先上一盤餐前甜點: 10個帥哥打籃球,通過抽簽分成紅隊和藍隊,每隊5人。 小明和小強是一對好朋友。小明說:希望我倆能抽在一隊。 小強說:嗯,有50%的概率。 請問:小強說的對嗎? 本題來自《Fat Chance!》,原書作者用計算集合的方式,告訴讀者小強說的并不正確。 為什么不對呢?每個人抽中紅隊和藍隊的概率不都是50%嗎? 有別于原書,我用一種更簡單直觀的方式計算如下: 如上圖,抽簽之前有如上十個空位。 假設小明隨機抽中了某個位置,例如紅隊,如下圖: 因為小明占據(jù)了其中的一個紅隊的位置,所以現(xiàn)在還剩下4個紅隊位置與5個藍隊位置。 小強如果想要和小明同在紅隊,他的概率是4/(4+5),即4/9。 這個計算似乎有點兒奇怪,結果也和直覺不相符。為什么會有一個不對稱的分布呢? 再說了,大家是一起抽簽,并不是小強和小明輪流抽簽呀? 下面,我再用另外一種直觀的計算方法,從頭推算一遍。 我們承認小強和小明是同時抽簽,先給每張簽編號,從1到10,每人抽中10張簽中任何一個的可能性都是1/10,繪制表格如下: 如上圖:
如果小明和小強各自的抽簽結果都有10種可能,那么兩人結果可能性的組合是(10×10=100)種嗎? 不是。因為兩個人不可能同時抽中同一個位置,所以要剔除兩人重號的可能性。 如上圖,去除重合后的10種不可能結果(標注為“x”),兩個人抽簽結果的可能性一共還剩有90種。 接下來計算其中兩人在同一組的可能性數(shù)量。 如上圖:
兩個人在同一個隊的可能性,是(20+20)/90=4/9。 兩人抽中1到10的概率都是1/10,但是兩個人的抽簽并非完全的獨立事件。某種概率式的“量子糾纏”,令他倆在同一個隊的概率出現(xiàn)了4/9這樣一個怪異的結果。 請覺得上述甜點過于簡單的讀者繼續(xù)讀下去。 本文是為真正的聰明人所寫。 事實上,本文涉及的主題,即使是在頂尖專家之間也會引發(fā)爭議。 在某些問題上,也許你能夠在本文看到最好的論述。這一點,連我自己都不太敢相信。 并且,一切計算都是從頭推導,沒有使用任何公式。 以下內(nèi)容,原文為《聰明人的陷阱》。 開始 打開這篇文章的,多半是聰明人。 歡迎你掉入聰明人的陷阱。 開始前,我想問你一個問題: 你相信意識可以移動物體嗎? “觀察者效應”這個話題,經(jīng)常以科學傳說與心靈藥方的形式,出現(xiàn)在對量子力學與人類精神層面(霍桑效應)的“葉公好龍”行為中。 根據(jù)量子理論,粒子在沒有被觀測時處于多種本征態(tài)的疊加狀態(tài),而當我們觀測粒子的狀態(tài)時,它就會塌縮到一個確定的本征態(tài)。 大白話說,就是觀察者可以“超距”地改變被觀察的對象。 觀察者為什么會影響亞原子層面的“現(xiàn)實”,會涉及到人的意識、量子塌縮、大腦中可能存在量子計算過程等等概念,這些概念如今已經(jīng)以科學的名義娛樂化、玄學化了。 今天我要寫的,是“觀察者效應”對經(jīng)典力學的日常經(jīng)驗的作用,這看起來似乎有點兒怪。
比如你可以說我的手機有一半可能在衛(wèi)生間,也有一半可能掉在車上,這是一個概率預測。 可我們不能說:手機是由衛(wèi)生間的狀態(tài)和車上的狀態(tài)疊加而成。 那么,“觀察者效應”會將你丟失的手機從衛(wèi)生間“移動”到車上嗎? 我的回答是:能。 本文的話題即使是在專業(yè)領域的聰明人之間,也經(jīng)常引發(fā)爭議。 我們會從兩個簡單的問題開始,一步步深入到令聰明人著迷的神秘地帶。 更有趣的是,在答題之后,我還將以可感知的方式,提及兩個燒腦的概念: 1、信息之做功; 2、“主觀觀察”改變“客觀世界”。 