概率语言 概率（％） 含义<1 极度不可能 1-10 很少可能或者非常不可能 10-33 有一些可能或不太可能 33-66 中等可能 66-90 很可能或很有希望 90-99 非常有可能或非常有希望 ＞99 几乎确定 气候变化政府间专门委员会（IPCC）是大约20年前由联合国和世界气象组织共同创建的一个组织。建立IPCC的目的是评估对气候的了解情况和影响气候的因素，评估全球性和地区性气候改变造成的后果，提供未来发展的一系列场景。这些场景可能是整个21世纪人口统计学和经济学发展的结果。在对全球气候各个方面所进行的评估中，IPCC的科学家尤其关注的是与量化观察资料和预测将来相联系的不确定性。把20世纪大气中二氧化碳含量的增加这一观测结果划到“几乎确定”级别。北部中纬度地区由于炎热的夏季导致土壤湿度降低被评估为“很可能”事件。像全球气候系统这样复杂的系统中的每一个要素、每一个过程都有不同程度的不确定性，有些大家很熟悉，有些大家则并不怎么了解。 人们对日常生活事件发生的可能性进行估计的愿望很强烈。明天下雨的可能性有多大？在下一届英国高尔夫球公开赛中，得分低于270杆的高尔夫球手夺冠的可能性是多少？在外科手术中病人存活的可能性有多大？对未来事件不确定性的量化很大程度上是来自于对过去这些事件的统计学分析。对所有以前英国高尔夫球公开赛中获胜者得分的分析让我们很容易在一开始就估计出低于270杆获胜的可能性。当医生告诉病人“你在手术中存活的概率是50%”时，医生很可能是根据以前做这项手术的其他病人的历史记录总结出来的。一方面，如果这项手术做了上千次，并且在手术中有一半的病人死亡，那么50%存活的概率是从相当多的手术经历中得出的粗略估计。另一方面，如果这项手术只做了两次，并且有一位病人死亡，那么，从过去经历算出的概率仍是50%。然而对于这一死亡率的估计能否代表以后100例手术的结果，对此我们的把握很低。 “从经验中学习”这条谚语通常情况下是正确的。统计学有助于我们估量我们已学到了多少东西。如果一项手术在几十年里做了数千次，开始时死亡率很高，但是随着时间的推移，死亡率急剧下降，那么综合死亡率并不能真正说明下一位病人将要面对的是什么。根据经验，我们会更多地了解到事情是如何运行的。我们希望做手术的医生能提高他们的技术，获得更好的医疗工具，设计避免某些危险的方法，这样随着经验的积累，手术中存活的概率也会改变。 我们把日常的天气预报看成是过程随着时间推移而改进的另一个例子。当我们看电视上的天气预报时，听到明天降雪概率为90%，因此我们可以很自信地预计到明天地面将会白雪皑皑。但情况并不都是这样。几十年前，天气预报是喜剧演员讽刺、嘲笑的对象。公平地说，天气预报的发展已经完全超过了纯粹的统计，比如说以前预报明天有雨是根据过去的128年中有65%的年头在那一天下雨了。 今天我们对预报的准确度更有把握，因为我们有卫星摄像机，它能给出整个大陆范围的天气系统图像，气象站组成的全球网络把测量的温度和大气压传送给大型计算机，大型计算机一小时一小时地做出可靠的预测。简言之，预报概率之所以得到改善是由于我们有了更好的设备，它能给日益改进的计算机模型及时提供更多信息，计算机对信息进行处理，得出高准确度的预报。 在外科手术和天气预报的例子中，随着时间的推移，成功的概率都大大提高了。然而，上述事实不能成为推迟手术和不做天气预报的理由。我们清楚地意识到，尽管未来的知识能更好地服务我们，但是我们不能奢望能够等待未来新的知识。不完善的知识总比没有好。 对概率的误解 不幸的是，概率及概率计算的基础经常会被误解。我想起一个老笑话，是有关一个病人面对危险手术的故事。他的手术医生告诉他，他在手术中存活只有对半的机会。病人听到这一消息沉思了一会，然后告诉医生他会继续做手术，但是想把手术安排在有同样病症的其他人在手术中死亡以后立刻进行。他的逻辑是什么呢？如果两个病人手术，有一个病人可能会存活，他想成为均衡前面死亡的那个人。很容易看出他逻辑上的错误：他在手术中存活（或死亡）跟之前任何一个病人的命运绝对没有任何关系。后面病人的命运也不会依赖于他手术的结果。大部分的概率理论，认为每一事件都是独立事件，并不以另外一个事件为条件。在投掷硬币（coin flips）事件里，下一次投掷的结果并不依赖于已经投掷的正面朝上和反面朝上的次数。事件结果的独立性通常是一个容易让人误解或者不能理解的概念。概率也易于被人误解或曲解，尤其是当使用不熟悉的定量语言对其进行计箅时。举例说明，让我们看一个潜血检测试纸检验（hemoccult）的例子，简单来说就是检查粪便中是否有血，它是可能患有结肠和/或直肠癌（结肠直肠癌）的征兆。结肠直肠癌发生的统计结果表明美国的普通人口中结肠直肠癌发生的频率是每100000个人中大约是300例，患有结肠直肠癌的人中有大约一半人的潜血检测试纸检验呈阳性（例如粪便中有血）。如果一个人没有患结肠直肠癌，他或她仍有3%的概率检验呈阳性，所以说，一个人即使没有得结肠直肠癌，他在潜血检测试纸检验中也有可能呈阳性。这只是说明除了结肠直肠癌外，还有其他原因导致粪便中有血。 内科医生如果看到潜血检测试纸检验呈阳性时，他必须确定病人实际得结肠直肠癌的可能性。这个问题没有听起来那么难。300个患有结肠直肠癌的人中，大约有一半或者说150个人潜血检测试纸检验呈阳性。99700个没有患有结肠直肠癌的人中，有3%或者说约3000个人潜血检測试纸检验也呈阳性。而潜血检测试纸检验呈阳性的3150个人中有150个人确实得了结肠直肠癌。因此一个人潜血检测试纸检验呈阳性而实际患有结肠直肠癌的概率是150/3150，或者说大约每20个检验呈阳性的人中就有一个可能患结肠直肠癌。但是已经知道患有结肠直肠癌的人中有一半人的潜血检测试纸检验呈阳性，因此潜血检测试纸检验是医生在病人潜血检测试纸检验呈阳性后，对他进行其他检査的一个信号，例如进行结肠镜检查，就是用来确定阳性的潜血检测试纸检验结果是由于癌造成的，或仅仅属于20个人中19个检验呈阳性的结果并不表示患有癌症之一。 如果一般的病人对医疗概率感到不可理解，我们或许不会感到特别惊奇，然而，当1/3以上的医生在被告知以上事实后，让他们估计阳性的潜血检测试纸检验结果代表患有结肠直肠癌的概率是多少时，他们得不出1/20这样的结果，这才更加令人不安。概率性的语言（尽管这些概念并非必不可少）是理解的障碍，而误解通常会导致不确定性。 百年一遇的洪水 让我们来看另外一个例子。当新闻记者评论道“那是在不到10年的时间内爆发的第二次'百年一遇的洪水'”，很多听众想知道这怎么可能呢？怎么会在爆发第一次百年一遇的洪水后不到100年，再次爆发昵？术语“XX年一遇的洪水”的确表示要经历同样大小的洪水平均要再等XX年。也就是说，平均在XX年内只会爆发一次那么大的洪水。当第二次爆发洪水的时间比XX年早，则说明与平均时间间隔相比，它来得早了些。当然，两次同样大小的洪水爆发的时间间隔比XX年长，则说明时间间隔比平均的时间间隔要大。这种描述性术语不能被解释成排除了洪水多次发生的可能，也不能保证洪水一定在指定的时间间隔内发生。术语注重的只是该流域的平均行为。 水文工作者勉强接受用可能性而不是逆程周期来解释这些概念。百年一遇的洪水也可以被描述为在一年中爆发洪水的可能性是1%。 这种描述有助于没有专业知识的读者理解为什么在一个世纪之内会发生一次以上百年一遇的洪水。在任何给定的一年中，都有1%的概率发生这样的洪水。不管什么时候发生，它都是一个不可能事件。 对于给定流域爆发洪水的概率估计，部分是根据年度基础上洪水会涨到多高这些历史性观察资料得出的。在绝大多数年份中，水位发生季节性涨落，但是都会保持在溪流或河道的堤岸内。有时洪水会溢出堤岸，淹没一些周边的地区。它们很少会覆盖整个山谷或者淹没整个平原，很少上涨到山谷的侧面。最常见的是水位波动，根据一个世纪或更长时间的资料记载，如果每4年中有3年会达到一个水位，我们可以有把握地说在一年中水位上涨到那个水位的概率是75%。如果在过去的一个世纪中水溢出堤岸有12次，我们估计在某一年中发生水位溢出堤岸的概率是12%，对此结论我们的把握要低些。 1924年巨大的洪水淹没了那个假设小村庄皮但克（Podunk）的渡口，1976年又发生了一次，对于这样的事件它的概率是多少呢？我们可以这样说，本世纪发生了两次洪水事件，或者说相隔52年发生了两次大小相当的洪水，但是如果说由此得到的一个洪水爆发的时间间隔就是洪水爆发的平均时间，我们一定会觉得这样的说法非常不可靠。洪水上涨，溢出了堤坝，直淹至房屋二楼的窗户，这样灾难性的洪水发生的概率又会怎样昵？皮但克渡口最初建于1887年，在它建立的127年中从没有发生这样的洪水。但是它会成为这类洪水事件的牺牲品吗？如果会，那么会以什么样的频率发生？对于这类问题的答案，是由建立在较小规模洪水发生频率基础上的概率分布估计和洪水大小与发生频率之间关系的理论推出来的。对皮但克河流域的情况分析表明，这样的洪水相当于一次“两百年一遇的洪水”，这就意味着，平均来讲，这样的洪水两百年才可能发生一次，或者说某一年中爆发这样大的洪水的概率只有1/200。 对于估计一定强度地震发生的概率也可以进行类似的分析。尽管地震学家没有提到“百年一遇的地震”，但概念是一样的。要计算一所马上要建立的学校或核电站可能会经受的最大的地表加速运动，涉及对这些建筑结构寿命期袭击该地区的最大强度的地震进行估计。这样的估计几乎都是根据该地区不同强度的小地震发生的频率推断该地区还未曾经历的大强度地震。如果预期结构的寿命是50年，那么如果结构设计仅仅能抵抗“50年一遇的地震”，这样是不明智的，因为“百年一遇的地震”可能会在不到100年的时间内再次发生。 上面估算的主要假定条件之一是支配洪水和地震发生的基本物理过程在很长一段时间内保持不变。就地震来讲，这种假设条件是可靠的，因为涉及的现象——地壳构造板块的缓慢漂移，是受到地球内部深层次在地质时间基础上经历变化的过程支配。然而，如果认为某流域的洪水泛滥是保持一个静态的过程，是意味着“导致洪水发生的条件在收集到的流域观测资料的时间间隔内总是保持不变”的技术术语，这就太天真了。 随着一个地区的建立和发展，影响洪水的很多地区性因素也在发生变化。在定义洪水的方程中有一个因素是暴雨中的雨水或融化的雪水渗入地表有多少，有多少从地表流掉，最终汇入这个地区主要的水道。为了发展农业而釆伐树木，为街道、停车场铺设路面，这些代表着发展的人类活动都减少了水分向地表渗入，增加了水分的流失。远在上游的土地使用变化也增加了下游洪水泛滥的可能。所以即使几十年来当地的气候保持不变，但是由于城镇化的发展，洪水泛滥的概率也会慢慢增加。 在整个全球气候系统的变化中，年均降水量也正慢慢发生变化，这为洪水发生概率的不确定性又增加了一种因素。影响水分渗入/流出地表的另一个因素是降雨持续的时间。慢而稳的降雨会导致水分更多地渗入地表，片刻的倾盆大雨会导致水分大量流失。记录气候变化的一个明显证明是暴雨发生的频率增加。24小时内降雨量为2英寸（5厘米）或更多我们就称之为暴雨。90多年以来，美国经历暴雨的区域也在缓慢增加。 所有这些因素告诉我们，洪水爆发的概率就像与手术相关的存活率一样不是固定不变的。我们不仅要努力根据历史事件确定洪水发生的概率，而且应该意识到由于我们局部地区土地开发使用和全球人类的活动改变了气候，从而导致各种条件的变化使得这个概率也是变化的。将房屋建造在泛滥平原的人、管理这些建筑的分区编码机构，以及提供洪灾保险的保险公司，都必须认清随着时间推移正在变化的风险模式。 由样本做估计 现在很多国家在选举中流行在选举前进行民意测验，以确定候选人的竞选实力。提到的问题对于参加过此类民意测验的任何人都很熟悉：“如果今天选举第七区众议院的代表，你会投琼斯（Mary Jones）—票还是史密斯（Alice Smith）—票？”此后不久，我们会在晚间新闻中听到“600个投票者参与的民意测验显示有42%的人支持琼斯，44%的人支持史密斯，14%的人仍不确定。这些数字的误差幅度（the margin of error）是+-4%，所以从统计学的角度来看，这两个候选人仍不分胜负”。 上面这些数据意味着什么昵？误差幅度说明了每位候选人目前在民意测验中的优势评估的不确定性。之所以会产生误差幅度是因为在这次的“抽样选举”中只记录了600个人的投票，然而在几周以后真正进行的选举中，可能会有超过200000人参与投票。抽样选举的结果也可以这样报道，“600个投票者的民意测验说明，如果选举今天举行，那么琼斯的得票数落在38%-46%的范围和史密斯的得票数落在40%-48%的范围的概率将为95%。由于两个人的得票估计范围存在很大的重叠，因此最终的结果不确定；所以如果选举今天举行，由于两个候选人的支持率非常接近，因而无法有把握地估计谁会当选。” “候选人X的得票数落在38%-46%的范围的概率为95%”这一论述告诉我们，如果民意测验专家重复这个试验100次，每次都选择600个投票者来确定他们选谁，那么，候选人X的得票数落在38%-46%的范围有95次。只有5次在这个范围之外。换句话说，民意测验的结果不能正确反映对候选人X立场的概率是5%。如果要降低不确定性，也就是说将概率从95%提高到99%，并且民意测验的得票率落在相同的范围之内，那么就应当有两倍以上的人参加民意测验。