概率性思维<br/>——认识不确定性的科学思维——兼论防震减灾科普宣传中的科学性

概率性思维
——认识不确定性的科学思维——兼论防震减灾科普宣传中的科学性

2017-06-07邹文卫

城市与减灾 2017年3期

邹文卫

概率性思维
——认识不确定性的科学思维——兼论防震减灾科普宣传中的科学性

邹文卫

邹文卫，北京市地震局《城市与减灾》杂志社社长兼主编，编审，中国灾害防御协会副秘书长，中国灾害防御协会科普委员会主任；长期从事于地震灾害研究以及防震减灾科普宣传教育研究和实践工作。先后主持和参与多项国家级防震减灾科普项目研究工作，著有《防震减灾科普场馆建设与发展》等专著，编写《地震三点通》等多种科普读物，发表防震减灾科普研究论文多篇。曾获北京市先进科普工作者称号。

确定论与概率论——从引力波探测和量子通信说起

2016年年初，科学界发生了两个引人注目的大事件：2016年2月，美国LIGO（激光干涉引力波观测站，Laser Interferometer Gravitation-Wave Observatory）科学团队正式公布探测到了引力波的重大成果；2016年1月，我国潘建伟团队的“多光子纠缠及干涉度量”项目获国家自然科学奖一等奖，以及标志着潘建伟团队研究成果的世界首颗量子通信实验卫星“墨子”号发射成功。

两个科学成果均有重大影响。

前者是早在100年前爱因斯坦的广义相对论所预测的结果得到了初步证实，两个巨大的黑洞在14亿光年距离之外的相互碰撞，激发出了时空的涟漪——引力波。这次事件中两个黑洞的质量分别是36个和29个太阳质量，它们合并后释放出了3个太阳质量的能量到时空中。1916年，爱因斯坦根据广义相对论理论推论存在引力波，其最有可能被观测到的引力波是由宇宙中最剧烈的事件引发的，比如恒星爆炸或者黑洞合并等。

后者则是我国科学家基于量子力学理论基础取得的量子信息科学的最新进展。在量子力学中，微观世界的一对粒子不管相距多么遥远，都存在“心灵感应”，即一个粒子的状态随另一个瞬时变化，这称之为“量子纠缠”。利用粒子之间的这种关联，即其中一个被测量到处于某种状态，另一个也会在同时塌缩到某种状态，科学家利用微观量子态表示的量子密码形成量子密钥，从根本上保证了量子通信的安全性。量子通信通过应用量子密钥分配技术，保障信息传输的安全。“墨子”的升空，标志着我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信，构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

量子通信卫星

以上两大成果是当今世界两个最伟大的物理科学理论——广义相对论和量子力学（量子论）的最新研究进展。广义相对论描述引力和宇宙的大尺度结构，向着宏观方向发展，研究的对象越来越大，太阳系→银河系→星云→宇宙的起源→……量子力学则是研究极小尺度，向着微观方向发展，研究的对象越来越小，分子→原子→原子核→电子→中子→质子→基本粒子→……

然而，广义相对论和量子论认识世界的哲学观点截然不同。广义相对论是经典确定论，认为由状态A可以推论出确定的、唯一的状态B；量子论则是不确定论，认为由状态A到状态B是不可预知的，是随机的过程。

潘建伟

爱因斯坦是相对论的代表，描述世界如同机器按照一定的规律运转着，卫星按照我们的计算和控制，运动在一定的轨道上，我们不仅对它们的过去和现在了如指掌，而且能精确地预测和掌控它们的将来。爱因斯坦相信只要有足够的观测条件和精确的计算，就能知道一个粒子的准确位置……他把粒子想象成扔出去的一个球，科学家可以准确计算出球的轨迹和落点。

玻尔是量子论的代表，认为微观粒子，如电子，要同时精确确定它的位置与动量是不可能的，电子的运动状态，不像行星围绕太阳那样走确定的轨道，而只能探测它在某位置的概率是多少。“不确定性”是量子论的一个基础。

很长一段时间，这两种理论背道而驰，物理界也分成了两派，并持续争论不休，其中最著名的是“玻尔-爱因斯坦论战”。1927年10月，在比利时首都布鲁塞尔召开了第五次索尔维国际物理学化学研究会，主题为“电子和光子”，这是物理学界 “有史以来最聪明的会议”，参加这次会议的29人中有17人获得或后来获得了诺贝尔奖。这次会议上爆发了“玻尔-爱因斯坦论战”，爱因斯坦在和波尔互怼的时候说：“上帝不掷骰子”；波尔反驳道：“你不能决定上帝掷不掷骰子？”这是两个物理学先驱人物的争论，他们的话，就代表了他们的观点，谁也没有说服对方。