假如你對前面的解題很厭倦,可以直接跳到第八段的“哲學思考”: 我們與這個世界的關系,不是去探尋“世界是什么”,而是人類觀察世界的方式。 讓我們立即開始吧! 一 蒙洛迪諾曾經(jīng)與霍金合著過《時間簡史》,他的《醉漢的腳步》是一本非常棒的講概率和隨機性的書。 在講到“樣本空間”這個概念時,蒙洛迪諾出了一道題: 題目A:生男生女 一家兩個小孩,已知生男生女概率相同,已知一個是女孩。 請問另外一個也是女孩的概率是多少? 已知一個是女孩,另外一個要么是男孩,要么是女孩,答案應該是1/2呀? 解答:根據(jù)樣本空間的概念,也就是我在為什么真正聰明的人都是概率高手?(零公式入門篇)里說的“平行宇宙”,用窮舉法,兩個小孩有如下四種可能-- 第一胎 第二胎 所以,已知有一個是女孩,所以排除第一種可能,剩下三種可能性,答案是1/3。示意圖如下: 對于本題的讓人迷惑之處,蒙洛迪諾解釋道:如果我們指定了哪一個是女孩,例如老大是女孩,那么另外一個也是女孩的概率就變成了50%。 如上圖:因為一旦指定了老大是女孩,上面的四種可能性中,要把“男-男”和“男-女”兩個可能從樣本空間中去掉,這樣只剩下“女-男”和“女-女”,所以“女-女”的概率是50%。 二 然而,另外一個聰明人“不贊成”這個答案。 他就是加里·史密斯,耶魯大學博士,曾在耶魯大學任教7年,其間兩度獲得教學獎。 他在《簡單統(tǒng)計學》一書中,指名道姓地批評了蒙洛迪諾的“謬誤”。 加里·史密斯用另外一種方式陳述了題目: 題目B:另一個孩子 一個名叫史密斯的男人正在和他的女兒散步。 史密斯說,他們家還有一個孩子。 請問:這個不在身邊的孩子是女孩兒的概率是多少?
三 那么霍金的合著者,與耶魯大學的博士,到底誰對誰錯呢? 真相是: 1、兩個人的答案都是對的。 2、但“耶魯博士”對“霍金合著者”的批評是錯的。 那問題出在哪兒呢? 原因是: 這兩位牛人討論的題目,壓根兒不是同一個。 我們再來看一下。 (霍金的合著者)題目A: 兩個孩子,已知至少有一個是女孩,另外一個是女孩的概率是多大? (耶魯大學博士)題目B: 兩個孩子,親眼看見一個是女孩,另外一個是女孩的概率是多大? 難道這說的不是一回事兒嗎? “親眼看見一個是女孩”,不就證明了“至少有一個是女孩”嗎? 你覺得呢? 搞暈聰明人的時刻到了。 你看,即使是耶魯?shù)牟┦浚不煜硕咧g的區(qū)別。 (《簡單統(tǒng)計學》是很好的書,而且也有較小概率是我說錯了。) 四 最簡單的方法是采用貝葉斯公式來計算,但是我繼續(xù)采用零公式的方式,來做一些可感知的推理。 “至少有一個是女孩”,與“親眼看見一個是女孩”,并非一回事情。 這個是關鍵。 這二者直接的差別,可以從空間、時間兩個維度的“整體與局部關系”來揭示。 1、先看空間維度的“整體與局部關系”。 “至少有一個是女孩”,不能確保你親眼看見的那個就是女孩。 盡管你可以由“親眼看見一個是女孩”推理出“至少有一個是女孩”,但是,你不能由“至少有一個是女孩”推理出“親眼看見一個是女孩”。 我用畫圖來形象描述一下: 如上圖所示,“親眼看見一個是女孩”被包含于“至少有一個是女孩”。也可以說,“親眼看見一個是女孩”是比“至少有一個是女孩”信息更多的概率描述。 2、再看時間維度的“整體與局部關系”。 “至少有一個是女孩”,是上帝視角的統(tǒng)計結果; “親眼看見一個是女孩”,是人肉視角的觀察結果。 我用時間維度來說,未必精確,但大致是一個形象化的描述。 