显然，要降低民意测验的不确定性，就要增加成本。如果不增加参加民意测验的人数，人们也可以估计出一个百分比范围，民意测验专家对候选人X的得票率会落在这个范围将有99%的把握。当然，这个百分比范围要比有95%把握确定的百分比范围要大得多。 很明显，在包含候选人可能得票数的范围和计票落在该范围的概率之间，得有一个折衷（trade off）。范围越大，概率就越大；相反，如果范围相对较窄，那么得票率落在该范围的概率就相应越低。一个简单的类比就是向圆靶投掷飞镖，射中靶上任何位置一个较大面积的概率当然要比射中靶心一个小面积的概率要大得多。 绝大多数民意测验专家发现，在参加民意测验的人数和民意测验结果准确的概率之间的折衷，应放在95%的概率水平上。民意测验专家对以下事情有95%的把握：大约600个人参与的抽样试验，那么对候选人竞选结果估计的不确定性范围大约为+-4%。参加民意测验的人数越少，成本越低，但是误差幅度越大。一个更大的样本会降低不确定性的范围，但同时会增加成本。而且，大样本的改善非常慢。为了把不确定性的范围减半，就必须有4倍的人参加民意测验。并且人们必须记住，民意测验除了避免成本过高，还必须及时。依赖不断增加参加民意测验的人数这样的想法并不能成功，一方面会增加成本，另一方面误差幅度也只是稍有降低。 但是算术学就足够了吗？不确定性范围的有效估算、民意测验专家报告的误差幅度真的是候选人在民意测验中得票结果的不确定性的理想评估吗？未必。答案关键在于民意测验专家选择参与民意测验的人的能力。不管什么时候，当想通过测量从一个大群体中抽取少量样本的特性来估计大群体的特性时，估计结果的可信度依赖于小群体实际上在多大程度上能代表一个大的群体。简言之，恰当的样本选择是估计可靠的关键。 从电话本中随机抽取的一个名字样本中就包含了很多错误的信息：大约有一半的人甚至没有参与投票，有些人是因为年龄小，有些人是因为未注册，有些人是因为不是当地市民，有些人是因为已经搬走了，有些人是因为认为政治和选举与他们的日常生活无关。另一方面好的样本选择应当符合人口统计学，样本应该在地理、经济、政治和文化等方面具有代表性。如果A县的合法选民是B县的两倍，但是A县和B县平均投票人数分别约为47%和55%，那么应据此来指导民意测验样本的选择。民意测验专家知道通过恰当地选择样本或增加人数，或者同时采取以上两种措施都可以提高民意测验结果的质量。改进样本会增加成本，因此权衡民意测验的准确度和达到这样的准确度所花费的成本就不可避免了。 似乎对精心挑选的几千人的投票样本能否成功地预测数百万人参加投票的全国大选的结果总是存在一些疑虑。就这一点而言，概率理论说得很明白。被抽样的人占人口多少并不是重要问题；真正重要的是抽取样本的实际大小，即被询问的人的数量，它决定着由抽取的样本确定的概率，代表着整个人口的选举情况。不管样本是从10万人口中抽取的还是从1亿人口中抽取的，由少数几千人的样本估计出大群体特性的准确程度令人吃惊，其误差幅度只有百分之几。 我曾在儿子身上验证这个命题，他当时正对收集钱币感兴趣。我们提出的问题如下：我们能根据我们家饼干罐中堆积的硬币估计出最近10年内每年铸造的硬币数量吗？铸造的新币由于流通的需要产量年年都有变化，但是流通数量通常上亿。一个装满几千个硬币的饼干罐能够作为每年铸造的上亿硬币的代表性样本吗？的确可以。饼干罐中收集的硬市比估计铸造硬币数量的年度产量变化所需硬币要多得多，并且误差幅度很小。概率理论有助于我们决定为了成功得到误差幅度范围内的结果所需要的样本大小，盛满硬币的饼干罐对得出正确结果大有帮助。 追踪一段时间内的选举民情的民意测验反映出随着选举展开选民观点的变化。先前的观点可能改变了，“未做决定者”最终也做出了决定。就像生活的大多数方面一样，选举不是静止不变的。许多因素能在选举上主宰沉浮，包括候选人为了发布消息所筹措的资金、候选人的过失行为和错误言论以及媒体对待候选人的态度。最终的结果是运动的目标，候选人尤其关注民意测验中民意的变化和对引起民意变化的分析。投票人做决定的过程是一个非常灵活的过程，竞选的结果很少和最初民意支持结果一致。 人口普查 在上一章中，我用美国10年的人口普査来说明计数的不确定性。除了普査过程中人的生老病死使得“正确的计数”难以获得外，到2000年底在美国居住的实际人口数最终也不确定，对此任何人都不会感到吃惊。在人口普査中，登记人口数就像在选举中清点选票数一样，最终清点的准确程度会受到限制。然而，由于人口的地理分布是划分立法区域和选举区域的重要因素，因此在那些重要的州及国家立法团体中，不同人口统计群体的相对代表中所发生的政治权力的重大变化都是根据不完善、不准确的人口普査得到的。 根据宪法规定，每10年对人口数量统计一次。可是每次统计人口都会发生关于如何改进全国人口普查的争论。一种观点是我们必须努力坚持通过使用改进的、更深入的直接交互方法（邮件、电话、因特网和现场会见）数到每一个人。然而，相反观点支持釆用抽样策略估算在直接普查中漏掉的人的数量。例如，如果邮寄的调查表和人口调查员只能到达邻近地区88%的家庭，对剩下的12%家庭要根据用传统的直接方法数到的88%家庭的特征性反应进行估计。人口调查局认为，用来自全国的314000个家庭得到的调査数据计数，可以可靠地估计多计和少计。这些家庭由遍布美国的几百万个家庭抽取的样本组成，人口调查局称之为ACE群体，ACE是准确性（accuracy）、覆盖度（coverage）和评估（evaluation）的首字母缩写。 抽样技术已经广泛地应用到与人口普査相近的更多领域。产品的销售能够通过估算家庭的年收人、拥有的汽车数量、住房的平均价格以及从政府人口普查数据中得到的类似经济特征大大受益。那些出售商品给美国消费者的人，对用不完全的人口普查得到的数据来估计整个地区的人口状况和经济状况充满信心。 此外，对抽样科学理解相对比较透彻，没有什么争议。同时运用简单直接计数方法和估计多计、少计的抽样方法能够成功得到更准确的普查结果，对此也很少有疑问。然而，用来填补计数和计数覆盖范围之间间隙的统计学方法却受到了强大的政治性抵制。之所以有这种政治抵制，并不是因为反对统计学方法的政治家不相信抽样方法。实际上，在大选之前的民意测验中，代表政党的候选人通常很放心地把抽样方法作为反映当前投票者民意的指示器。在人口普査中，反对使用统计方法是因为只采用直接的计数方法得到的不完全普查结果会对某些政党有利。保持不同地区和不同种族的人口普查在完整性和精确度方面不一致，对从中获益的政党来说是一个不言自明的特殊政治目标。通常，处于不利地位的包括少数民族、移民和穷人，他们相对于那些社会经济条件好的群体来说更容易被过低估计。对这些群体的过低估计会降低这些群体在政府立法机关和美国国会中的代表性。 在本章，我们大概了解了测量数据和观测资料是如何通过统计学方法进行定量描述的，以及如何估计包含在数据集中的信息的质量和可靠性。这是一个内容丰富的话题，关于这一话题吸引了几乎数以千计的短文、书本和专著。显然，我们只是打开了通向这片巨大知识领域的大门的一条缝隙。但是，通过这窄窄的一瞥，只要人们能够认识到无论是科学还是建立在有限观察资料定量分析基础之上的任何努力，确定性通常是无法完全达到的，这就足够了。有限的观察资料集通常定义了一个解释的范围，并且估计出真实性落在该范围的概率。一个较大的概率范围，也可以说是一个较大的目标，真实性落在该范围的概率也较大，但是由于缺少特异性，也许没什么用处。我们可以描绘出一个较窄的解释范围，但是发现真实性的概率就会相应降低。本章我们学到了从不完整数据能够收集多少信息，这为下一章我们讲述如何概念化和模拟复杂系统提供了一个有用的背景。 第七章 我不太确定这是如何工作的 困惑是获得知识的开始。 ——卡里尔·纪伯伦（Kahlil Gibran） 统计分析中测量的量化，温度随着时间变化趋势的发现，或者针对一幅图中显示的水污染数据模式的观察——所有这一切都激发着科学家开始思考他们正在观察的关系背后存在着一种什么样的过程，并将这种思考明确地表达出来。最初这些思想是简单和基本的，到后来也许需要通过试验进行检验。在下面两章中，我们将探究概念和试验的世界，了解不确定性是如何促进创造性发展的。 科学家，实际上我们每一个人，总是通过事物运行方式的简单化概念进行工作的。我们将这些简化的表示称为“模型”（models），它们以多种方式出现：概念模型、物理模型、数值模型。在从现实世界建立的模型中，通过对我们努力理解的现象或系统的不完全、有时是不准确、偶尔是冲突的测量或观察，我们接受到的是不完全的指引。在模型和观察间有一个持续的相互作用，并且一个在另一个面前经历着调整。新的观察导致一个概念的修改，反过来一个新的概念，暗示需要进行新的试验或观察，以便再一次获得检验。通常正是这样前后迭代的相互影响，才会增进对系统的理解，并且在一些环境下能够减少与系统行为相关的不确定性。但是当这种流动性消失时，例如当一个科学家在相当多的反面证据面前，支持或坚持一个概念或者过于相信不准确的或不相关的观察时，这种过程就停止了。 自然界中的绝大部分，其结构和组织都有着令人难以置信的复杂性。让我们思考以下森林生态系统的复杂性吧，在那里，树木、真菌、微生物、鸟类、小型啮齿动物、大型哺乳动物、昆虫、蕨类植物、蜗牛、青蛙、蛇和许多更多类型的生命，在森林限制的范围内，是相互依存的。它们不但共存，而且相互依赖，每一个都为另一个，提供得以繁荣的一些要素。细菌存在于土壤中，影响土壤的化学组成，促进它的发展；微生物也存在于大型动物的消化道中帮助它们进行消化和新陈代谢。而且所有的物体，不论大小，都受其所在区域的天气和气候所影响。由于这种复杂性，即使是最有能力的生态学家，要研究森林生态系统的全部细节，也是十分困难的事情。因此他们发展了有关生态系统工作的简化概念，集中在一些被认为是特别重要的组元以及这些组元的相互作用。这种相互作用的生态网络的概念化（conceptualization）被称为一个模型。自然，不同的生态学家对相互作用的认识是不同的，他们对不同组元的参与程度的权衡也是不同的，从而也就开发出了不同的模型。正是因为以上所述的复杂性，人们对生态系统的理解是不全面的，关于生态系统是如何被整合到一起的不确定性也就随之产生了。 同样，一个工业大国的经济，是在制造商、交通系统、批发商、零售商、银行、证券和商品市场、顾客、农民、劳动力、政府、税法以及更多的参与者之间的相互作用中形成的复杂网络。对于一个森林生态系统而言，以无限精细的方式描述这个系统，实际上是不可能的，因此简化和综合就发生了。进口、出口集中在一起作为“贸易平衡”；生产能力、工资水平、税、利率、商品的丰富性等等，放在一起形成一个“重要经济指标”的指数；不同商品和服务的价格聚集成“消费价格指数”；数百万人在花费、储蓄、投资或退休方面做针对个人合算的决定时的态度被表述为“消费信心指数”。经济行为，作为一个整体，被认为是由经济学家神化了的一些数量关系的结果，这些数量关系与贸易、消费价格指数、消费信心指数和其他一些聚集指数的平衡相联系着。被聚集的组元数量和组元之间的关系，构成一个经济模型。之所以会产生不同的经济模型，是因为不同经济有许多模型需要选择和评估：国会预算办公模型、沃顿商学院模型、参议院财政机构模型、密歇根大学模型。每一个模型都加入了它的创立者的判断和观点，而且将会证明一些模型必然比其他模型更具洞察力和先见之明。 概念模型 也许最简单的模型是概念模型。一个概念模型是关于一个系统以及它的组元和组元相互作用的智力想象图。它是更多精制模型，如物理模型或数值模型的基础。一个概念模型提供了一个框架，在该框架中思考系统的运行或者通常要解决的问题。接下来遇到的操作模型（operational model）并不比概念化更重要。 经常在经济概论课程中出现的很熟悉的一个概念模型是供求定律。供求的概念联系着价格机制中的生产和消费。如果某种产品或商品产量丰富，当前价格超过了消费者对这一产品的需求，那么销售商很可能会选择降低价格来使商品更具吸引力，否则生产者可能会因为该产品不是卖得很好而选择减产。相反地，如果一种产品按照当前的价格卖得很好，商人不可能把它按原价搁在货架上，而会提高价格以便利用这种旺盛的需求。同样，产品制造者会因为该产品大受欢迎而选择增加产量。或者一个竞争者，看到开设一条新的生产线的机会，也会决定开始生产。在一个理想的自由市场中，生产、消费和价格不断进行调整以维持这些因素间的平衡。供给和需求，作为一个简单的概念模型，在广阔和综合的术语范围内，已经相当好地描述了自由市场经济的运作。 然而，如果一个概念模型在它的想象中有太多的限制，或者加入了错误的假设，那么它预期一个系统行为的能力将被限制和（或）误导。在一个理想的自由市场中，供给和需求也许运行良好，有许多的供应商和消费者。但是当供应商存在垄断、销售渠道不足，或者价格受到调控机构的控制或补贴政策的支持时，市场相互作用就会弱化很多。在欧洲经济共同体内部，由于欧洲国家费尽心思维持自由贸易与确保在其经济中保持很强的农业成分需求的平衡，因而有关农业补贴的争端一直是一个恼人的问题。几十年来，美国电力工业的特征是所有的组成部分已经背离理想的供求经济。