鄒文衛(wèi)

概率性思維
——認識不確定性的科學思維——兼論防震減災科普宣傳中的科學性

鄒文衛(wèi)

鄒文衛(wèi)，北京市地震局《城市與減災》雜志社社長兼主編，編審，中國災害防御協(xié)會副秘書長，中國災害防御協(xié)會科普委員會主任；長期從事于地震災害研究以及防震減災科普宣傳教育研究和實踐工作。先后主持和參與多項國家級防震減災科普項目研究工作，著有《防震減災科普場館建設與發(fā)展》等專著，編寫《地震三點通》等多種科普讀物，發(fā)表防震減災科普研究論文多篇。曾獲北京市先進科普工作者稱號。

確定論與概率論——從引力波探測和量子通信說起

2016年年初，科學界發(fā)生了兩個引人注目的大事件：2016年2月，美國LIGO（激光干涉引力波觀測站，Laser Interferometer Gravitation-Wave Observatory）科學團隊正式公布探測到了引力波的重大成果；2016年1月，我國潘建偉團隊的“多光子糾纏及干涉度量”項目獲國家自然科學獎一等獎，以及標志著潘建偉團隊研究成果的世界首顆量子通信實驗衛(wèi)星“墨子”號發(fā)射成功。

兩個科學成果均有重大影響。

前者是早在100年前愛因斯坦的廣義相對論所預測的結果得到了初步證實，兩個巨大的黑洞在14億光年距離之外的相互碰撞，激發(fā)出了時空的漣漪——引力波。這次事件中兩個黑洞的質量分別是36個和29個太陽質量，它們合并后釋放出了3個太陽質量的能量到時空中。1916年，愛因斯坦根據廣義相對論理論推論存在引力波，其最有可能被觀測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。

后者則是我國科學家基于量子力學理論基礎取得的量子信息科學的最新進展。在量子力學中，微觀世界的一對粒子不管相距多么遙遠，都存在“心靈感應”，即一個粒子的狀態(tài)隨另一個瞬時變化，這稱之為“量子糾纏”。利用粒子之間的這種關聯，即其中一個被測量到處于某種狀態(tài)，另一個也會在同時塌縮到某種狀態(tài)，科學家利用微觀量子態(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。量子通信通過應用量子密鑰分配技術，保障信息傳輸的安全。“墨子”的升空，標志著我國在世界上首次實現衛(wèi)星和地面之間的量子通信，構建天地一體化的量子保密通信與科學實驗體系。

量子通信衛(wèi)星

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

然而，廣義相對論和量子論認識世界的哲學觀點截然不同。廣義相對論是經典確定論，認為由狀態(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，認為由狀態(tài)A到狀態(tài)B是不可預知的，是隨機的過程。

潘建偉

愛因斯坦是相對論的代表，描述世界如同機器按照一定的規(guī)律運轉著，衛(wèi)星按照我們的計算和控制，運動在一定的軌道上，我們不僅對它們的過去和現在了如指掌，而且能精確地預測和掌控它們的將來。愛因斯坦相信只要有足夠的觀測條件和精確的計算，就能知道一個粒子的準確位置……他把粒子想象成扔出去的一個球，科學家可以準確計算出球的軌跡和落點。

玻爾是量子論的代表，認為微觀粒子，如電子，要同時精確確定它的位置與動量是不可能的，電子的運動狀態(tài)，不像行星圍繞太陽那樣走確定的軌道，而只能探測它在某位置的概率是多少?！安淮_定性”是量子論的一個基礎。

很長一段時間，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，在比利時首都布魯塞爾召開了第五次索爾維國際物理學化學研究會，主題為“電子和光子”，這是物理學界 “有史以來最聰明的會議”，參加這次會議的29人中有17人獲得或后來獲得了諾貝爾獎。這次會議上爆發(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？”這是兩個物理學先驅人物的爭論，他們的話，就代表了他們的觀點，誰也沒有說服對方。

隨著科學的發(fā)展，現在來看，上帝有時擲骰子，有時不擲骰子。上帝是否擲骰子，關鍵是取決于我們所研究的對象。這就是科學！

因此，在一般人的眼里如此精準的物理學（量子物理學），都要以概率說話，那么對于充滿著不確定性的天氣變化、地震的發(fā)生及其引發(fā)的災害則更應該進行概率性思維。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。

不能忽視預測中的不確定性

對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，而對概率性思維并不習慣。

（1）預測洪水——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，涌進市內，造成該城市5萬居民撤離，經濟損失高達幾十億美元，城市中75%的房屋遭到了破壞或損毀。

愛因斯坦與玻爾

這次洪災本是可以避免的，因為美國國家氣象局預報了這次洪水。如果采取了恰當的措施，如防洪石堤可以用沙袋加高，將洪水分流到農田里去，而不是涌進市區(qū)。

當地的堤壩是按照可抵御深達15.5米洪水的標準建設的，而這次的預測值為14.9米，雖然，美國國家氣象局的預測都稱不上完美，但提前兩個月做出的預測值，出現1.6米的誤差也是可以理解的。根據以往洪水預測的準確率分析統(tǒng)計，預測中的誤差約為±2.7米，意味著堤壩被淹沒的概率為35%。或者，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測中的不確定性，而是強調14.9米這一預測結果。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米的預測值解讀為洪峰可能達到的最大值，認為15.5米高的堤壩足以保護公眾的安全。預測者后來解釋說，如果預測中傳遞出任何含有不確定性的信息，擔心公眾會因此對預測失去信心。

其實不然，如果預測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烈地意識到向公眾準確、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報采用概率性預報的原因。