如上圖所描述-- (藍色字體)統(tǒng)計:上帝視角的統(tǒng)計結果,是對符合“至少有一個是女孩”的所有樣本空間的整體描述; 根據(jù)上帝視角的統(tǒng)計,有三種樣本空間,所以兩個都是女孩的概率是1/3; (紅色字體)觀察:人肉視角的觀察結果,是對其中一個平行宇宙的實際結果“親眼看見一個女孩”的真實描述。 根據(jù)人肉視角的觀察,觀察到是女孩的4類可能性,有一半來自兩個都是女孩的樣本空間,所以兩個都是女孩的概率是1/2。 由此,我們終于引發(fā)了關鍵話題: 1、“親眼看見一個是女孩”,是人肉視角的觀察結果,也是一個做功的過程; 2、為什么一個(信息并不完備的)觀察,會改變現(xiàn)實的可能性? (埋一個彩蛋:假如上面的題目中,那個男人出門的時候就決定了要帶一個女孩一起散步,那么,這個時候你正好看見了他和女孩,請問他有兩個女孩的概率是多大?) 五 下面,我用另外一道好玩兒的題目,來測試一下“觀察改變現(xiàn)實的可能性”。
六 相當多的概率爭議,來自對表述的理解。 有些人認為是文字游戲。 然而,假如一個游戲?qū)е麻L期的爭議,那么一定不止是個文字游戲。 還是《簡單統(tǒng)計學》一書,講述了下面這個經(jīng)典題目:
假如你去搜索一下,很容易找到這個“星期二男孩”的計算過程,以及答案: 13/27。 這是個很奇怪的數(shù)字,哪里來的13,又從哪兒來的27? 《簡單統(tǒng)計學》的作者,耶魯大學博士,對此毫不客氣地說: 這和星期二的確沒有任何關系。 他的推理如下:
他由此得出結論:福希是錯誤的。這一天是星期幾并不重要。 到底誰是對的? 我們先看一下,13/27是怎么得來的。 對應該計算,我將該問題表述得更加精確一些: “某人有兩個孩子。一個是男孩兒,出生在星期二。他來自有兩個男孩兒的家庭的概率是多少?” 我繼續(xù)用“平行宇宙法”,也就是可視化的窮盡法,來計算一下結果。 如下圖: 我列舉了符合“有一個星期二出生的男孩”的所有可能性。 請注意,這里仍然是上帝視角的統(tǒng)計分布,認為這是用貝葉斯公式來計算的理解是錯誤的。 上圖右側(cè)的三個7??7表格,橫坐標是老大從周一到周日的可能性,縱坐標是老二從周一到周日的可能性,對應的一共是49種可能性。 但是因為符合“星期二男孩”的,只有表格中標為紅色的可能性:
以上合計27種符合“有一個星期二出生的男孩”的可能性。 其中,有13種是“男男”組合,所以該組合的概率是13/27。 為什么看起來如此“簡單”的計算,會引發(fā)如此大的爭議? 上面的耶魯博士錯了嗎? 即使算出了13/27的人,對這個問題的理解也大多錯誤了,他們混淆了條件概率,也沒搞對貝葉斯公式的本義。 然而,我打算繼續(xù)發(fā)揮自己外行的優(yōu)勢,跳出使用“概念”的歧義,來深挖爭議的本質(zhì)。 我將改造一下上面的題目:
請注意,這時,“有個星期二男孩接電話”,就變成了一次“觀察”。 如前所述,這次主觀參與的觀察,改變了概率。 其中,如果有兩個男孩,且都是星期二出生,那么接電話的可能是老大,也可能是老二。 發(fā)生過程如下: 如上圖,第四列“統(tǒng)計”,是計算出13/27的過程。 第五列“觀察”,從上帝視角,變成了觀察者視角。 其中最大的變化是:
圖示如下: 請注意上圖,變化(也就是歧義發(fā)生的地方),位于兩條紅帶的交叉點: 兩個男孩都是星期二男孩。
從觀察者的結果計算逆概率,用的才是貝葉斯公式: 被觀察到的星期二男孩,家里有兩個男孩的概率是“14/28”,也就是1/2。 寫《簡單統(tǒng)計學》的耶魯博士,說的是上面這種狀況。 我在此指出頂尖專家的“錯誤”,顯然很傻很無知。然而到此為止,我似乎都是對的。 13/27,和14/28,兩個結果都沒錯:
觀察結果,相當于獲得了更多的信息,因此改變了概率。 前面“兩孩問題”生出了1/3與1/2兩種不同結果,道理和這個是一樣的。 觀察,看似只是主觀的、外部的參與,但是從信息的角度,從概率的角度,相當于“做功”,會導致概率變化。 這里特別要提到的是,“接電話的是個男孩”,與“接電話的是個星期二男孩”,這兩個貌似不同的觀察結果,所得出的“兩個孩子都是男孩”的概率都是1/2。 為什么呢? 因為對于觀察者而言,“星期二”并沒有給出更多信息。說男孩出生于星期二,相當于一句廢話。 這大概也是香農(nóng)對信息的定義: 信息是用來消除“不確定性”的東西。 七 讓我們再回到文章的開頭,看看那兩道簡單點兒的題。 (霍金的合著者)題目A: 兩個孩子,已知至少有一個是女孩,另外一個是女孩的概率是多大? 這道題目,其實是關于“樣本空間”的概率問題。 所以基于下圖之“統(tǒng)計”那一列,可以得出結果是1/3。 (耶魯大學博士)題目B: 兩個孩子,親眼看見一個是女孩,另外一個是女孩的概率是多大? 這道題目,其實是關于從“結果”推理“原因”的計算,對應的是下圖“觀察”那一列。 從“結果”推理“原因”,是一個貝葉斯計算。 我們不用公式,就可以清晰地推理計算。 看見一個女孩,只會發(fā)生在“男女、女男、女女”三個樣本空間里。 所以,當“親眼看見一個女孩”,問另外一個是女孩的概率是多大,其實是在問: 兩個孩子,親眼看見一個是女孩(果),那么她來自“女-女”家庭(因)的概率是多大? 我把“男女、女男、女女”三個樣本空間重新擺成下面這個樣子,因為面積代表可能性的數(shù)值(平行宇宙的胖瘦),這樣就可以“可視化+可計算”了。 (上圖三個長方形的面積是一樣的。) 因為“親眼看見一個是女孩”,這個觀察結果,發(fā)生在上圖黃色區(qū)域里。 根據(jù)面積比例可以發(fā)現(xiàn),“女-女”占了觀察結果是一個女孩的可能性的50%。 我們很容易得出結論: 根據(jù)“看見一個女孩”這個觀察結果,她來自“女-女”家庭的可能性是50%。 所以,當你親眼看見一個女孩,另外一個也是女孩的概率是50%。 這里有點兒“詭異”的地方是,“親眼看見一個女孩”這個“果”,更新了我們對于這個女孩來自于什么家庭(因)的“信念”。 八 意識能夠搬動物體嗎? 假如一個人說他能用意識讓勺子變彎,那么他要么是魔術師,要么是騙子。 意識控制機器是另外范疇的事情,讓愛因斯坦疑惑的“魔鬼般的超距作用”也不是我的討論目標。 我想說的是: 意識可以改變現(xiàn)實世界的概率嗎? 我不得不再次提及“三門問題”,但是會寫到一些你在別處可能沒見過的思考。 說這道題太簡單的人都是不誠懇的。當年在美國,這道題搞暈了一大堆大學教授、數(shù)學家、博士在內(nèi)的專業(yè)人士和聰明人。 疑惑在于: 1)打開一扇門之后,剩下兩扇門,難道每扇門之后有汽車的概率不是一樣的50%嗎? 2)如果主持人打開一扇門,那扇門原有的1/3可能性,為什么全部分配到C門了?A和C有什么區(qū)別呢? 3)到底是什么神秘的力量,導致了概率的重新分配? 即使你知道并理解了這個問題的答案,還是可能忽略了本題的一個關鍵點: 主持人到底是否知道B門的后面沒有汽車。 《不確定世界的理性選擇》對此有精確描述: 主持人的規(guī)則至少有三種可能的解釋。