在几个州正在进行或者正在计划的公用工业的取消管制，将会以未被验证的方式变更着正在运作的领域。但是加利福尼亚州刚一开始的经历提供了引人注目的证据：取消管制并不总是按照计划进行。电信业领域的取消管制已经开展了10多年，在发送和接收声音、图像、信息以及数据的方式上发生了极其显著的变化，其中的许多变化在取消管制期间是没有预料到的。自然，在信息技术方面也有许多令人吃惊的事情有待揭示。 在一个非常基础的层面上，20世纪80年代航空工业的取消管制认为竞争的增加将通过更低廉的价格和更优质、更方便的服务更好地服务于顾客。而对于航空公司而言，取消管制为减少运营成本创建了一个新的框架。这很快导致了中枢辐射式航线系统的建立：每一条航线选择几个以飞机为主要运载工具的中心城市。在某些情形下，市场支配等价于事实上的垄断，这种垄断表现为伴随服务的质量下降和对费用进行削减的剌激减小。当小一些的公司在几个中心城市努力争夺部分市场时，更大的航空公司会暂时降低价格，以便把小的竞争者驱逐出市场。很快，顾客无法求助于其他公司的运输工具，因此对于已经建立的航线来说，几乎不必担心缺少顾客。供求概念模型没有被证明是航空工业适应和利用取消管制的很好描述。 运营成本的最小化也在2001年9月11日造成了损失。航空公司把航空安全视为一个需要管理的“成本中心”，同私营安全公司签订合同。这些私营安全公司转而会以最低的工资雇用安全人员，不给额外补贴，经过最低限度的训练就让他们工作。世界贸易中心悲剧的部分原因就在于不重视航空安全。随后由美国国会和总统做出的由联邦统管航空安全的决定，是对航空公司在提供充分安全方面失败的承认。 不完全的概念化 在科学上，模型可能是好的，也可能是坏的，这取决于科学家对系统的概念化程度如何：他或她在理解一个复杂系统的运行时具有多深刻的洞察力。让我们看看科学史上不完全的或者有缺陷的概念化的一些实例，以及对这些不充分的概念化的修订是如何进展的。 地质学教科书的作者总是喜欢引用一个广为人知的、19世纪时确定地球年龄的方法，并将其作为一个不完全而且易于误导的概念化的例子。确定地球年龄长期以来一直是地质科学的一个中心主题。今天最可靠的对地球年龄的估计是使用放射性元素衰变的方法，例如铀衰变成铅，是通过各种有规律而众所周知的速率进行的核过程来实现的。然而放射性直到19世纪末才被发现；在此之前，科学家是用其他方法来估计地球年龄的。不完全的概念化和最终的错误估计是由苏格兰物理学家汤姆生（William Thompson，1824-1907，英国物理学家，1892年被封为开尔文勋爵。在他的研究工作中，以热学和电学及它们的应用等方面最有成就。1848年创立绝对温标（亦称开氏温标），以后，他把热力学第一定律和热力学第二定律具体应用到热学、电学和弹性现象等方面，对热力学的发展起了一定作用。此外，还制成静电计、镜式电流计、双臂电桥等很多电学仪器。1866年起，他领导完成了横越大西洋海底电缆的安装工作。——译者）做出的，该物理学家更以他的贵族头衔——开尔文勋爵著称于世。 开尔文的推理是沿着这样的线路进行的：地球在其初始时期被赋予了一定的热量，从那以后一直在冷却。如果一个人能确定地球最初具有多少热量，而且对于它如何损失热量有一个好的理解，这能够使他对冷却过程已经持续了多长时间进行估计，或等同于自地球形成以后已经经历了多少时间。开尔文的方法论好比一个注满水的浴缸；在某个时刻将塞子拔出开始排水，过了一些时间，水位开始下降。如果人们知道水通过排水管离开浴缸的速率，他就能够通过降低的水位计算出是什么时间拔出塞子的。 开尔文推理：最初赋予地球热量的上限能够通过岩石熔化的温度来确定，而岩石熔化温度在火山爆发地点能够进行测量。这一逻辑暗示人们，地球最初是在一种熔化的状态中形成的，但这之后很快固化成我们今天所看到的岩石。接着他争辩道地球将通过一种被称为热传导的过程损耗热，这种传热方式发生于诸如组成今日之地壳的岩石之类的坚固物体内。他对于此过程的概念化与当营火熄灭后围绕营火的岩石慢慢冷却的过程没有什么根本不同。在一个家庭环境中，传导是热茶倒入茶杯时使得茶杯变暖的一个热传输过程。 开尔文知道在整个过程中冷却速率不是均匀的；地球在形成后很短的时间内冷却得很迅速；随着时间推移，冷却变得缓慢了。因此，如果他能够确定地球在当前损耗热的速率，他将能够判断地球的冷却已经发生了多长时间。他继续对地下矿物做细致的温度测量，以便确定当前损耗热的速率，接着运用此速率计算地球的冷却已经进行了多长时间。他对地球年龄所作的几千万年的估计，尽管比《圣经》估计的几千年要长很多，但却比地质学家用于解释他们所观察到的地质地形所作的必要估计和生物学家认为对物种进化是必要的时间估计要短很多。因此有了19世纪最激烈的智力争论：一方是以地质学家和达尔文为代表的关于地球非常古老的主张，另一方是物理学家开尔文关于地球相当年轻的观点。 这一争论没有解决，仍在持续着。每一阵营都认为对方错了。直到19世纪末放射性被发现以后，开尔文的主张才得到了阐明。不稳定元素的放射性衰变，是由法国物理学家贝克勒耳（Becquerel，1852-1908，物理学家，放射性的发现者。贝克勒耳发现天然放射性，标志着原子核物理学的开始。由此他和居里夫妇共同获得1903年的诺贝尔物理学奖。——译者）于1896年首先观察到和描述的。它是我们在原子能核电站运行中已经很熟悉的一个热源。在核电站，衰变能量被转换成热，用于产生驱动发电的涡轮机所需要的蒸汽。放射性衰变对于地球年龄的争辩有着什么样的重要性？开尔文所作辩解的关键是，仅有一个热源损耗热量，地球从它最初熔化状态下获得热量。由于岩石包含少量放射性元素，在地球原始热量损耗的同时它们会提供新的热量。这当然意味着要比没有任何额外热源时冷却要持续更长的时间。回到确定浴缸排水多长时间的类比，那么所做的实验就好像是在考虑通过排水管排水时，没有意识到这是在水龙头是开着的、还在往里面放水的情况下进行的。 开尔文的计算并没有错误，但是他却将这一问题不完全概念化了。他没有办法知道：地球热量的估算不仅应包含继承的，还应考虑从放射性衰变中获得的热量。由于将要被发现的放射性的存在，加上地球岩石中存在着放射性元素，因此开尔文关于地球年龄的确定是很不准确的。极具讽刺性的是，开尔文确定地球年龄的方法中未使用放射性现象，而放射性现象在后来被证明是构成当前确定地球诞生时间的最可靠方法的核心要素，就像前面讲到的，这一方法建立在一个放射性元素（“母体”）到一个稳定的元素（“子体”）的稳定衰变的基础之上。老的岩石与年轻的岩石相比，具有更少的母体和更多的子体。母体铀和它们的子体铅已经显示地球比45亿年略微老一点。 有缺陷的概念化 科学史中充满着有缺陷的概念化。其中一些在说明误解是如何阻止理解，结果又如何促成不确定性方面特别有益。首先让我们看看哥白尼（1473-1543）关于我们的行星系统的结构和动力学的著名再构造，这一构造大约是在1530年完成，直到他死前不久才被出版。 人类对围绕我们的宇宙的好奇很久远了。3000多年以前，巴比伦人就喜欢观察夜空。他们注意到，在我们现在称之为星座的几何图案中，绝大多数的光点保持着相对的固定。但有一些明亮的点跨越这些图案移动，巴比伦的天文学家称这些移动的亮点为“未驯服之羊”，在希腊词语中用“漫游者”来表示，今天我们知道这些未驯服之羊是太空中我们的近邻，我们将其称为行星。希腊人将他们自己的观察加入波斯人和巴比伦人的观察之中，发展出了一幅以地球为宇宙中心的天体图。在这一“地球为中心”的图景中，太阳、月亮和行星环绕地球运动，就像侍女服侍一位君王。作为这个幅员辽阔的王国的居民，星座留在背景之中。后来，这一观点出现在托勒密（Claudius Ptolemy）的著作中，托勒密是公元2世纪亚历山大的天文学家和地理学家，亚历山大是当时知识分子生活的中心，位于现今开罗的一个郊区。托勒密关于宇宙地理学的观点在哲学和宗教上有着巨大的吸引力。这种以地球为中心的宇宙被视为上帝的杰作，上帝创造了地球上的人类作为宇宙的中心物，创造了其他的一切事物作为背景。 托勒密的观点实际上影响了欧洲和地中海各国人的思想，直到这一概念化受到哥白尼的挑战。哥白尼在接受传统的以地球为中心的宇宙观点的教育时，发现这种观点不是令人很满意。他的直觉引导他坚信：正是作为巨大热源和光源的太阳，占据了行星系统的中心，而地球仅仅是围绕太阳转动的另一颗行星。根据这种观点，显著的太阳和月亮的每日运动以及跨越天际的星座的年度移动，根据地球每日绕轴的自转和每年绕太阳的公转很容易得到解释。作为一个附带的好处，从地球上看这些行星的运动的描述与以地球为中心的系统中的描述相比较要简单多了。哥白尼相信：一个简单的解释比一个复杂的解释更吸引人，被奥卡姆的威廉（William of Occam，奥卡姆的威廉，中世纪英国哲学家。名叫威廉，出生于英国的奥卡姆，人们称他为“奥卡姆的威廉”。主张唯名论，只承认确实存在的东西，认为那些空洞无物的普通性概念都是无用的累赘。——译者）清楚地阐明了，关于奧卡姆，今天为大众所熟知的是“奥卡姆剃刀”（ 奥卡姆剃刀，是指奥卡姆的威廉的著名格言“如无必要，勿增实体”，他挥舞这个剃刀的本意，是为了说明上帝的存在不能通过理性推导而得。奥卡姆剃刀后来也被当做科学研究和理性思维的一条原则，但在具体应用时有多种变形。其中一种是：不应加入无必要的假设，在两种等价的结论中，应选择简洁的、假设较少的一种。例如有以下两种结论：一、生物经过进化而来。二、上帝创造了进化的准则，生物经过进化而来。这两种结论说明的是同一个事实，即“生物经过进化而来”，但是后者的假设“上帝创造了进化的准则”对说明这一事实没有任何必要，因此是个多佘的假设，在科学上应用奥卡姆剃刀将它剔除。奧卡姆剃刀的另一种表述方法是：在多种可能性中，应选择最简单的那种。这并不否认复杂可能性的存在，而只是说，在没有证据时，应该首先接受、试验最简单的一种可能。——译者）。（奥卡姆，通过表达打破旧习的观点来反对他同时代的当权派。他也发现自己由于背离了传统智慧而不受欢迎。） 但是哥白尼作出多么大的挑战啊！实际上，这种挑战相当于在皇室法庭，把地球从一位崇高的王国君主骤降成依附他人的贱民团队的成员。这是把地球从宇宙中心降格到太阳的第三行星（the third rock）的重新安排，也是对宗教和哲学机构的冒犯。这些机构已经越来越习惯于这样的现象：重要性、权力和财富总是伴随着上帝造物的伟大方案的官方解释者。 然而，思想在最初建立时，无论是否得到广泛的信服，都有着它们自己的生命。以太阳为中心的行星系统概念建立了在其中成长的其他丰富的思想。哥白尼的思想激发了第谷?布拉赫（Tycho Brahe，1546-1601）对行星运动进行进一步艰辛的观察，开普勒（1571-1630）从第谷的数据中总结出了他的著名的行星运动三大定律的特定规律。牛顿（1643-1727）发展了一个关于力及其相互作用的优美的数学描述，从这个描述中能够推出开普勒的行星围绕太阳运行的轨道。今天，我们称这一相互作用为万有引力，行星系统就是众所周知的承认太阳中心位置的太阳系。 哥白尼革命——以地心的或以地球为中心的概念化被以日心的或以太阳为中心的框架所替代，其重大意义在于，对一个复杂现象的理解取决于被研究系统的一个适当的概念化。在放弃地球位于太阳系中心的观念之前，对太阳系结构和动力学做到深刻理解是不可能的事情。然而，一旦日心说成功了，误解的桎梏被打破了，接二连三的阔步发展就发生了。今天我们从地球轨道卫星发送的每日的天气云图中受益，我们可以看到月球上的宇航员或一个机器人漫游者从火星上给我们发送的照片，没有人不为之激动。我们也惊骇于弹道导弹轨迹的精确性。所有这些之所以成为可能，是因为关于行星系统的一个适当的概念化实现了理解的进展。 大陆漂移 另一个说明有缺陷的概念化如何阻碍进步的例子，是从地质科学史中选取的。整个地质时期大陆在地球表面漂移的概念最早是从地理学家那里得到拥护的，这些地理学家注意到在非洲西海岸和南美东海岸的外形之间有着巨大的相似性。用富含想象力的眼光来看，这两个大陆就像拼图玩具的碎片一样能够整齐地结合到一起。从这一表面上的相似性，地质学家推断南美和非洲曾经是连在一起的，只是在遥远地质年代的某个时候裂开而分离了。培根（Francis Bacon）爵士在17世纪早期曾对这一非凡的地质现象发表过评论，在18世纪其他人也作过论述。到19世纪末，地质学家已经发现沿着两大洲的边缘在对应点的岩石和化石非常相似，这实际上表明，不仅外形拼接是合适的，而且拼接出的图案也是连续的。20世纪早期，这种地理和地质学的证据由德国科学家魏格纳（Alfred Wegener）在一本如今非常著名的题为《大陆和海洋的起源》的著作中进行了总结和阐述。魏格纳介绍了一个引人注目的事实：大陆曾经是连在一起的，从那以后漂移分离。 魏格纳的概念，尽管对那些研究南半球地质的人特别有吸引力，但并没有受到那些研究岩石物理特性的另一群地球物理学家的赞赏。地球物理学家指出，在南美和非洲之间，排列了大约3000英里的固态岩石，它们隐藏在大西洋的海水下面，形成位于海洋之下地球的地壳。地球物理学家将大陆漂移概念化为一个类似于船只乘风破浪穿过海洋前进的过程。他们问，大陆如何能够通过这些岩石的障碍前进呢？