随着科学的发展，现在来看，上帝有时掷骰子，有时不掷骰子。上帝是否掷骰子，关键是取决于我们所研究的对象。这就是科学！

因此，在一般人的眼里如此精准的物理学（量子物理学），都要以概率说话，那么对于充满着不确定性的天气变化、地震的发生及其引发的灾害则更应该进行概率性思维。概率论是研究不确定事件的法宝，有了概率性思维，才能把握事物的本质。

不能忽视预测中的不确定性

对于存在不确定性的事物，需要我们用概率的方法去思考问题。而我们大部分人比较熟悉确定性思维，而对概率性思维并不习惯。

（1）预测洪水——隐瞒不确定性造成巨大损失

1997年4月，美国某地河水泛滥，河水漫过某市的堤坝，涌进市内，造成该城市5万居民撤离，经济损失高达几十亿美元，城市中75%的房屋遭到了破坏或损毁。

爱因斯坦与玻尔

这次洪灾本是可以避免的，因为美国国家气象局预报了这次洪水。如果采取了恰当的措施，如防洪石堤可以用沙袋加高，将洪水分流到农田里去，而不是涌进市区。

当地的堤坝是按照可抵御深达15.5米洪水的标准建设的，而这次的预测值为14.9米，虽然，美国国家气象局的预测都称不上完美，但提前两个月做出的预测值，出现1.6米的误差也是可以理解的。根据以往洪水预测的准确率分析统计，预测中的误差约为±2.7米，意味着堤坝被淹没的概率为35%。或者，更确切地说，河流水位深度在12.2米到17.6米之间。

但美国国家气象局没有重视预测中的不确定性，而是强调14.9米这一预测结果。似乎是在暗示人们，此次洪水的最大深度就是14.9米。有些居民甚至将14.9米的预测值解读为洪峰可能达到的最大值，认为15.5米高的堤坝足以保护公众的安全。预测者后来解释说，如果预测中传递出任何含有不确定性的信息，担心公众会因此对预测失去信心。

其实不然，如果预测中含有不确定的因素，公众知道了洪水超过堤坝高度的概率还有35%的话，他们反而可以准备得更充分，尽量加高和加固堤坝，并分洪引流。

自此以后，美国国家气象局更加强烈地意识到向公众准确、客观地传递不确定性的重要性。这也就是目前世界上绝大部分国家气象预报采用概率性预报的原因。

（2）拉奎拉地震——预测和科学传播的悲剧

2009年4月5日晚上（星期天），意大利拉奎拉的居民们入睡前，突然感觉到一阵阵不是太强烈的地震。第一次地震发生在夜里11点，震级为3.9级。第二次地震的震级更低些，为3.5级，强度都不足以震醒熟睡的人。当地政府根据欧洲地震预测委员会主席为首的地震学家们的预测意见，告诉民众不必担心。意大利民事保护部副部长德博纳迪尼斯对公众解释说，小震活动有助于释放能量，减少大地震的威胁。他同意某位记者的观点，认为民众们可以回到屋里，喝杯小酒，他还推荐当地一款名为蒙特普恰诺的特色葡萄酒。

然而，星期一凌晨3点32分，一场6.3级的大地震袭击了拉奎拉，房屋倒塌，309人丧生，经济损失超过160亿美元。

拉奎拉地震灾害的最大悲剧，是用确定性的思维和语言向公众描述传达了不确定性的地震及其灾害。

极具讽刺的是，7位参与了地震预测的地震科学家和向公众发布消息解释的公职人员于2011年因过失杀人罪被告上法庭，检察官指控他们未尽全力告知公众发生“大地震”的危险。2013年4月22日，拉奎拉地方法院以“过失杀人罪”分别判处当时参与地震研究的六名意大利地震专家和这名政府官员六年监禁。这一判决引发国际科学界强烈反对。科学家们认为，当前的科技水平根本无法预测地震，称这是科学“悲哀的一天”，判决把整个科学界推向了审判席，而这些地震专家成为一场无法预料的自然灾害的替罪羊。

2014年11月，对科学家的指控被上诉法院撤销，只有那位“大嘴”官员被判有罪但被减刑至2年。2015年11月20日，意大利最高法院维持此判决。

尽管最初的审判虽然显得有些荒唐，但科学家对地震预测的描述可能也有值得改进的地方。在目前地震预报科学水平之下，在发生一系列小震后，把大震的风险依然不会太高这种概率性，描述为不会有更大的地震发生的确定性意见是有问题的。

更糟糕的是，官员一味地向公众宣传生活可以一切正常，大家可以进屋坐下来喝杯小酒，应该是在稳定公众慌乱的情绪，但明显地违背了科学，就是用确定性的思维来对待不确定性事件，尤其是向公众进行了不科学的表达。如果当时这位官员采用概率性的语言向公众解释这次地震发生的可能性，结果可能就大不一样了。

