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《新京报·新知周刊》

 
 
 

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蝴蝶与地震有关吗?  

2008-06-03 13:27:00|  分类: 新知茶座 |  标签: |举报 |字号 订阅

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蝴蝶与地震有关吗?

 

http://www.thebeijingnews.com 来源:新京报 发布时间: 2008-06-01


●如果南美一只蝴蝶扇动翅膀就导致了缅甸强热带风暴,那么也可以说某个细微的地质活动引发了此次大地震,或者至少是把未来的地震提前了。

 

●地震的发生在数学上有个说法,叫做“泊松流”,属于随机过程的研究领域。泊松分布只在海量数据面前才具有统计学上的意义。

 

 

混沌,该死的混沌!

 

天气变化是著名的混沌现象。“蝴蝶效应”的发现者、气象学家洛仑兹通过研究,得出了一个令人胆寒的结论:长期准确的天气预报不可实现。人类如今对天气的研究手段非常完善和发达,有遍布全球的气象卫星和地面观测站,还有世界上最快的超级计算机分析数据,但也只对短期预报准确率有一定把握。这就是为什么气象台要频繁地发布天气预报———其实是在不断修正之前的错误。如果长期预报很准确的话,天气预报完全可以一周甚至一个月发布一次。

 

世界上许多现象都是混沌的。这是因为混沌是非线性动力系统的固有属性,是非线性系统普遍存在的现象。而在宇宙中,非线性系统的比例远远大于线性系统,甚至线性系统基本都是由非线性系统简化而来。混沌无所不在。

 

混沌的关键特征就是无法预料,这一方面是由于混沌运动本身的复杂性,也由于它对细小的变动极端敏感。仿照著名的“蝴蝶效应”的格式:如果南美一只蝴蝶扇动翅膀就导致了缅甸强热带风暴,那么也可以说某个细微的地质活动引发了此次大地震,或者至少是把未来的地震提前了。因此,地震预报极端困难,甚至在可以预见的将来都是极难做到的。

 

地质研究的落后以及地质运动本身的复杂性决定了这一点。即便成熟如天气预报的技术也对长期预测徒呼奈何,更遑论远不及天气预报发达的地震预报。我们有神舟飞船上天揽九月,却仍是“上天有路入地无门”。即便将来对地质构造有了更多了解也依然难以做到准确的地震预报。这不是因为科学家无能或者人类智力不够发达,实际上是科学的局限性。

 

 

统计学登场

 

说地震无法预报还有另一层意思。即便某一天地质科学取得了突破性的发展,地震的预报也只是建立在概率意义上的预测。这种概率可能并不太高,就好比“理论上”买彩票是可能中头奖的,但是许多人终生也中不上。地震的发生在数学上有个说法,叫做“泊松流”,属于随机过程的研究领域。泊松流是“随着时间推移迟早会重复出现的事件”。这个叙述充满了不确定性:“随着时间推移”、“迟早”,没有一句靠谱的。事实的确如此,泊松分布是无法预测的分布,只在海量数据面前才具有统计学上的意义。何况,地震分布还是个很弱的泊松流。

 

泊松分布有个著名的应用案例:盟军在诺曼底登陆时遭到了德军炮弹如外科手术般的精准狙击,加之希特勒宣称已经拥有了导弹技术,盟军统帅面临改变作战计划的抉择。有几个数学家研究了德军导弹的弹着点,发现具有泊松分布的特征,于是建议依然按照原计划行动。果不其然,随后的行动证明了德军根本不具备导弹技术,先前的命中只是运气好。几个书呆子用一点数学知识就缩短了战争进程,避免了许多军人和平民的无谓牺牲。

 

这个案例有助于我们理解地震预报面临的难度。但依然有人会坚持地震不难预测,比如在汶川地震后,网络上涌现出不少自称“准确预测”的民间高手。我们姑且假设他们预测到了,但这里仍然存在“先验概率”和“后验概率”的问题。那些预报成功的例子属于“后验概率”,等地震发生了再来炫耀预测的准确性,却不说那些大量预测错误的例子。民间管这个叫做“马后炮”、“事后诸葛亮”。为了更好地说明,请看一道数学题:

假设当6级以上地震准确预报的概率为0.8(即80%,当然实际上远没这么准);设预报地震不会发生的准确概率也为0.8(理由同上)。现在利用这个预报手段对某个地区进行观测,根据历史资料知道该地区一年内发生破坏性地震的概率为百分之一(这符合我国的平均水平,许多大地震都至少是百年一遇的)。现在来求当预报将要地震时,地震确实发生的概率。

 

利用贝耶斯公式直接可得,地震预报准确率为0.039———不到4%。请注意,这还是建立在80%这样高精度假设的基础上,实际情况更加悲观。

 

当然这并不能妨碍人类继续不懈地研究地震问题,首先我们对地震的了解目前为止还很匮乏;其次地震波为我们揭开了地球帷幕的一角,有助于我们窥探地球的深度秘密,只不过需要人类更加努力。

 

□金尚宾(北京 程序员)

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