他们争论说构成海洋底部的岩石实在太坚硬，不允许出现这样的运动。由于缺少大陆漂移的明显机制，因此认为大陆在地球上方移动的地理学和地质学观点被人们忽视了几十年。拼图玩具的合理性被人们看成是类似另一个著名的地理上的古怪性——意大利看起来像一只靴子，而漫不经心地摒弃了。至于大西洋沿岸岩石和化石的相似性，他们能够从相似的过程和平行的进化中得到结果。 这种状态一直持续到20世纪60年代中期，这时出现了一个叫做板块构造学（plate tectonics）的新概念，对大陆漂移的古老争论进行了重新评估。这一新概念承认大陆不能通过海洋底部的地壳岩石前进。相反，这种观点主张大陆和围绕它们的海洋岩石一起移动，很像一根冻在一片移动着的冰层的圆木。当冰层和它们的圆木“大陆”沿着主要的破裂处彼此分开时，在它们之间露出的水会冻结，在空隙处形成了新的“岩石”。 对构成洋底岩石的年龄的重要新观察激励着上述关于地球的修正主义观点。实际上这些数据并不是很新，收集起来主要用于在第二次世界大战和随后的冷战期间与潜艇战相联系的军事目的。当这些数据公布给科学共同体时，它们揭示出洋底的岩石全都比大多数的大陆岩石要年轻，就像在湖面上分离的冰层之间新形成的冰要比这些冰层本身年轻。因此地质学家所收集的关于大陆漂移的充分证据，不再会由于大陆漂移在机制上的不可行的争论而被搁置一边了。大陆移动的概念已经被抛弃了，原因在于“大陆通过地球刚硬的地壳主动地推动自己”这样的错误概念。一旦意识到大陆是一个骑马旅行的被动乘客，地质学的证据很快会得到有效的承认。 就像哥白尼的革命性思想导致对太阳系的理解取得巨大进展一样，地球科学同样也从新近发展出来的地球动力学的板块构造概念受益非凡。新的海洋学数据使得上述这种关于地球的新观点成为可能。此观点激发了对实际问题的很多创造性思考：如石油、天然气的生成，矿床的形成，地震和火山危害的性质，影响长期气候变化的因素，等等。以前的观点被放弃了，原因在于新观察迫使进行重新思考，新的概念化能够在适应新的观察的同时与更老的证据保持一致。板块构造学远去了，地球科学永远在发展。 墨守成规与标新立异 墨守成规很少被认为是有积极作用的思想。通常我们把这种情形同挫折、不满以及缺乏思考问题的新方式相联系。有人恳求我们“在盒子之外思考”，打破限制我们概念化问题的思维障碍。苏格兰阿伯丁大学的物理学教授琼斯（Reghaid V. Jones），给我讲了许多关于避免概念性惯例的重要性以及尽可能快速识别惯例的价值，以便在惯例陷得太深和时间浪费太多之前能够摆脱出来。琼斯，第二次世界大战期间英国的一个年轻小伙子，在科学研究和应用于战争的情报方面扮演了一个重要的角色。他在其《最隐秘的战争》3—书中，讲述了一个逃避惯例的故事。他的团队早期的任务之一是研制一种不能被雷达发现的飞机。雷达已经扮演了重要的角色：一是为英军提供“敌人正在逼近并空袭英格兰岛屿”的早期预警，二是警告德军盟军的飞机正在朝欧洲的目标挺进。如果琼斯能够设计一个不让雷达发现飞机的方法，那么盟军将具有明显的优势能够轻而易举到达目标而不受德国空军拦截机的干扰。今天这一概念已经在美国空军“秘密行动”飞机家族中变为现实。 琼斯和他的队员试验了各种技术技巧，都没有效果。一种木制的飞机，机翼和机身都有特殊的几何形状，并且涂胶，仍然不能防止巨大的金属发动机强烈的雷达反射。他们反复试验，都没有成功。琼斯意识到他们在墨守成规，没有在盒子之外思考。最终他想到了一个解决方法：他问道，“你如何隐藏一粒沙子？”回答是直接的：你将它放在沙滩上，融入无限多的沙粒之中。将此运用到飞机伪装业务上，解决方案不是隐藏单个雷达信号，而是创造100万个雷达信号。由此诞生了从诱饵飞机上倾倒碎金属片的战略，这种金属箔片如同我们把食物包裹起来存储在冰箱中所用的。对于敌人的雷达来讲，每一个金属碎片看起来像一个到来的袭击者，而这些碎片在整体上就如同一个由极具破坏力的复仇的轰炸机和战斗机组成的实际编队。防御拦截机起飞来对付这一优势军力，到达指定空域却发现没有飞机。与此同时，一个很小的真正的轰炸机群，沿不同方向飞到敌人的领土上空，实际上可以毫无麻烦地投下高爆炸性炸弹。这一欺骗虽然只持续了几周，但在那一时期会造成相当大的破坏。 然而为了能够“在盒子之外”有效思考，我们首先必须意识到，我们实际上是处在限制我们思考问题方式的“盒子里边”。这些时常微妙的限制是什么昵？让我们以一厢情愿的想法（wishful thinking）开始吧。当社会事务或经济事务进行得不是很好时，我们经常对自己说“事情会变好的”。当一个投资者喜爱的股票已经经历一个长时期的痛苦下跌时，在下跌的许多阶段，他或她将要争辩说情况不会变得更糟糕，股票的价格已经降到最低了，很快就会走上恢复的道路。在这样的情况下，如愿骨支配着，而脊柱弯曲着。这种态度常常是对许多紧迫的环境问题的反应。我们认识到空气质量已经恶化，马路和高速公路非常拥挤，海滩的水对于游泳是不安全的……但是我们对自己说情况会好的。然而，几乎没有任何问题通过自发的补救幸运地得到解决，或者仅仅通过期望就能消失。只有对问题进行关注、分析和执行之后，才会发生变化。 爱因斯坦奉行这样的信条——“你不能运用当前思考解决当前问题。当前问题是当前思考的结果。”当前思考仅仅是传统智慧的一个别名。作为解决问题的障碍，传统智慧表现为一系列不同的形式：我们总是以这种方式做这件事；我们以前试验过；这一纠正花费太多；那条路注定通向失败。传统智慧是没有经过检验的重复。这是对当前观点的一种接受，没有问支持这些观点的基础本身是否经历着变化。拒绝或挑战传统智慧是用令人不安的不确定性来代替明显的确定性的一种行动。如果哥白尼或者魏格纳只是接受了他们同时代的传统智慧的话，今天我们在理解太阳系和地球如何运转时会怎样昵？ 意识形态是一种特殊形式的传统智慧，它通常受到一些重要影响的支持。政府和宗教机构有时会建立传统智慧，接着保护它们不受常规的挑战。在这一意识形态的防卫之后，人们经常会发现一厢情愿的想法。托勒密的以地球为中心的行星体系的概念已经成为哥白尼之前的意识形态，原因在于当时的宗教机构和非宗教机构都想让它成为现实。一段时间以后，苏联的遗传学落后了，原因在于科学思考被强安了意识形态的盒子。在建立被误导的遗传学的过程中扮演了关键角色的人是李森科（Trofim Lysenko），此人是在乌克兰农业试验站从事研究的生物学家和农学家。他宣称小麦种子在合适的环境条件下能够被用来生产黑麦，而且这样的能力能够遗传。这对苏联的意识形态特别具有吸引力，苏联的意识形态是：人类在社会性上是可塑的；良好的社会主义观点不仅能够习得，而且能够继承。苏联的当权者想让李森科的农业思想成为现实，一度禁止讲授和研究在世界上其他地方蓬勃发展的遗传学的主流思想，这是对意识形态的忠诚而不是对科学的忠诚。 21世纪早期，不承认全球性气候变化正在发生以及人类在引起这些变化中扮演重要角色的观点，是以一厢情愿的想法和传统智慧为基础的。化石燃料工业和交通运输业不愿相信一些非凡的事情正在发生，这些事情可能会强迫它们重新构造，甚至更糟糕的是强迫它们放弃已经持续了一个世纪的成功故事。我们已经利用化石燃料一个多世纪了，这件事情意味着“我们一直使用化石燃料，将来也一直使用”。这种观点，只要是流行并具有说服力，将会引导我们进入—个持续加深的墨守成规之中。 一厢情愿的想法很少是一个成功的长期策略，现实迟早会迫使我们承认变化。人类历史上的石器时代之所以结束并不是因为人类从石头中走出来了，而是因为人类懂得通过金属可以制造更好的工具。 类似的，人类发展的化石燃料阶段也会在化石燃料耗尽之前结束。在漫长的人类历史中，无论过去还是未来，在人类学会如何利用和集中由太阳直接照射到地球的实际上是无尽的辐射能量之前的时间间隔内，对化石燃料的依赖只能是作为一个暂时的帮助。实际上，煤和石油之类的化石燃料，是自然界中比较拙劣和低效的产品。这些产品埋在地球地壳中，以化石化的植物和微生物的形式储藏着过去的太阳能，并通过“烹饪”的方式分解和重组这些能量。 物理模型 小时候，我玩林肯圆木，修补玩具和装配套件，构造无限变化的木盆、风车和金属梁的桥。一段时间以后，我开始玩飞机模型，煞费苦心地削出一些西印度轻木条做成机翼和机身，然后给它们覆盖一层纸质蒙皮。用一个螺旋桨和橡皮带提供动力，微型飞机就可以飞向天空。所有这些儿时的小玩意都是一些现实世界构建物的简单化描述，是对现实世界实际建筑按比例縮小的物理模型。作为物理模型，它们具有现实世界建筑的许多特性，但是它们也会以其他重要的方式与对应的部分相背离。一个简单的飞机模型用纸而不用纤维或者金属做它的蒙皮。用橡皮带的弹性能量而不用来自液体燃料的化学能提供动力，而且这种模型没有飞行员，也不需要控制。如果一个人试图建造一架模仿这一模型的真实飞机，那么他会很快认识到这一模型的不充分性。事实上，该模型飞机只是简单的飞行空气动力学原理的一个模型，而不是一架在起飞、飞行和着陆期间需要控制的飞机，它无须为货物和乘客提供空间，也不必提供进行长途飞行所需的燃料。 物理模型的进展大大超出了我儿时的实践。汽车制造商和空气动力学研究中心湍流（turbulence）现象。船舶设计师在大的水箱和水池里拖曳或推进不同设计的船体，以便了解在各种波浪和风速的条件下如何提升航速、增进燃料效率和提高稳定性。物理模型在试验方面继续扮演着重要的角色，在下一章节我将要对它们作更多的讨论。但是物理模型研究的成功与否，取决于一个试验在某个尺度中做得如何，在与真实环境不是完全一致的环境下，将其外推到真实气象条件下天空或大洋上的飞机或船舶。 数值模型 数值模型由描述系统功能和对系统行为进行定量预测的一系列数学公式组成。当计算复杂到需要计算机来运算时，数值模型有时被称为计算机模型。但是无论是用手工计算还是用老式加法机或手工计算器计算，或者用巨型计算机进行计算，所有数值模型的核心是定量联系组件和系统过程的公式。开尔文勋爵通过求解热传导微分方程的方法计算地球年龄。这一方法能够让他定量计算一个球体从最初热状态损耗热的速率，从而计算地球已经冷却了多长时间。 为了了解什么是数值模型，让我们从更简单和更直觉的事情开始吧。我们以你的储蓄账户模型为例，每月你在其中存一笔款，账户内的钱会以给定的比率逐月变化地获得每月的利息。有一些简单的数学规则让你能够计算出未来任何时间你的储蓄金额。实际上，这些规则是一个关于你的储蓄账户的数值模型，一个代表了随时间变化的存款及组合的模型。如果你想定期地提取现款来支付你的汽车保险或租金，模型会制作得更加复杂。 分期偿还几年欠下的家庭贷款的进程表同样是一个简单的数值模型的输出结果。这一模型表明你借款的数额、你与借款者协商的利率、你希望用几年还清贷款，接着它会直接运用数学来告诉你每月必须支付的金额。另外，它会告诉你每月支付的款项多少用来支付利息，多少用来减少本金。在贷款的任何时候，如果你决定用从珍尼（Jenny）姑姑那里继承的财产或者用从办公室获得的一大笔奖金还清债务，那么这一模型将告诉你还剩下多少本金需要重新支付。 社会保障 美国人熟悉的另一模型是美国社会保障制度模型。这是一个经济模型，它同个人储蓄账户在许多方面具有共同点，但也有一些不同和更复杂的特点。一个不同点是，制度不仅能够预算在个人工作年间的存款，而且能够预算在以后退休年间的花费，使这种花费尽量与累积的存款水平相当。第二个不同点是没有付款的时间限制；只要人活着这种好处就会持续。对照起来，个人储蓄账户只有当平衡维持时才能支取金额。第三点不同，也是重要的不同，是社会保障制度拥有上百万的参与者，他们共同存款，同时制度从这一共同的存款中为年长者提供费用。我称此为模型的原因是社会保障制度的执行者、社会保障管理机构，在未来任何给定年份，必须对将有多少人参加工作和作贡献以及多少人退休和接受钱款做出估计。而且，他们必须对人们将来的寿命做出估计。此外，在未来的几十年内他们必须一直倣这样的估计。因此，不难理解与社会保障制度的财政能力相联系的不确定性存在的原因。 当20世纪30年代引入社会保障制度时，为了确定每个工人必须为共同存款贡献多少，管理者对家庭规模、移民趋势、就业水平、退休年龄、预期寿命和未来利率做了有见地的猜测。那些估计准确吗？对于任何从专业角度仔细思考这些主题的人——人口统计学家、经济学家、保险精算师——都不会对“最初计算中用到的估计并没有与20世纪所展现的现实完全一致”这一现象感到吃惊。20世纪30年代的预言与随后70年的实际进展肯定是不同的。 在20世纪末的不多的几个10年内，对社会保障制度的供给开始落后于支取，其中的原因部分在于家庭变得更小，提供的劳动力更少；另一部分原因在于人们的寿命更长了。1935年，在美国人口中，只有650万人（约占人口5%）的年龄超过65岁。到2000年，超过65岁的人口已经增长到3500万，占到国家总人口的13%。在21世纪初，已经到达65岁的美国人将有一半活着。就像对天气预测一样，人们试图对未来计划得越长远，预测就越变得越没把握和越不确定。 毫无疑问，在一个滚动的基础上，对于未来四五天的天气预报是精确的。能够取得这样的成功，原因在于无论在预测和现实之间出现多么小的差异，每天为未来做的计算都要进行调整以便减小这种差异。事实上，这种计算稍稍进行了修正以后，就会更好地对第二天的天气做预测。社会保障计算同样也经历了调整。