六、“星星”和“云朵”知多少——科学发现中的概率性推理
你知道有多少星星位于蓝色的天空?你知道有多少云朵飘浮过大地?上帝对它们作过清点,数字虽然巨大,可是一无遗漏。
——一首歌谣
这虽是一首短歌,但对科学家却是一个有趣的话题。歌中问及星星的数量和位置在一定范围内是具有确定性的问题,因此在古代人们就编制了各种星表。这属于天文学领域的课题。歌中问及云朵有多少就是模糊的、不确定的,人们对此难以说清,至多给出一个统计性或概率性的说明。这属于气象学方面的问题。如果你请气象学家给你建立一个“云表”,那他会当面笑话你,或者向你耐心解释说:我们根本找不到永远是一个样子的那种云朵,云朵是变化莫测的。
这种云朵问题,与海滩上沙粒和卵石时时受到海浪的冲击而运动一样具有概率性。诸如此类的事物及过程在大自然中数不胜数,可以说概率性的世界或模糊世界是极其丰富而博大的。
法国科学家拉普拉斯提出太阳系起源于原始的炽热星云的假说,从而清除了上帝的“第一次推动”。在一次盛大的宴会上,不可一世的拿破仑曾当面质问他:为什么在你的天体宇宙学说中没有创造世界的上帝?拉普拉斯傲慢地回答:“我不需要这个假设。”这一响亮的声音使人们感受到自然科学中客观主义的震撼人心的伟大力量。出于对客观性的坚定信仰,人们逐渐形成了一幅“牛顿-拉普拉斯决定论”的世界图景。在这幅图景中,牛顿力学是万能的,大千世界按照牛顿力学毫厘不差地运行,不存在丝毫的不确定性。于是科学等于确定性,不确定性等于无知,似乎也成了不容置疑的公式。
就在拉普拉斯这位确定性大师去世的1827年,“布朗运动”被发现了。
随之,那种确定不移的科学观开始悄然塌陷。英国植物学家布朗首先注意到,漂浮在水中的植物花粉不是静止的,而是像跳“塔兰台拉舞”(流行于意大利南部的土风舞)那样无规则地跳来跳去,又仿佛不断地被某种看不见的力量踢来踢去似的。这就是科学史上著名的“布郎运动”。这种运动无论如何在“牛顿-拉普拉斯决定论”的图景中是找不到的。这些植物花粉虽然颗粒微小,但第一次向宏大的决定论世界图景挑战,其结果就导致了一个概率性世界的出现(后来,法国物理学家皮兰解释“布朗运动”是植物花粉受到热运动中的水分子无数次碰撞的结果)。
19世纪下半叶兴起的热力学,以初生牛犊不怕虎的勇气向“牛顿-拉普拉斯决定论”下了第一道战书。热力学是研究大量热分子无规则运动的。奥地利物理学家玻尔茨曼用统计学的思想出色地进行了研究。他认为热分子运动遵循一种统计性规律,并提出了几率的理论,为概率在科学中争得一席合法地位,开辟了一条通向概率性世界的光明之路。但玻尔茨曼本人却受到了当时欧洲一些科学家的误解、非难和攻击,发生了他最后以自杀作为解脱的悲剧。大西洋彼岸的美国物理学家吉布斯在玻尔茨曼受非难时,却独具慧眼,顽强地坚持统计学的思想,用统计方法研究由大量微观粒子作无规则运动的涨落现象,对玻尔茨曼的理论进行拓展和完善,从而对玻尔茨曼的工作给予了有力的支持。
控制论的创立者维纳对此进行了精彩的评论:“从17世纪末到19世纪末,牛顿物理学一直独霸天下,几乎无人反对。它把宇宙写成一切都是按某种定律精确地发生的,宇宙是一个结构严密的组织,未来的一切都是由过去的一切严格决定的。现在这种观点已经不再在物理学中占统治地位了。为摧毁这种观点的垄断地位而做出最大贡献的,是德国的玻尔茨曼和美国的吉布斯。”
其实,赌博中赌徒希望赢的机会就是一个概率性问题,因为输赢取决于许多随机因素的偶然机遇,不可能准确地预言输赢,而只能依据一定的环境或