越好），并可據(jù)此估計(jì)出地震發(fā)生的概率。有了這種概率估計(jì)，以上的模糊性語言就有了科學(xué)的依據(jù)。

如果我們確立了科學(xué)的概率性思維模式，我們面對(duì)公眾進(jìn)行新聞發(fā)布或科普宣傳時(shí)就會(huì)心中有“數(shù)”，就會(huì)主動(dòng)得多，也體現(xiàn)了科學(xué)精神。

（2）應(yīng)急避險(xiǎn)——安全是相對(duì)的

世界上沒有百分百的安全，任何安全都是相對(duì)的，也就是說安全是有概率的。前面說過，地震的發(fā)生是不確定性事件，而地震造成的災(zāi)害更是不確定事件，地震是否形成災(zāi)害，與地震的大小、深淺、建筑物的抗震性能、地質(zhì)條件、是否有發(fā)生次生災(zāi)害的可能性等因素有關(guān)。面對(duì)地震災(zāi)害這種充滿了極度不確定性的事件，我們?cè)谶M(jìn)行地震安全教育時(shí)更應(yīng)秉持概率性的思維。比如在安全教育和應(yīng)急避險(xiǎn)科普中，可以更科學(xué)地告知公眾，在建筑物不倒的情況下，躲比跑的安全概率高，躲在桌子下比躲在桌子旁安全概率高?？茖W(xué)避險(xiǎn)就能最大程度地減少不該發(fā)生的傷亡，這就解決了困擾我們多年不知如何向公眾解釋在應(yīng)急避險(xiǎn)中什么才是科學(xué)行為的問題。

（3）科普宣傳——提倡科學(xué)精神

以往我們的科普宣傳更多的或主要基于傳播確定論的思想，而忽略了概率性的思維方式的傳播。一方面我們傳播者、宣傳者缺乏概率性的思維，同時(shí)，我們也沒有把概率性的科學(xué)思維方式傳播給公眾，所以，在防震減災(zāi)宣傳和科普實(shí)踐中，使得我們?cè)诤芏嗲闆r下陷入了兩難或悖論的境地之中，我們覺得沒有充足的理由讓公眾信服我們的解釋，同時(shí)公眾也難以理解一些基本的科學(xué)事實(shí)。

科普宣傳的重要目的就是提倡科學(xué)精神，科學(xué)性是科普工作的靈魂，其他形式都是為它服務(wù)的，這是科普工作應(yīng)該恪守的底線。既然確定論與概率論是科學(xué)思維兩翼，那么，對(duì)于科學(xué)傳播來說，二者的宣傳和普及都同樣重要，這是科普宣傳和提倡科學(xué)精神所必不可少的。

結(jié)論

防震減災(zāi)科普宣傳，要求我們以概率性的思維思考問題，同時(shí)我們也要讓公眾學(xué)會(huì)用概率性的思維去思考科學(xué)問題，這是地震和地震災(zāi)害的不確定性所決定的，同時(shí)也是培養(yǎng)公眾科學(xué)精神所需要的。