当资金不足作为一种未来的可能性开始隐现时，受到国会批准的社会保障管理者，每隔几年要为工资增加一个基本的量以便为共同存款上税。近来，由于认识到20世纪发展的生命预期值在增加，因此能够从共同存款中支取全部救济金的人的平均寿命也慢慢地从65岁增加到67岁。甚至在今天，还有人在讨论是否应当增加共同存款的投资收入以便让共同存款和救济金进一步协调。 关于社会保障制度定量模型讨论的一个重要教训是，在对制度进行初始化时，人们无法预料使得预测模型对现实世界描述越来越不充分的所有不测事件。然而，有关未来的不确定性并没有阻止制度的引入，而且多年来，对制度的中期方向修正已经修改了制度并扩展了它的生存能力。在不确定性面前总是必须做出决定，由于有了社会保障制度的诋毁者归因于该制度的不充分性，对社会保障基本概念的保障制度的赞赏就始终存在并继续下去。 模型需要修改，这样它们会更好地代表它们模仿的现实世界。模型的改进来自于实验，在实验中模型要面对不断变化的条件和刺激，其反应或者反映也要被仔细观察。在湍流的特定条件下，坠毁的模型飞机一定要送回制图板进行修改。在社会保障制度模型中，一个人要能运行“如果怎样”（what if）实验，以便了解需要什么额外的财政收入来表达在下一个20年平均寿命延长5年的影响。模型和实验之间的界限几乎是透明的，因此让我们武断地宣布结束关于模型的这章内容，接下去讨论实验吧。 第八章 如果……让我们来看看会发生什么 只要一个人还在提出问题，他就不会是一个真正的傻瓜。 ——查尔斯·斯坦梅茨（Charles Steinmetz，1865-1923，1889年由德国迁居美国，后来成为美国通用电气公司的数学和电气工程师。） “实验”这个术语就暗含不确定性，要不然如果实验的结果是确定的，那为什么还要做实验昵？实验的目标是了解一个系统的新东西、未知的东西或者所知甚少的东西。实验是模型的自然发展，因为无论是概念的、物理的或数值的模型，都是对系统的简化表达，对模型进行的实验有助于我们了解模型的优势和弱点。从结果来讲，模型中包含的简化在许多情况下可能不妨事，但是在特殊形式下，模型会非常脆弱。在模型确认过程中，需要通过实验对它们进行检验。 就像模型的建立开始于一个概念——某东西如何被构建或起作用的智力想象，实验也是开始于某种被称为“思想实验”的东西。这些实验是探索假说的结果或行动的可能路径的智力活动。爱因斯坦是一位坚定的思想实验的提倡者；他关于相对论的许多早期概念来自于他对宇宙所做的“如果他乘一束光旅行，宇宙将会是什么样子？”（可参看《爱因斯坦文集》，第一卷，商务印书馆，1976年，第1-42页。——译者）的努力想象。 实验本质上是提出问题和寻找答案。一个好的实验会为一个适当的问题提供明确的答案。一个好奇的男孩也许会设计一个实验来回答“下落物体的加速度是多大”这样的问题。在他的实验设计中，他想象从一座高楼的顶层扔下一个保龄球。在扔之前，他将在下面每一层楼的窗户旁安排他的朋友，用秒表记录球经过每一个窗口的时间。当球下落时相邻两层所用的时间间隔是如何縮短的？对此问题的分析将揭示球在万有引力作用下获得速度的快慢程度。换言之，能够通过实验的再构造来检验一个假说或预测：牛顿爵士关于运动的第二定律预测自由落体的加速度等于下落距离的2倍除以所用时间的平方。如果观察显著偏离预测，那么实验者也许要对牛顿第二定律的真实性产生怀疑，或者一次又一次地进行实验来看看是否会得出同样的结果。后面的策略是科学家们检验彼此工作的长久方法。 其他的实验也许不是这样简单或直接。一位鱼类生物学家可能会问：“湖水中的杀虫剂会对小嘴鲈鱼的繁殖力产生什么影响？”然后她会在孵鱼卵的水箱里着手进行一项实验，其中每一个水箱杀虫剂的浓度是不同的。监视每一个水箱中鱼的后代数目和鱼的生存能力可能会提供一些相关的数据。但是在水箱中进行的实验会与附近由密集农业环绕的湖泊中发生的“自然实验”一样吗？除了杀虫剂流失之外，诸如酸雨和由上风向的发电厂产生的通过空气传播的汞等众多其他因素也会影响湖中鱼的繁殖力吗？湖中其他鱼类的存在和竞争会影响鲈鱼的成功繁殖吗？其成功繁殖又会取决于湖泊每年经历的温度范围吗？湖中鱼类的年龄分布会对它们的繁殖力产生什么样的影响？ 生物学家也许回答了由她的孵化水箱实验提出的有限问题，但是却留下了自然环境中真实发生的更大问题没有回答。自然环境正经历着一个自然实验，该实验条件受人类行为影响但不受人类行为控制，这些条件正在发生变化而系统也对此作出相应反应。显然，在实验室里模拟自然界是很困难的。与鱼类孵化实验结果相联系的不确定性比仅仅是在实验水箱中测量的不确定性要大。这更大的不确定性来源于实验是否很好地表达了自然中正在发生的情况。 实验者设计实验的方式对于实验的最终成功或失败是至关紧要的。常常设计一个实验来检验对于像“一个系统在各种条件下如何表现”这样问题的预见性想法。更早我们称此为概念模型。在鱼的孵化实验中，有一个假设：水中相对低浓度的杀虫剂对于鱼的繁殖力没有影响，唯一的实验变量是杀虫剂浓度。 关于系统行为的预见性想法，尽管在设计实验时几乎是必需的，但也可能成为实施实验和解释实验结果的阻碍。医学和制药科学频繁地使用以双盲协议（double-blind protocol）著称的实验程序，设计该程序的目的是将实验进行过程中引入的偏见减少到最小。在对一种新药的测试中，将要选择一群病人，他们之中有一半接受此药品，另一半接受安慰剂（Placebo）。然而在双盲实验中，无论是病人还是实施测试的研究者，都不知道哪些病人接受了药品而哪些病人接受了安慰剂。当然，通过先前对病人和治疗的仔细编码，将能了解到一些“谁接受什么”的信息，经过一段监护期以后，药品的效果能够从所谓的安慰剂效应中分离出来。这样一个过程实质上减少了因病人悲观地意识到他们被给予安慰剂或研究者鼓励已经接受实验性药品的病人所引发的对实验结果的偏见。 尽管预想几乎是不可避免的，但它很可能成为评估结果的絆脚石。如果实验揭示的结果同预想有相当大的差别那又会怎样？标准的科学传说是实验者被与先前假说相冲突的证据说服，然后改变他关于系统的概念。然而在现实世界中，时常会出现不情愿承认失败和轻易放弃个人假说的情况。也有一些实验者在暗示甚至证明系统运行方式的新概念的实验证据面前，执着地坚持他们最初的思想。在科学上，有一个重要的警告：“不要太依恋自己的假说。” 在地球内部 一些实验并没有提供一个直接的答案，它们只是缩小了可能答案的范围。在这些实验中，重要的结果是排除了对问题的一些提议性回答。例如，小孩子们经常问的、地质学家也努力回答的问题， “地球内部是由什么组成的？”得向凡尔纳（Jules Verne，1828-1905，法国科幻小说家。主要著作有《从地球到月球及月球周围》、《格兰特船长的儿女》、《环游世界八十天》、《海底两万里》。——译者）道歉，到地球中心的旅行实际上是不可能的。最深的矿井和最深的钻洞所达到的深度从现实来讲只是地球表面肤浅的小孔，我们从中得到的岩石样本代表的只是地球外层的物质。甚至通过火山喷发由自然提供的内部样本也只有最靠外层的大约数百英里。然而地球中心位于地表下几乎4000英里的地方。人类和自然对于极深地球内部的直接釆样仍然是达不到的。 然而并不是没有希望。我们能够从地震波（振动）了解到地球内部的一些东西。这些穿越地球内部的波，当它们又一次到达地表时，会告诉我们沿着这条路线遇到的物质的物理特性的一些情况。这些特性包括可压缩性、刚度和密度。于是地质学家面对的任务是确定什么物质在沿着通过地球内部的那条路线遇到的压力和温度的条件下具有那些特性。巨大的地球是由我们在地表找到的花岗岩、石灰石等岩石组成的吗？ 用各种备选的岩石做实验，对其施加巨大的压力压縮它们，将它们加热到几千度，以此模拟地球内部的条件，帮助我们确定它们的特性是否和地震波通过地球作深层旅行时所遇到的物质显示的特性相匹配。经过这样的实验之后，作为候选的花岗岩和石灰石被轻易地排除了。无论使用多大的压力和多高的温度来对付这些岩石，它们都不会显示地球内部的深层特征。特别地，再怎么对它们压缩，它们也不会达到甚至只通过地球一半路程时的物质的密度。但是另一种叫作橄榄岩的岩石，尽管在地球表面不常见，却与地球外半部的特性匹配得很好。 然而，没有岩石能够满足那些从最深内部观察到的特征。对于这一区域，我们必须抛弃作为候选的岩石，去寻找完全不同的东西。 诸如铁这样的重金属在岩石不满足测试标准的深度符合这些特征。因此，这些实验暗示的关于地球的大致图景是岩石组成的外半部（然而，原则上不是花岗岩或石灰石）包围着占据了内半部的金属核。因此，对于地球的内部组成，我们是否真正了解？我们不了解。但是这些实验在解释地球不是由什么组成时是确定的。例如： 除了地球表面一个非常薄的表层之外，组成外半部球体的岩石不可能是大量的花岗岩或石灰石，而且密实的内部根本不可能是岩石。通过实验测试的材料之所以有资格成为候选岩石，是由于这些区域可能是由这些物质构成，但是并不能排除满足这些要求的其他物质。因而地球的组成是不确定的吗？是的，从地震和实验室数据（和许多额外的间接证据），我们能够就关于地球的主要组成作出自信而有见地的断言，但是在许多重要的细节上，我们很少能够确定。 关于岩石力学性质的实验室研究也被用于理解地震发生的物理基础。当地壳岩石断裂时，地震就会发生，此时允许破碎表面任一边的结构（地质学家称之为断层）滑落越过另一边。在实验室研究中，将小岩石样本放在巨大的液压设备中，对其进行挤压、拉长或扭曲直至它们破碎，然后观察需要多少必要的“折磨”能够让给定类型的岩石破碎。 能够将实验室结果迅速进行外推来预测现实世界的行为吗？在这方面有许多告诫。在现实世界中，通过自然过程对地球地壳的扭曲一般是发生在千百万年的时间尺度内，然而在实验室，即使一个耐心的实验者，这些挤压和扭曲却发生在几天或几个月之内。这些物质在自然中接受缓慢的“折磨”，与它们在实验室相对快地接受“虐待”相比，所表现的行为是不同的。在现实世界，与一场大地震相联系的断层在几英里之上也许才裂开，然而在实验室的实验中，典型的样本被拉裂时的尺寸只有几英寸长。在更大的自然环境中，岩石种类的异质性在确定断层可能在哪里发生以及何时发生方面很可能扮演着一个重要的角色，然而在实验室，可能更多的是样本的同质性。对于地质学家来说，这只是一种生活事实。他们在实验室对地质过程的努力探索已面对显而易见的事实，这就是地球并不很适合进入实验室，而且人类没有以自然进程的速度来从事实验的奢侈时间。通过小的简化实验室模型对大的自然系统的行为进行预测是一件充满着不确定性的难事。 数值实验 数值实验的基础是对所研究的系统进行定量描述的数值模型。提供日常天气预报的数值模型运用流体力学的物理原理；国家经济的数值模型运用许多经济变量、政治变量和人口统计变量相互作用的经济概念。不必说，如果物理原理或经济概念是不完整的或不正确的，相应的对未来的预测也将是单薄的。从对复杂系统的理解是不全面的这个意义上来讲，未来仍然是不确定的。 因为数值模型存在于计算机内部，因此它们对“快速处理许多实验”负特别的责任，这些实验用于探索模型对于多种输入因素的反应。我们称这些实验为“如果怎样”实验。“如果我是20年而不是30年还清我的贷款，利息费用中的存款将是怎样”的数值模型，在一系列数值的“如果怎样”实验中成功地完成了每一步，阐释了许多成果，这些成果是许多不同输入计划说明书的结果。 在许多情况下，数值模型由于其成本低廉和多样性，在实验中已经代替了物理模型，因而它们能够在一个更广的变量范围内进行实验。人们在计算机内进行实验与在实验室中使用真实物质进行实验或者在风洞中使用飞机模型进行实验相比，能够进行更多的“如果怎样”实验。而且一些实验仅能在计算机上完成。我们不能通过直接的物理实验回答如下问题：“如果大西洋和太平洋不是被巴拿马地峡分割开来，地球气候将会如何？”但是我们能够创造一个大气和海洋循环的数值模型，这将使得在海洋和大陆的地理外形中随便选择进行实验成为可能。 美洲杯赛 每隔几年，全世界的帆船选手来到海边参加一个以美洲杯赛著称的重大比赛。这个比赛开始于1851年，当时只是在美国和英国的绅士水手间进行的精神竞争，今天已经发展成为一种包括公司赞助商和晦涩难解的技术规则在内的遍及全球的国际竞赛。不过，它仍然热衷于敏捷的航海技能以及在船体和帆的设计方面对技术优势永无止境的追求。正是在后一领域对于技术优势的追求之中，模型扮演着核心角色。 这一竞赛的早期历史中，新的船体设计实际上是在水中建造和进行测试以便了解在速度上获得了什么样的进展。但是这种反复实验的策略被证明是过度昂贵的（赛艇从来不是低廉的玩具）。后来，通过室内流体动力测试箱牵引或吹动的縮减尺寸的模型，代替了以实验为目的的全尺寸船体。今天，用于模型实验的竞技场在快速科学计算机里总是困难重重，在计算机里，流体动力学公式让虚拟的水与虚拟的船体发生作用成为可能。这样的研究是与在实验室或在自然环境下进行的实验形成对照的数值实验。计算机里的数值实验作为设计具有洞察力的源泉已经代替了水中的真实船体。通过数值模拟变化的风和海洋状况，测试船体和帆的外形来确定什么能够让一名熟练的选手弥补速度上的不足。最终，这样的实验结果必须接受海洋中自然条件下现实世界比赛的检验。 