（2）拉奎拉地震——預測和科學傳播的悲劇

2009年4月5日晚上（星期天），意大利拉奎拉的居民們入睡前，突然感覺到一陣陣不是太強烈的地震。第一次地震發(fā)生在夜里11點，震級為3.9級。第二次地震的震級更低些，為3.5級，強度都不足以震醒熟睡的人。當地政府根據歐洲地震預測委員會主席為首的地震學家們的預測意見，告訴民眾不必擔心。意大利民事保護部副部長德博納迪尼斯對公眾解釋說，小震活動有助于釋放能量，減少大地震的威脅。他同意某位記者的觀點，認為民眾們可以回到屋里，喝杯小酒，他還推薦當地一款名為蒙特普恰諾的特色葡萄酒。

然而，星期一凌晨3點32分，一場6.3級的大地震襲擊了拉奎拉，房屋倒塌，309人喪生，經濟損失超過160億美元。

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

極具諷刺的是，7位參與了地震預測的地震科學家和向公眾發(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。2013年4月22日，拉奎拉地方法院以“過失殺人罪”分別判處當時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)國際科學界強烈反對?？茖W家們認為，當前的科技水平根本無法預測地震，稱這是科學“悲哀的一天”，判決把整個科學界推向了審判席，而這些地震專家成為一場無法預料的自然災害的替罪羊。

2014年11月，對科學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，但科學家對地震預測的描述可能也有值得改進的地方。在目前地震預報科學水平之下，在發(fā)生一系列小震后，把大震的風險依然不會太高這種概率性，描述為不會有更大的地震發(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，大家可以進屋坐下來喝杯小酒，應該是在穩(wěn)定公眾慌亂的情緒，但明顯地違背了科學，就是用確定性的思維來對待不確定性事件，尤其是向公眾進行了不科學的表達。如果當時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，結果可能就大不一樣了。

有評論家認為：這次審判不是針對科學的，而是針對不正確的科學傳播。

用概率性思維應對不確定事件

我們知道，地震事件是一種不確定事件。地殼應力的積累到何種程度會超過巖石的強度，巖石斷層在何處是強度的薄弱點，地震的發(fā)生與哪些影響因子有關，各因子之間又有什么樣的制約關系，這些因子又會在什么條件下互相作用引發(fā)地震等，這一切目前的科學水平尚未達到，面對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。

實際上，我國強制性國家標準——《中國地震動參數區(qū)劃圖》就采用了概率法，該標準是全國量大面廣的一般建筑工程（也稱丙類建筑）的抗震設防依據，提供全國各地的基本地震動參數（基本烈度），區(qū)劃圖中所給出的地震動峰值加速度值（Amax）具有確切的概率含義，是50年超越概率為10%的地震動峰值加速度，也就是50年內本地發(fā)生強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——新聞應對模糊性語言中的科學依據

我們經常遇到這樣的情況：有謠言流傳，或有小震活動等地震前兆情況發(fā)生時，政府要求地震部門發(fā)聲，以穩(wěn)定社會。而這時對地震部門來說就是一種兩難境地，在當前地震科學水平之下，說肯定會發(fā)生地震顯然是不科學的，說不會發(fā)生地震也是心中無底。因此，經常有這樣語言的表述：“可能性不大”“不大可能”“可能性很小”等。很多人質疑這種的表達，認為這是一種不科學的說法。其實不然，這正是一種科學的表述，是對地震發(fā)生的概率進行估計，從而心中有數，如果不能以概率的表述形式告訴公眾準確的概率值，則可以根據概率值選擇適當的語言和措辭，因為這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新發(fā)生的相關事件的概率來修正對原先事件的概率估計（先驗概率），得出受新事件影響后的概率值（后驗概率）。當然，對于地震而言，原先事件的概率估計只能依賴于某地區(qū)發(fā)生地震的經驗總結作為基準概率，而此處定義的與地震相關的新事件是社會上傳言有某種地震宏觀異常，據此來計算某天真正發(fā)生地震的概率。為計算方便，假設該地區(qū)有感地震的頻率很高。

計算結果是，當歷史上該地區(qū)地震發(fā)生受此類事件影響的概率較低時，發(fā)生新事件后某天地震發(fā)生的概率會比基準概率還低很多，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，受新事件影響某天發(fā)生地震的概率就會比基準概率高出不少，但仍屬于小概率事件。

計算結果說明，受新事件影響后地震發(fā)生的概率，完全取決于該地區(qū)歷史地震的經驗總結（樣本數越多越好），并可據此估計出地震發(fā)生的概率。有了這種概率估計，以上的模糊性語言就有了科學的依據。

如果我們確立了科學的概率性思維模式，我們面對公眾進行新聞發(fā)布或科普宣傳時就會心中有“數”，就會主動得多，也體現了科學精神。

（2）應急避險——安全是相對的

世界上沒有百分百的安全，任何安全都是相對的，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，而地震造成的災害更是不確定事件，地震是否形成災害，與地震的大小、深淺、建筑物的抗震性能、地質條件、是否有發(fā)生次生災害的可能性等因素有關。面對地震災害這種充滿了極度不確定性的事件，我們在進行地震安全教育時更應秉持概率性的思維。比如在安全教育和應急避險科普中，可以更科學地告知公眾，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避險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急避險中什么才是科學行為的問題。

（3）科普宣傳——提倡科學精神

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，我們也沒有把概率性的科學思維方式傳播給公眾，所以，在防震減災宣傳和科普實踐中，使得我們在很多情況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，同時公眾也難以理解一些基本的科學事實。

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

結論

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