有评论家认为：这次审判不是针对科学的，而是针对不正确的科学传播。

用概率性思维应对不确定事件

我们知道，地震事件是一种不确定事件。地壳应力的积累到何种程度会超过岩石的强度，岩石断层在何处是强度的薄弱点，地震的发生与哪些影响因子有关，各因子之间又有什么样的制约关系，这些因子又会在什么条件下互相作用引发地震等，这一切目前的科学水平尚未达到，面对这样充满了不确定性的地震事件，我们一定要摒弃确定性思维，而以概率性思维来思考。

实际上，我国强制性国家标准——《中国地震动参数区划图》就采用了概率法，该标准是全国量大面广的一般建筑工程（也称丙类建筑）的抗震设防依据，提供全国各地的基本地震动参数（基本烈度），区划图中所给出的地震动峰值加速度值（Amax）具有确切的概率含义，是50年超越概率为10%的地震动峰值加速度，也就是50年内本地发生强度小于基本烈度的可能性为90%，仍有10%的可能性发生大于或等于基本烈度。

（1）贝叶斯定理——新闻应对模糊性语言中的科学依据

我们经常遇到这样的情况：有谣言流传，或有小震活动等地震前兆情况发生时，政府要求地震部门发声，以稳定社会。而这时对地震部门来说就是一种两难境地，在当前地震科学水平之下，说肯定会发生地震显然是不科学的，说不会发生地震也是心中无底。因此，经常有这样语言的表述：“可能性不大”“不大可能”“可能性很小”等。很多人质疑这种的表达，认为这是一种不科学的说法。其实不然，这正是一种科学的表述，是对地震发生的概率进行估计，从而心中有数，如果不能以概率的表述形式告诉公众准确的概率值，则可以根据概率值选择适当的语言和措辞，因为这种说辞里隐含了概率性思维。

作者曾用概率论的贝叶斯定律尝试讨论这种说法的科学性。

贝叶斯定理是概率论中的最重要的定理之一，贝叶斯定理能够根据新发生的相关事件的概率来修正对原先事件的概率估计（先验概率），得出受新事件影响后的概率值（后验概率）。当然，对于地震而言，原先事件的概率估计只能依赖于某地区发生地震的经验总结作为基准概率，而此处定义的与地震相关的新事件是社会上传言有某种地震宏观异常，据此来计算某天真正发生地震的概率。为计算方便，假设该地区有感地震的频率很高。

计算结果是，当历史上该地区地震发生受此类事件影响的概率较低时，发生新事件后某天地震发生的概率会比基准概率还低很多，但如果历史上该地区地震发生受此类事件影响的概率较高时，受新事件影响某天发生地震的概率就会比基准概率高出不少，但仍属于小概率事件。

计算结果说明，受新事件影响后地震发生的概率，完全取决于该地区历史地震的经验总结（样本数越多越好），并可据此估计出地震发生的概率。有了这种概率估计，以上的模糊性语言就有了科学的依据。

如果我们确立了科学的概率性思维模式，我们面对公众进行新闻发布或科普宣传时就会心中有“数”，就会主动得多，也体现了科学精神。

（2）应急避险——安全是相对的

世界上没有百分百的安全，任何安全都是相对的，也就是说安全是有概率的。前面说过，地震的发生是不确定性事件，而地震造成的灾害更是不确定事件，地震是否形成灾害，与地震的大小、深浅、建筑物的抗震性能、地质条件、是否有发生次生灾害的可能性等因素有关。面对地震灾害这种充满了极度不确定性的事件，我们在进行地震安全教育时更应秉持概率性的思维。比如在安全教育和应急避险科普中，可以更科学地告知公众，在建筑物不倒的情况下，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。科学避险就能最大程度地减少不该发生的伤亡，这就解决了困扰我们多年不知如何向公众解释在应急避险中什么才是科学行为的问题。

（3）科普宣传——提倡科学精神

以往我们的科普宣传更多的或主要基于传播确定论的思想，而忽略了概率性的思维方式的传播。一方面我们传播者、宣传者缺乏概率性的思维，同时，我们也没有把概率性的科学思维方式传播给公众，所以，在防震减灾宣传和科普实践中，使得我们在很多情况下陷入了两难或悖论的境地之中，我们觉得没有充足的理由让公众信服我们的解释，同时公众也难以理解一些基本的科学事实。

科普宣传的重要目的就是提倡科学精神，科学性是科普工作的灵魂，其他形式都是为它服务的，这是科普工作应该恪守的底线。既然确定论与概率论是科学思维两翼，那么，对于科学传播来说，二者的宣传和普及都同样重要，这是科普宣传和提倡科学精神所必不可少的。