试验核武器 在依赖计算机模型和实验的方向上，更为大胆的步骤是应用于核武器设计和对它们的保存期限的评估。核武器的研制及其使用让第二次世界大战得以结束，自那以后，一个新的武器系列，既有更大的，也有更小的，被设计和试验来确保它们完成预期的任务。包含成千上万枚不同设计的弹头的军械库巳经通过原子能积聚起来，最初仅包括美国、苏联、法国和英国，但是今天，中国、印度、巴基斯坦，也许还有其他国家也已都在这一阵营中。到目前为止，核武器因为使用的缺乏，引起了一些对于“核武器在装配之后很长时间没有使用，现在是否能继续使用”的关注。因此，美国和其他可能拥有核武器的国家会引爆一个核装置来确定自从核武器制造以来在任何方面是否已经退化。在美国，这些试验在离拉斯韦加斯不远的内华达州试验场地下进行。对这些超出保存期限的武器的试验是现实世界的物理试验。 主要的核武器国家已经意识到核扩散的风险对国家安全的威胁也许比任何来源于新武器开发逐步增加的安全更大。因此，一个禁止核武器（新的和旧的）试验的囯际条约，巳经起草并置于国际谈判桌上。这一条约，就是著名的《全面禁止核试验条约》（CTBT），于1996年由美国总统克林顿签字，但没有得到美国参议院的批准。发生于2000年的争取参议院批准的辩论中，主要的争端是，这些没有定期试验的武器在多年之后可靠性如何，是否所有组件继续工作。 条约的拥护者主张不再需要核武器的开发和试验了，因为对于武器开发的物理和工程方面建立计算机模型已经切实可行，这种模型将会排除对真实武器进行真实物理试验的需要。至于可靠性问题，一个热核武器的运行包括电子组件、机械组件和化学（非核）爆炸以及没有被条约禁止的试验。因此关于这些组件正在老化的效应能够继续被进行研究，替换品或者改进的版本能够不时地被安装到贮存的武器上。尽管美国没有批准《全面禁止核试验条约》，但自1992年以来，它已经遵守了条约的规定。那时美国在布什执政下，宣布暂停核武器开发和试验。在暂停前后，武器清单的可靠性已经通过美国能源部的储备管理计划进行评估。这一程序强调三个行为：（1）进行对贮存武器的监控来检测武器在非核方面的缺陷；（2）维修或替换组件以消除任何在监控时发现的缺陷，（3）开展对老化过程的基础研究，当关于长期行为的认识提高时能够重新设计组件。 关于老化的研究既包括实验室试验，也包括受缓慢的原子衰变影响的特性的计算机模型设计。与核电站所消耗的燃料棒的安全贮存和保留相联系的许多问题，也出现在核武器老化的研究之中。钚的半衰期为24400年，它被使用在核武器中，同时也产生于核电站燃料的再处理过程中，钚在比实验室观察长得多的时期内，影响着外壳材料。这引起了对计算机建模和仿真的需求。 社会科学中的实验 如果像全球气候系统或热带森林生态系统这样的物理和生物系统在它们的复杂性方面使人畏縮不前的话，那么社会系统和人类行为的概念化和模型化方面的困难也同样具有挑战性。人们如何对人类贪婪、合作和利他主义的王国进行探索和量化呢？ 社会科学家已经设计了简单然而非常有趣的数值实验，这些实验被作为计算机“游戏”执行。探索贪婪和公平性方面的游戏被叫做“分割赌注”。这一游戏包括两名游戏者。有一笔钱，比方说100美元，放在桌子上。让一名游戏者决定他愿意与另一名游戏者分享这笔钱中的多大份额，然后将剩下的归他自己。然而，如果另一名游戏者拒绝这一分配方案，两名游戏者都将一无所获。 很明显，提供出价是有优势的，即使少于一半，也有着非常大的诱惑力让另一名游戏者接受它。另一名游戏者会接受10美元，让第一名游戏者留下90美元吗？虽然人们会想象无论怎样出价都应该被接受，因为要不然两个人都会一无所获。但是研究显示在这一水平上达成协议非常不可能。一个35/65分割如何？也许可以。一个50/50的分割无疑会被第二名游戏者接受，但是还没有测试他可能接受更少的可能性。在这一游戏中，对于一名游戏者来说，什么是让他的奖金最大化的最好策略？当游戏在相同的两名游戏者之间多次进行时，该策略进展如何？当有许多对游戏者同时进行游戏时，该策略如何发展？ 另一个计算机游戏，在理解人类如何进行合作和在什么条件下进行合作方面提供了很好的启示，此游戏被称为“囚徒困境”（Prisoners' Dilemma）这一游戏是在监狱中进行的，在那里有两个偷盗嫌疑犯被拘留，每一个人被独立询问。任一个嫌疑犯不知道另一个人告知警方的事情。任一个被拘留者能够提供证据让另一个人牵连到盗窃案中。警察没有实证，需要通过一个或另一个嫌疑犯的帮助来使案件揭晓。 每一个嫌疑犯在不知道到另一个嫌疑犯说什么的情况下，他将怎样做？如果任何一方都没有告发另一方，他们都将获得释放并且分享偷来的钱。如果两者都告发对方，他俩将都进监狱。但是如果一个告发对方，然而另一个保持沉默，沉默的嫌疑犯将入狱而另一个将获得释放并且独自拥有所有的赃款。因此，为了让一方指控守口如瓶的另一方，就要用比两人都沉默时所得更大的报酬进行诱惑。但是如果另一个同样这么想，也控告他的同伙，那么两个人都受惩罚，没有一方受益。这一游戏只有4种可能的结果。 1．两个囚犯都保持沉默，分享一半的钱； 2．囚犯A告发囚犯B，但是囚犯B保持沉默。于是囚犯A被释放并且得到所有的钱，囚犯B进入监狱。 3．囚犯B告发囚犯A，但是囚犯A保持沉默。于是囚犯B被释放并且得到所有钱，囚犯A进入监狱。 4．两个囚犯都告发对方，都进入监狱。 如果我们称保持沉默为一个合作行为（C），告发对方为一个背叛行为（D），那么这4个选择能够被总结为C/C，D/C，C/D和D/D。这种困境显而易见：沉默会赢得自由和一些钱，但条件是你的犯罪的同伙也这么做（C/C）。指控对方是一种能够获得两倍金钱回报的赌博，但条件是你的同伙没有告发你（D/C，C/D）。如果两个人都告发对方（D/D），那么两个人都被惩罚而没有任何金钱回报。 你的选择是什么？你是合作还是贪婪？你对同伙的评估如何？如果你和同一个人重复面对这一困境，和这一游戏只进行一次的情况做对比，你的行为会有所不同吗？ 在囚徒困境中，多个参与者彼此之间重复试验，从中会得出一些非常有趣的观察，那就是在同其他人相处时让受益最大化的策略。一个熟知的策略被称作“针锋相对”，其中第一个游戏者总是选择不告发另一个，除非在先前的游戏中第二个游戏者已经告发了第一个游戏者。在那种形势下，第一个游戏者通过下一次背叛获得平衡，有效地使用了“针锋相对”。如果第二个游戏者再次从失利中后退，那么第一个游戏者也回到了合作的姿态。这一策略具有一般合作策略的特征，但是如果遇到一个非合作行为时，就会直接报复。在单一的失利和报复事件之后立即回到合作姿态等同于不记仇。这一游戏在因特网上长期的试验中已经被千万人玩过，而且结果被广泛分析，用于知晓在人类相处过程中合作和贪婪是如何发展和进化的。“针锋相对”就如它的字面意思一样简单，也已经被证明是最大化长期收益的最有效策略。 “囚徒困境”的变体已经被发展用于诊断婚姻内外的关系，探索类似“如果一些人认为他们的事不会被发现的话，那么他们会不会欺骗他们的配偶？”这样的问题。社会科学家现在用数值模型和计算机游戏来表达类似的下列话题：人们如何对动机和团队利益进行反应？人们为什么会拖延？什么情况下犯罪率会下降？这些模型中的一些，比如说“分割赌注”和“囚徒困境”，是非常简单的，然而，其他模型却包含着大量的统计学和数学。它们的共同点是都集中于人类行为的复杂性和精细性。 无意中做的实验 不是所有的实验都是在受控的条件下精心设计和执行的。一些“恰恰发生”在不经意的情况下。然而从不经意的“实验”中可以学到许多东西。1990年5月，一艘装载亚洲货物去北美的集装箱轮船在北太平洋遭遇到非常恶劣的海况，一些装着运动鞋的钢铁集装箱从甲板上掉到水里并且裂开了，有约80000只鞋子被扔进了大海。这些鞋子小心翼翼地漂流着，一路上受到洋流的推动，直到它们沿着北美西海岸登陆。就这些漂流的鞋子来讲，知晓鞋子进入海水中的地点和它们最终到达的目的地，能够让海洋学家对洋流进行描绘和更好地理解洋流的宽窄以及由它们创造的旋涡是如何导致鞋子等示踪物的传送和分散。实际上进入海水的鞋子沿着加拿大和美国的海岸线到达了500多英里外的地方。这样一个实验也许已经被科学家想到并实施，但事实上整个事件是不经意的。实际上，这一实验在无意中已经又被重复了两次。一次是在1992年1月，装有29000个浴缸、玩具的集装箱在北太平洋被冲出船外，放出蓝色海龟、黄色鸭子、绿色青蛙到阿拉斯加锡特卡附近的海岸上。第二次是在1994年12月，34000双曲棍球手套“在海中失落”。 最近我去医院访问了一个朋友。在进入她的房间之前，我被要求穿上一件消过毒的长袍，戴上乳胶手套。我被告知在医院里散布着耐抗生素的细菌，我的朋友由于身患癌症已经很虚弱，在这些抗药性甚高的微生物面前就更加脆弱。这些微生物已经通过另一个不经意的实验获得了对抗生素的抗性——原本很容易通过其他方式治疗的疾病，却被漫不经心地滥开抗生素处方。当不必要使用抗生素却使用了抗生素时，医生们已经在不经意间让这些有害的微生物瞥见了医药库。细菌会利用这一机会通过进化机制来对付抗生素，因而在微生物与医药之间就会发生不断的战争。在兽医学中已经观察到类似的效应，在那里原先已被证明在对抗特定疾病时很有效的抗生素，牲畜已经不再对其产生反应了。类似地，为准备去热带地区的旅行者和士兵开的抗疟疾的预防药物已经逐渐地丧失了效力，原因在于疟原虫已经产生了对这种新武器的抗性。 臭氧洞 另一个大规模的不经意的实验开始于1929年，那时，为了取代当时令人不太满意的致冷剂（NH3）和二氧化硫（S02），杜邦公司开始将一种新型的无毒家用惰性致冷剂推向市场。前者虽是过得去的致冷剂，但是不仅易燃而且（或者）有毒性，在家庭中使用会引起危险。后者，这一新的杜邦致冷剂属于氯氟碳（chlorofluorocarbons，简写为CFCs）化学品家族，是氯、氟和碳的化合物。这些化合物，除了具有极好的致冷特性，还有许多其他令人满意的特性：如果泄漏出冰箱，不会燃烧或爆炸，对健康没有危害，不溶于水。 第二次世界大战后，发现了CFCs的其他用途。这种作为气溶胶能够被有效配送的产品，被证明是很好的推进燃料。毕竟它们与和它们混合的物质不发生反应，也不溶于这些物质。在压力下它们能够被压缩，当释放时能够用作推进燃料。很快，它们成为头发喷射剂、臭虫喷射剂、空气清新剂、喷绘涂料和作为气溶胶喷到目标的许多其他产品的推进物的选择。不久，CFCs也用于诸如聚苯乙烯泡沬塑料和聚苯乙烯之类的刚性泡沫产品的包装和绝缘。在家用冰箱之外尤其是在建筑和汽车空调领域，其致冷特性发现了新的用途。CFCs的确是一个了不起的产品，服务于非常广泛的各种需求。然而，当它们广为普及时，一种不经意的副作用逐渐显现出来：CFCs分子已经上升到地球的平流层，在那里它们成为破坏平流层臭氧的主要元凶。 臭氧是氧气的一种特殊形式，其中，在单个分子里有三个氧原子。普通的氧气占了地球大气组成大约20%，仅包含两个氧原子。在平流层臭氧是通过自然过程产生和被破坏的，经过很长时间获得一个非常稳定的平衡浓度。虽然其浓度在大气中甚至远远不到1%，但它扮演着非常重要的环境角色：它过滤掉许多来自太阳的紫外线。 这种射线对健康有害，因此平流层中的臭氧，即使浓度很低，仍然是一种非常有益的成分。不幸的是，正是那些使CFCs成为有吸引力工业产品的特性，也对地球平流层的臭氧造成始料未及的破坏。每按一下喷壶按钮，就会将CFCs放入大气。每一个废弃的电冰箱、每一辆装有空调的废弃汽车最后都会泄漏CFCs进入大气。惰性的CFCs一旦进入大气，是不能同其他大气成分化合的，也不能被雨水冲刷，因为它们不溶于水。CFCs累积在大气中，受风和天气作用，最终会有一些到达臭氧存在的平流层。一旦进入平流层，它们会打破存在于臭氧产生和被破坏的自然过程之间的平衡。 在平流层，来自太阳的紫外线会提供足够的能量，从CFC分子中分离出氯。这些对氧充满贪婪喜好的游离氯，发现臭氧分子并进行攻击。它们会拖掉并捕获三个氧原子中的氧原子，因此臭氧分子降级变成一个普通的氧分子。 然而，拥有新捕获来的氧原子的氯原子是短命的。单个漫游的氧原子群，发现被氯原子包围的氧原子，会拽出氧原子并与它形成另一个普通的氧分子。这时刚刚被剥夺掉氧的氯原子，会寻找并找到另一个臭氧分子进行拆分。因此单氯原子会变成一个重复的冒犯者，在一段时间内捕获许多臭氧分子。由于这一过程没有得到控制，因此这会很快导致灾难性的臭氧损耗。然而，氯也能够稳定地与其他分子结合，从而离开与臭氧的战争。不幸的是，这一隔离氯原子的过程进行得特别慢；单个的氯原子在它最后被捕获或从平流层被清除之前，会回过来成千上万次地攻击臭氧。 由氯原子造成的臭氧破坏在南极洲的南极点区域尤为明显。在那里年度基础上的平均温度是寒冷的-45°C（-50°F），在阳光彻底消失达6个月之久的极点冬季就更加寒冷。这种极度寒冷促进了平流层中微冰晶体的形成。经过漫长的冬季黑暗之后，当阳光返回时，这些晶体的表面为反应的进行提供了场所。这些反应是：当返回的阳光提供能量时，将带有惰性氯的化合物转变成其他能严重破坏臭氧的物质。这些物质很快会对平流层的臭氧造成破坏。可以说，这是南极洲上空发生的一个惯例。 自从20世纪80年代早期，暴露于紫外线的南半球更大区域，南极洲上空的臭氧破坏逐年增加。