盡管這三種規(guī)則均符合上述問題的表述,但其潛在概率卻各不相同。 在上面的題目里,我們留意到,主持人前面有個定語: 假如他知曉汽車的下落。 那么問題來了,假如主持人不知道汽車在哪個門的后面,這時他打開B門,發(fā)現(xiàn)后面沒有汽車,那你換不換? 答案是:不換?;蛘哒f換不換無所謂。因為這時A和C后面有汽車的概率,都是1/2。 但是更聰明的思考應該是: 假如你不知道主持人到底是否知道汽車在哪個門后面,從博弈論的角度來說,你都應該選擇換。 只不過,有時候換有好處,有時候換沒好處但也沒壞處。 聰明如你可能看出來了,這有點兒像前面的抓酒鬼,但是主持人這個角色的引入,讓“概率權”的概率更加生動了。 我繼續(xù)用零公式的方式,來解釋這一道題。更重要的是,用此題來呈現(xiàn): 意識改變現(xiàn)實世界(的概率)。 三門問題,我以自己的方式將其描繪如下: 主持人打開B門,門后面沒有汽車,理論上這是一個觀察動作,帶來了更多信息,理論上會改變概率,是嗎? 并不全是。 這取決于主持人是否知道車在哪個門后面。 我們把概率樹的分枝,理解為某件事情的各種可能性,用文藝的方法描述,就是一切可能存在的n個平行宇宙。 先看主持人不知道的情況。
如下圖: 再看主持人知道的情況。
如下圖: 在這個案例里,我所創(chuàng)造的“概率權”一詞,不再是一種隱喻,而是精確且生動地參與到計算中了。 不知道你是否還記得本文開始的那個問題: 你相信意識可以移動物體嗎? 重新分配了概率權的主持人,是不是相當于“移動”了門后的汽車呢? 九 以上不厭其煩的“簡單”計算,是為了從可感知的層面理解如下兩點:
這是兩個很好玩兒的思考。 這是我作為業(yè)余人士的優(yōu)勢所在,我可以自由地去思考這些問題,尤其是這些把專業(yè)人士也繞暈了的問題。 我試圖將概率與直覺建立起某些聯(lián)系,這需要借助于物理來思考。 如果說主持人打開B門,引入了額外的信息,那么,該額外信息到底是如何“做功”的? 做功是能量由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種的形式的過程。 做功的兩個必要因素:作用在物體上的力和物體在力的方向上通過的距離。 經(jīng)典力學的定義是:當一個力作用在物體上,并使物體在力的方向上通過了一段距離,力學中就說這個力對物體做了功。 主持人知道信息,和不知道信息,其“做功”的差別是什么? 概率到底是客觀存在的事物?還是主觀想象的事物? 即:概率究竟存在于現(xiàn)實,還是存在于人的大腦? 人的主觀意識,會改變這個客觀世界嗎? 十 上述問題吸引我的是,觀察者的參與(本來是作為“果”),對于現(xiàn)實概率(本來是作為“因”)的影響。 既然叫“因果”,為什么“果”會改變“因”? 量子力學層面的觀察者效應,與經(jīng)典物理世界的“可能性”的觀察者效應,都是圍繞“概率”展開。 本文中寫到的幾個有爭議的題目,歧義產(chǎn)生于“上帝視角”和“觀察者視角”。
引入先驗概率、后驗概率、條件概率也許可以讓計算更簡單,但對于消除歧義并無幫助。 因為以上爭議,往往在專業(yè)人士之間會更加激烈。 然而,作為一個好奇的業(yè)余愛好者,我并不打算停留于此。 雅各布·布魯諾夫斯基在《知識與想象之起源》中說:當我們對世界的感知方式在本質(zhì)上發(fā)生了如此大的變化時,繼續(xù)討論“世界是什么”,真的毫無意義。 作者認為:我們對世界的看法不是“世界是什么”,而是“人類如何看待世界”。 長久以來,人類都堅信,世界是客觀存在的,它就在那兒,就是那個樣子,我們的感知模式對我們解釋這個“現(xiàn)實世界”的方式影響不大;我們可以了解世界的本質(zhì)而不必擔心我們使用的“工具”。 然而,雅各布·布魯諾夫斯基認為,上面的想法是錯的。 在這本出版于上個世紀70年代的書里,作者將人類稱為“生物引擎”,而引擎的感知模式對于我們對世界的闡釋至關重要。 