自1987年以来，根据《蒙特利尔议定书》这个国际条约，CFCs产品实际上已经被淘汰了，工业化学家已经采取措施来寻找扮演许多重要角色的CFCs的替代品。然而，虽然进入大气层的CFCs在逐步减少，但引入CFCs所带来的未曾预料的效应将持续到本世纪下半叶。 认识到“CFCs正在引起南极洲平流层臭氧的破坏”这一现象是一个科学探索故事的结果，这一故事最终导致发现这个相关过程的科学家获得诺贝尔奖。但就是这一故事，在前迸的道路上遇到许多怀疑者，最初也引发了许多抵制。部分抵制的出现是因为在原因和结果间存在着很大的概念上的差距。有人认为普通的人类活动，例如像头发喷雾剂的使用，怎会对地球大气产生显著效应，这无异是一个异想天开的概念。带着一个大的星球的微小居住者的人类形象，我们已经成长，这个形象显示自然力比我们能够做的任何事情强大得多。我们已经进化到对于我们能够看到、听到、摸到、嗅到的事物和紧靠我们的环境中也许是一个威胁的事物产生警觉。在20世纪，意识到人类活动的缓慢积累，能够作为总体以同样对我们形成威胁的重要方式影响整个地球，这是智力的延伸。 关于CFCs和臭氧损耗的不经意实验具有那种让人惊醒的有益效果，它使科学家和许多其他人意识到人类已经对全球环境造成的总影响。发现损耗并确认原因的科学研究以及最终导致朝着补救釆取国际措施的政治反应，在某种程度上已经为“世界所面对的一个更大的不经意实验——全球气候变化”做着准备。 变化多端的气候 也许，人类历史上最大的不经意实验——全球气候变化，当前正在进行中。在这一实验中，兴趣的焦点在全球气候系统如何应对大气中日益增长的二氧化碳水平。在大气组成表中，二氧化碳排在第四的位置，远在氮和氧之后，氮和氧两者加在一起占了大气总体积的99%。二氧化碳甚至排在剩下1%中约占十分之九的氩后面。在1750年，恰逢工业革命进行当中，二氧化碳占据了大气体积中每百万单位中大约280个单位（ppm），或者大约0.028%。今天，在经历的二氧化碳水平已经增加到约380ppm。而且，实质上在有关未来全球人口、能源使用、技术变革的每一份合理方案内，二氧化碳浓度在21世纪下半叶早期将要增长到500-600ppm左右，浓度大约为工业革命前水平的两倍，这是一个比过去50万年以来地质记录中所见的都大的水平。 我们需要关注占大气总体积的一小部分的这一微小大气组成的变化吗？回答显然是肯定的。无论体积大小，二氧化碳通过作为温室气体的行为，在调节地球表面的温度和气候中发挥着极为重要的作用。温室这一术语指某种大气气体捕获地球表面发射能量的能力。二氧化碳、甲烷、水蒸气、CFCs和以恒量存在于大气中的其他气体成分显示了这种捕获特性。而且我们应该为出现这些温室气体而感到高兴，因为如果没有它们，地球表面温度将远在水结冰的温度以下，我们的星球家园将成为一个冰库。在地球上我们之所以拥有海洋、湖泊和河流，而不是冰河、冰冠和海冰的覆盖，就是因为温室气体的存在。此外，我们知道地球在它的早期就已经有这些温室气体，因为在整个保存于水中的沉积岩的地质记录中，有充分的证据可以证明。水而不是冰的出现，贯穿大部分地球历史，需要持续时间很长的温室地毯。 最近几个世纪，通过燃烧煤、石油和天然气，大气中增加的二氧化碳正改变着地球的自然温室，使它作为一条覆盖星球的毛毯更为有效。就变化的海平面、减少的冰层、变换的降雨模式、极端天气事件、植被和农业的变化来说，地球的变暖在即将到来的时期将如何作用，还不完全清楚。但是许多变化已经在进行中，即便是补救措施马上开始，进一步的变化也是不可避免的。地球气候是慢慢的、递增的改变还是突然的、灾难性的改变，对这一问题的回答充满着错综复杂的不确定性。 公众对有关这一“自然”实验的持久而激烈的争论的反应，最初只是一种怀疑，这种怀疑与人们最初对于臭氧损耗的怀疑基于相同的原因。许多人发现以下现象是难以想象的：每个人的日常活动——为房间供暖、为房间提供照明和驾车——能够在大规模且强大的自然过程中扮演重要角色。此外，那些备受影响的工业开展了一些精心策划的、自我服务的公共关系运动，让公众认为科学是不成熟的而且也是缺乏说服力的。 已经被科学家接受但是同样受到人们怀疑的观点是，二氧化碳在地球上已经逐年增长到长久以来未曾见过的水平。不再会有有关“地球是否在变暖？”或“人类制造的二氧化碳是否正发挥着实质性作用？”等问题的许多科学争论了。现在讨论集中于“这一实验的结果会是什么？”、“我们期待什么样的结果？”、“要对抗或者适应变化的气候，我们该做些什么？”这些问题。我将在本书最后一章较为详细地回到这一伟大实验。 在地球出现人类之前的很长时期内，自然已经运行了许多这样的实验。没有一个我们能够重复，但是我们能够观察它们的结果。大陆已经从热带纬度漂移到极地区域，以前的海洋盆地已经提升变为绵延山脉，变化的海洋环流变更着地球的气候。地球上的生命，伴随着由地质过程引起的环境变化导致的物种出现和灭绝，已经具有许多转折点。我们只能够通过研究这些自然实验的结果尽力理解这些实验；我们无法重复这些实验，也没有能力去改变实验的条件。 在历史和地质意义上重建过去，包括提出问题和寻求答案，是多种实验的一种。但它不是我们设计或控制的实验；它是在我们尚未出生时就已经进行的一个实验，我们只看到了它的结果。我们想要理解产生目前我们所见状态的过程和环境，但是我们将遇到有关“我们重建的任何事件是否是实际上发生的事件”的不确定性。在下一章我们将深入钻研一些有关“重建过去”的特殊类型的不确定性，并了解是如何适应这些不确定性的。 第九章 重建过去 你能向后看得越远，你就有可能向前看得越远。 ——温斯顿·丘吉尔（Winston Churchill） 像考古学、地质学和天文学这样的历史科学，其不确定性表现为一种被称为“非唯一性”（non-uniqueness）的特殊形式。当试图理解事情为什么以它所运行的方式发生时，科学家们必须努力重建事件发生的环境，并对支配事件的过程做出假设。但是当我们努力重建一个历史事件时，我们面对的是一个不完全的记录。运用这种对过程只有部分理解的不完全记录对事件进行解释，也许有不止一种解释方法。换句话说，我们必须生活在非唯一性的阴影之下。在任何给定的时间，不完全的证据也许承认许多种解释，但到后来某个时间，额外的证据可能会排除一些可能性。 处理过去事情的不确定性是地质学家的一种生活方式，他们在重建自然历史的工作中总是用半块板或者不足半块板来工作。自然界并不是一个细心的管理员，随着时间的推移，结果必然是很长时间以前发生的事情的记录总会变得不全面和不完整。在他们理解和解释不完全信息的努力中，地质学家总是运用少数与解释他们的观察相关的临时假设来工作。这种思考的方式被钱伯林（Thomas C. Chamberlin）奉为神圣，他是杰出的地质学家、19世纪末20世纪初威斯康星大学的校长，后来成为美国科学促进会的主席。在1890年，钱伯林发表了题为《多种工作假说的方法》的文章。在文中他阐述了“不把一个人用于解释的全部鸡蛋放在一个篮子里”的观点。相反地，他主张，当一个人跑到一个黑暗的小巷时，应退回来并且选择另一条追求之道，越快，效果就越好。他称手头有很多替代物能够促进批判性思考，防止科学家形成思维惯性。钱伯林的观念在一位专家的名言中得到共鸣：“再没有什么比我们只有一个念头的想法更危险了。” 飞机掉下来…… 近些年一些空难已经提醒公众有关飞行的危险性，虽然要比在汽车事故中死亡的风险要小得多，但也不是无限小。1996年环球航空公司（TWA）800航班的坠毁，2000年法国航空公司协和式飞机的坠毁，还有2001年美国航空公司587航班的坠毁——这一切已经经历了广泛的调査，而且在重建和理解导致它们各自坠毁的事件中，继续存在着不同程度的不确定性。 由于TWA800航班事件发生得早些，对它的调査时间要比对其他坠毁事件的调査时间要长些，这一事件为讨论重建过去事件的不确定性提供了一个很好的例子。1996年7月17日，飞机在离开纽约肯尼迪国际机场前往巴黎的途中起飞不久，在长岛上空爆炸坠入大西洋，机上所有人遇难。对此，人们提出各种假说来解释这一事件，证据虽然不完全，但仍然从海上和其他地方收集以评估每一种假设的可能性。整个事件笼罩在关于究竟发生了什么的巨大不确定性之中。 随着1988年泛美航空公司103航班在洛克比上空爆炸，苏格兰的燃烧至今仍深烙在公众的回忆里。一点也不必惊奇，早期的解释'包括关于恐怖主义活动的各种假说：放到飞机行李架上的一颗炸弹；放在躲过安检屏幕侦查的乘客舱的一颗炸弹；与安全员同谋私运到飞机上的一颗炸弹；放在餐用服务容器中被带上飞机的一颗炸弹；被一名清洁工藏在飞机上的一颗炸弹；一次使用地对空导弹的恐怖袭击。 第二类广泛的假说集中在飞机的机械故障方面：飞机的爆炸性减压；飞机上厨房内部的火苗；发动机起火导致燃料箱爆炸；因静电或短路引起的燃料箱的爆炸。而第三类可能性包括一些不大可能但也有微小可能性的原因：被闪电击中；与小飞机的碰撞；与一群在高空飞行的天鹅相撞；或者导致飞机解体的剧烈空气湍流。 调查通过许多渠道进行。飞机几乎是通过从洋底找回的残骸完全重建的。对命运不祥的飞机的雷达追踪已被仔细检査。地面上的目击者和附近其他飞机的飞行员提供了证词。安检员、行李管理员、餐饮服务员、清洁工都被讯问。对相似的燃料箱进行实验，以确定爆炸在什么条件下将会发生。4年后，经过其33年的历史上最长和最昂贵的坠毁调査，美国国家交通安全委员会发布了一份关于TWA800航班坠毁可能原因的报告草案。对各种解释经过深入地分析和评估后，国家交通安全委员会否定了各种各样的恐怖分子假说。类似地，它逐一驳回了不可能的事件。 潜在的机械故障成为调查的焦点。最终强有力的证据指向一个机翼中燃料箱的爆炸，极具讽刺意味的是，此燃料箱除了装有燃料蒸气和大气中的氧气组成的易爆混合物之外，几乎是空的。这种混合物非常不稳定而且易燃，因为在起飞之前，飞机已经在烈日炎炎的停机坪上暴晒了大约3个小时，提高了燃料箱内部的温度。然而，究竟是什么引起空燃料箱的爆炸，仍然没有明确的、得到一致认可的答案。燃料规管线路的绝缘处受磨损是主要的疑点。不确定性存在于我们对TWA800航班悲剧的理解中，而且将一直存在。大约有10%的飞机残骸留在海洋底部，永久消失了。我们无法采访飞机工作人员来了解爆炸后命运攸关的几秒钟他们经历着什么。我们也不能让飞机在受控的实验条件下重新飞行来验证关于爆炸原因的一些想法。然而，即使有着一系列被承认的不完全的证据，可能的解释范围巳经被大大缩小了。现在一些解释与国家交通安全委员会在深入调查中拒绝的许多其他解释相比，有着更大的成为真实的可能性。然而，阴谋论仍在因特网上大行其是，包括宣称政府掩盖国际恐怖主义。这些理论的支持者在许多方面是“真实的相信者”的榜样，无论何种证据他们都有自己的想法。没有什么事实或逻辑推理会让他们改变信仰。因为他们没有能力或不愿意接受让他们最喜爱的信仰站不住脚的证据，因此我们必须把他们引入讨论中的不确定性放在一边。 不确定性也不是没有益处。由于我们不知道燃料箱爆炸的确切原因，我们被迫接受一些可能性，釆取补救措施来表达这一多样性。 是燃料箱太热了吗？也许飞机制造商能够安装更好的绝缘设备来保护燃料箱不受停机坪的热浪的影响。是燃油蒸气和大气的混合物太不稳定了吗？也许在燃料消耗时往油箱内注入惰性的氮可减少这种不稳定性。是燃料规管线路的绝缘层太薄了吗？一个较厚的隔热罩也许会有帮助。对于协和式飞机坠毁的调査显示飞机燃料箱非常脆弱，会被爆裂轮胎的碎片刺破。美国航空公司587号航班的尾翼故障导致人们将注意力集中在碳纤维合成物的耐久性上。对每个悲剧原因的调査从一开始就隐藏着不确定性。但在每一个案例中，调査揭示了一个先前未曾预料到的设计缺陷，并已经导致设计和材料的改进。简而言之，最初的不确定性激发了创造性思维；最终，商业飞机会比以前更加安全。 800航班的故事在哪些方面有助于我们理解科学的不确定性，尤其在重建过去方面的不确定性？历史学家、地质学家和考古学家例行公事地表述发生在很久以前的事情，他们总是必须处理一个不完全的证据。在理解人类的历史或者地球的起源和随后的进化方面，虽然说不上取得什么进展。然而，随着额外证据的累积和对概念进行的修正，我们已经了解了许多并且将会继续了解更多。即使一些假说被扔在一边，然而关于实际上发生了什么的不确定性仍将存在。 在法庭上 不完全证据、不准确证据、互相冲突证据成为准则的另一个发生地是法庭。在审判大厅，重建过去是经常发生的事情。谁做的？这一问题及其无数的变量在审问、回忆、推测、法庭辩论或者实物证据、心理状态和更多的方面被表述。每一诉讼的案例都涉及关于发生了什么的具有竞争性的说法（在科学上，就像本章前面提到的，这被叫做多种工作假说）。 不完全证据？就像我们在著名的麦克维（Timothy McVeigh，是指1995年美国俄克拉荷马城炸弹爆炸事件，该案件造成168人死亡。该爆炸案的元凶为麦克维。——译者）案件中了解到的，麦克维是1995年俄克拉荷马城政府大楼爆炸的罪犯。在更通常的环境中，一个遗嘱的附件也许已经不见了，展示给法庭的婚前协约仅包括她的资产，或者杀人犯的凶器和逃跑的轿车再也找不到了。 不准确证据？一个关于来自杀人嫌犯武器的子弹的弹道试验无意间被贴上来自不同手枪的标签。一个证人证明逃跑车辆的牌照是COR-134，但事实上是C0P-1B9。