當然,也應該包括我在本文反復提及的“觀察”。 我們看這個世界,聽這個世界,理解這個世界,都是經(jīng)由“引擎”的感知。 上述思考,起源于康德在18世紀60年代提出的基本思想: 我們對外部世界的認識取決于我們的感知模式。 不久之后,康德放棄了自己的想法,轉(zhuǎn)而相信牛頓的絕對空間,他提出“空間確實存在,事件必須與之相適應,我們必須先天地意識到它”。 有趣的是,愛因斯坦在13歲就開始喜歡上康德的著作,并由此開始研讀休謨和馬赫的著作。 年輕時,愛因斯坦閱讀了很多探索科學與哲學的交界的著作。這其中,對他影響最大的是休謨。 休謨對一切不能直接由感官感知的知識都表示懷疑(一個聰明而可愛的杠精)。 在愛因斯坦看來,休謨清楚地認識到,像因果性這樣一些概念并不能通過邏輯方法從我們的經(jīng)驗知覺中導出。 (這就是為什么我對于本文幾道題目的計算,避免用成熟的公式,而是用可感知的方式去推理。) 然而,不久后,愛因斯坦開始質(zhì)疑康德關于分析性真理和綜合性真理之間的嚴格區(qū)分。 例如,一個看起來是純粹分析的命題“三角形內(nèi)角和等于180度”在非歐幾何或在彎曲空間中(比如廣義相對論所處理的情況)竟然是錯誤的?!斑@些概念并不包含康德賦予它們的確定性和內(nèi)在必然性?!?/span> (上述內(nèi)容來自《愛因斯坦傳》。) 馬赫啟發(fā)愛因斯坦的,不僅有“堅不可摧的懷疑態(tài)度和獨立性”,更有他對牛頓的“絕對時間”的懷疑。他曾經(jīng)說過:
而在愛因斯坦看來,馬赫哲學的本質(zhì)是: “只有當概念所指涉的對象以及概念同這些對象據(jù)以對應起來的規(guī)則能夠被顯示出來時,概念才是有意義的?!?/span>
愛因斯坦拋棄了那些“與經(jīng)驗沒有關聯(lián)”的概念,比如“絕對同時性”和“絕對速度”。 相對論告訴我們:
最后 我們對這個世界的感官印象,是由神經(jīng)系統(tǒng)進行解釋和構建的。 理論上,人類的基本結構相同,我們對外部世界的觀察和理解應該大致相同。 但事實并非如此。 例如當年在赤壁,面對一樣的風景,蘇東坡與友人看見了完全不一樣的世界。 那是公元1082年,蘇東坡與友人泛舟于赤壁下游玩。 清風徐來,水波不興;白露橫江,水光接天。一時間,他飄飄乎如遺世獨立,羽化而登仙。 這時,客人中有吹洞簫者,倚歌而和之,其聲嗚嗚然,如怨如慕,如泣如訴。 蘇東坡問他為什么如此哀愁。 客人說:“'月明星稀,烏鵲南飛’是曹孟德的詩吧?眼前壯麗景色,都是他戰(zhàn)斗過的地方。曹操如此牛逼,固一世之雄也,而今又在何處呢?” 隨后,蘇東坡寫出了傳頌千古的詩句。 這些話語充滿了現(xiàn)代型。對于觀察這個世界的智慧,對于經(jīng)驗知覺,蘇東坡、休謨、康德、馬赫、愛因斯坦們把酒言歡。 蘇東坡說道:
這首《赤壁賦》寫于蘇軾一生最為困難的時期之一,全篇豪放清朗,行歌笑傲。
蘇東坡此賦,不正是量子時代物理學家們的世界觀嗎? 哥本哈根解釋要求在觀察者存在的情況下,波函數(shù)魔術般地發(fā)生坍塌,現(xiàn)實世界因此呈現(xiàn)。 問題在于,誰來觀察宇宙呢? 宇宙是自我包含的。它包含所有事物,所以并不存在外部觀察者來注意宇宙的存在。 格里賓傾向于“唯我論”者的論斷。這個論斷說,在宇宙中只有一個觀察者,那就是我自己。“我的觀察”就是使現(xiàn)實從量子可能性的網(wǎng)絡中固化出來的所有重要因素。 也許,充滿好奇心地觀察這個世界,不僅是我們參與“現(xiàn)實”世界的惟一方式,也是我們“擁有”整個世界的惟一可能。 |
|