而且随着犯罪和审判之间时间的流逝，记忆变得模糊，证人可能死了，证据也消退了。 冲突的证据？原告证人证实，在犯罪时间内被告在犯罪现场，然而被告证人证实被告在2000英里外的地方和他们在一起。犯罪现场的指纹是被告的，但是杀人凶器上的血迹既不是受害者的也不是被告的。一个公司的总裁被卷入一桩产品诉讼案中，根据一些内部档案，他是知道这个公司产品中存在安全危险的；而根据其他档案，他并不知情。 法官和陪审团必须经常对竞争性的说明、不完全证据和错误证据、完全冲突和经常虚假的证词进行详审。他们仔细倾听陈述，权衡和评估证据，并做出决定。陪审员不允许随意寻找更多证据或者参加冗长的研究，这种选择可能会澄清重要而含糊的论点。他们不能为了等待可能会减少围绕案例的不确定性而推迟做出决定。他们要做出的是一个“合理的怀疑之外”而非百分之百确定性的裁决。 陪审团曾经犯过错误吗？我们知道他们犯过。但是我们也知道判罪有时和新的物证是背道而驰的，它放弃证词或者放弃随后其他人的招供。我们接受法制系统的不完美，原因在于宪法赋予了与我们地位相等的陪审团加速判决的权利带来的更大好处。我们承认法庭是一个不整齐的场所，在那里所做的决定通常是正确的，但是偶尔也会犯错，那些决定是在不完全证据、不准确证据或互相冲突的证据面前做出的。 在水下 对能够处理不完全、不准确而且有时是冲突的信息所带来的好处的一个奇怪但又很有趣的确认，是从第二次世界大战后对成功的潜艇艇长所具有的品质研究中显现出来的。在这项研究中，确定一名成功的艇长很简单：在战争中活下来的艇长是成功的，而在战争中死去的则是不成功的。研究在许多因素之间进行了调査，包括什么样的教育背景会引起他们成功或不成功。这项研究得出的结果是：在诸如地质和经济之类的领域受过培训的人更容易存活，然而数学家或理论物理学家在战争中更倾向于死亡。 为这一结果提供的解释是：在水下攻击，潜艇人员工作在以不完全信息、不准确信息和冲突的信息为特征的不利环境中。声学的听力装置提供了有关敌人位置、敌人活动的一些信息，而且当靠得不是太近时，爆炸的深水炸弹能够提供一些敌人攻击计划的信息。地质学家、经济学家本身是习惯于用不完全数据进行工作的科学家们，更能够合理而准确地阐明正在发生什么和采取什么样的规避行动。相比较而言，数学家和物理学家，习惯了根据定义好的公理和规律进行高度结构化的科学思考，反而不能更好地处理这些观察。这些观察在严格尺度内不容易匹配，或者更糟的，看起来还相互冲突。潜艇战是一个非常混乱的形势，经常掉到数学家和物理学家习惯的结构化逻辑的外面。当他们对形势的不完美、逻辑结构的缺点或漏洞烦恼时，他们被一枚深水炸弹所击中。 数学家和物理学家的致命缺点是他们本能地厌恶那些与他们熟悉的理论框架匹配得不是很好的问题，而且也厌恶那些留下太多的选择来评估的不完整信息。他们习惯于解决具有一个正确答案而不是具有许多可能答案的问题。诸如地质学和经济学之类不太成熟的科学，就很少有这样的限制。因此，对于具有这样背景的艇长来说，他们更多的是靠直觉而较少靠分析。因此随着事情的发展，他们更容易幸存下来。 2+2=4，但是“？=4”意味着什么？ 数值模型通过缩小通向历史性结果的可能路径的范围帮助我们理解过去。科学家在运用计算机研究事情是如何进展以及为什么那样进展时，有时运用一种被称为“反演”（inversion）的数学运算。“反演”模型让我们在一种定量的基础上进行重建。无须对“反演”的数学基础进行深入钻研，人们能够轻易地把握这一方法的逻辑。考虑熟悉的问题：2+2=？。在该问题中我们假定两个数（2和2）和一个来组合它们的规则（+）；通过使用这些符号的常用含义，绝大多数人会得出容易接受的答案“4”。当这两个数和我们操纵它们的规则是直接而清晰的时，结果就会是唯一的。我们称这种计算类型为“向前”（forward）模型，在此模型中，我们提供了配料和配方，获得一个唯一的结果。 现在让我们考虑这一问题的一种变体，仅规定“？=4”。这是一个反演问题，一个重构问题，这里我们给出了一个结果4，要求确定是什么导致这一结果。立刻会有人抗议，“这是不公平的，有许多方法来产生4的结果！没有‘正确的答案’。”的确，这里有许多方法产生4=5-1，3+1，8÷2；2×2；16的平方根，当然还有我们最喜欢的2+2。而且我们不必把我们的选项仅仅限制在增加整数。3.47+2.85-2.32如何？你也可以得到同样的结果。数学家告诉我们实际存在着无限方法来产生这一给定的结果，有无限多的说明可以解释这一给定结果的存在。因此，我们做些什么？放弃我们无用的手吗？抱怨问题不可解决就放弃吗？不，我们要尽力运用能够帮助我们缩小可能性范围的其他信息。 根据一个现实世界的例子，想象一个盒子放在桌子上，我们被告知盒子里装有4美元。要求我们确定盒子中的纸币和硬币是怎样进行组合的。这是关于“？=4”问题的一个例子。我们如何縮小可能性的数字范围？首先快速晃动盒子，显示里边没有硬币哗啦哗啦响，这样我们只需要处理纸币。对此问题的仔细思考能够让我们得出结论：我们正在处理加法的过程，也就是说，我们的问题是纸币如何组合加起来才为4美元？下一步，我们回想面值不足4美元的钞票只有1美元和2美元。现在我们能够取得一些进展。仅有三种可能：两张2美元的纸币、四张1美元的纸币、或一张2美元纸币和两张1美元的纸币。对于“？=4”的这样一般问题的无限多种回答，通过将加法知识运用到手头的特定问题的方式，已经减少到只有三种回答。一个人通过运用从美国财政部获得的信息能够进一步推断货币流通中1美元纸币和2美元纸币之间的相对充裕性，并对三种解决方案中不确定性做概率估计。尽管不确定性依然存在，但是它已经大大地缩小了。 找到一个问题可接受的解决办法的另一个方法是穷举法（brute force method），此方法主要是试验多种临时的答案并检査每一种答案是否有资格成为可能的答案。例如让我们研究“？=25”的问题。此例子，就像我们先前的例子，有无限多的解决办法。但是如果我们在这一过程上加一些额外的限制，我们就能够縮小可能的解决办法的范围。让我们限定求的是两个正整数的和（整数，不是分数），接着给计算机编程序来试验许多不同的组合，并将加起来和等于25的那些数字一对一记录在列表中。这样做，实际上是让计算机构建一大堆“向前模型”，并且对每一个模型进行检验，看其是否适合作为解决问题的一种办法。 计算机很少抱怨这种单调的工作，但是我们通过以下的方法能对计算机有一点点帮助：很明显，每个数字必须小于25，否则它们的和不可能是25。因此，我们告诉计算机通过取1和24之间的数来对这些数字进行限制。而且，我们知道25是一个奇数，因此两个偶数，或者两个奇数加起来不可能为25。因此当计算机随机地生成两个数进行相加时，我们告诉它除非这两个数是一奇一偶，否则没必要把这两个数加起来。然后我们让计算机不受约束，运用指令重复使用这种操作5000次。 每当计箅机找到一对这样的数字时，它就把它们加到可能解决办法的列表中。但是由于每次试验时并不了解前面的试验，因此完全有可能在5000次试验中不止一次地找到相同一对数字。因此在把这对数字加到列表上之前，我们让计算机检査这对数字是否已经存在于列表中，如果是这样，就记录下这个数字重复发生的次数，然后接着试验另一对数字。在5000次试验后，计算机打印出如下的一个列表： 1+24（4次）7+18（5次） 2+23（7次）8+17（4次） 3+22（3次）9+16（3次） 4+21（6次）10+15（6次） 5+20（5次）11+14（4次） 6+19（4次）12+13（2次） 在5000次试验中，计算机发现加起来和为25的整数组合共有12对。此外，它还发现它们之中每一对重复的次数，并相当自信不可能错过任何的组合。尽管当随机选择数字时，肯定有可能错过一种或多种对于问题的解决办法。如果我们只取100次数字，将很可能错过一些满意的组合。试验的次数越多，你将发现更多的甚至全部可能答案的概率就越高。但是在一个实际问题中，你将不能确切地知道你没有忽略一些解决办法。我们运用额外的信息大大縮小了研究的范围，有助于接近我们有理由认为解决办法可能会出现的数字的范围和类型。 在现实世界的更广泛的背景下，选择到哪里去寻找解决办法是寻找答案的重要组成部分。就像探测金矿一样，如果你知道一些关于先前发现的金矿的地质环境，那么至少与在完全随机的基础上去寻找相比较而言，你找到新矿藏的机会就会大大增加。 这种寻找满足问题所有条件的结果集合的穷举法叫做蒙特卡罗（Monte Carlo，蒙特卡罗方法，也称统计模拟方法，是20世纪40年代中期由于科学技术的发展和电子计算机的发明，而被提出的一种以概率统计理论为指导的一类非常重要的数值计算方法。是指使用随机数（或更常见的伪随机数）来解决很多计算问题的方法。与它对应的是确定性算法。——译者）反演，它通过概率法则来确保以下目标的实现：如果你以设计很好的搜索方式试验足够多的可能解决办法，很有可能你会找到许多满足所有要求的解决办法。实际上，蒙特卡罗方法只是向前模型的一个重复应用。总的来说，这一方法定义了问题的可能解决办法和不可能解决办法，而且对于可能的办法，发展了一些针对每一可能性的概率估计。真正的科学问题，比我们刚才研究的简单例子要复杂得多，有时要对千万个可能办法进行试验来发现那些满足我们所加的全部条件的相对较少的解决办法。 蒙特卡罗分析的一个例子和解释近来沿着格陵兰岛大冰原钻的深钻孔观察到的温度分布线图相关。地质学家测量地球内部的温度有很多原因。一个原因是确定有多少热量从较深的内部流向地球表面，此热量是随位置不同而不同，并且和地形构造的稳定性相关。第二个原因是为了重构地球表面温度的历史，以便及时对后面地球的波动性气候有所了解。因为气候的变化发生在地表，地表下的物质将感知这一变化，因此后者的努力是可能的。结果，几个世纪以来延长的冷却过程将影响约1000英尺深的岩石温度（或者冰的温度，就格陵兰岛钻孔事例而言）。一个冰期将让3000英尺以下的岩石受到冰冻。 任何地上凿洞内部的温度分布线图是由向上流动的深层热流和向下传播的气候波动组成。对在格陵兰岛冰洞内测量的温度进行蒙特卡罗分析，试验超过300万种深层热流和表面气候历史的混合，这些试验中仅有2000个能够充分解释实际所测量的温度。这2000个解决办法中的绝大多数显示了共同的特征，虽然它们没有以100%的确定性告诉你什么确已发生，但是对于格陵兰岛所在位置的实际气候所经历的历史来说，它们定义了一个相当小的范围。 贝叶斯和地上凿洞 在科学观察的世界中，科学家经常面对观察和不相配合的解释性假说。这就好像努力把一枚方钉钉到一个圆洞里。方钉与圆洞不是很适合，但这是钉子出问题或者洞出问题了吗？对于每一个而言，做什么样的调整能够让它们兼容？一个更大的洞或一枚更小的钉子可能是一种解决办法。一个不很圆的洞和一枚不很方的钉子，可能也很好地适应。“反演”的一种类型，以18世纪英国牧师贝叶斯（Thomas Bayes，1701-1761，英国牧师、数学家。曾经试图利用概率论证明上帝的存在。写了题为“机遇理论中一个问题的解”的文章，成为贝叶斯学派的奠基石。他的贝叶斯分析主要是采用过去事件的知识预测未来事件。——译者）命名的贝叶斯分析，给了各种场景下概率的数量分析，这种场景的条件是一个人对此事例中的各种因素有不同程度的把握。如果我们有理由相信钉子的形状并不比洞的形状容易理解，贝叶斯分析将估计这两者的最可能的形状，与我们先前关于钉子和洞的知识以及对它们为什么不匹配的感觉是一致的。贝叶斯方法与更加传统的概率估计方法相比，在概念化方面有相当的不同，原因在于它允许科学家进行判断，这些判断是对所研究问题中的所有因素的了解程度和把握程度进行表述。 概率估计中更传统的方法被称作频率论者（frequentist）方法，此方法通过一个事件发生的频率来进行推断。在经典的硬币投掷问题中，我们要问在任何给定的投掷中，我们观察到硬币正面或硬币反面的概率是多少。频率论者会投掷许多次硬币，把正面朝上和反面朝上的次数列成表，从正面朝上和反面朝上的频率中计算概率。然而贝叶斯分析，也许对此问题的处理相当不同。显然，只有两种可能的结果，通过求助于以前关于在空中翻转的金属圆盘的物理学知识，试验者能够确定这里没有物理理由让硬币的正面优先朝下或朝上。这种先前的知识暗示了硬币正面或反面具有相等的概率，不需要在试验上多次投掷硬币就能得出这一结论。 当我们在选举之前检查民意测验的结果时，我们已经讨论了一个频率分析的例子。“候选人史密斯的总得票数落入38%-46%的范围有95%的概率”的声明意味着，如果投票重复100次，候选人史密斯的总得票数将有95次落在此范围内。频率论者视概率为发生的频率，他根据“如果一个人多次重复一个试验，会得到相同结果”的可能性来评估一个假说。贝叶斯分析家并不思考重复一个试验而是提出这样的问题：“这种单一的观察同多少种假说一致？”就像在钉子和洞的例子中，它将确定对于钉子和洞做什么样的调整能够使试验和它的解释前后一致。 在我自己的地质学工作中，我运用贝叶斯分析来推断最近地球表面的气候变化。就像我在“作者自我介绍”中简单提到的，我的研究集中在测量地球的温度。这种测量是通过将地球岩石凿洞到地球表面以下几百米的深度来完成的。我们沿洞的方向放置一支灵敏的温度计，大约每隔10米略微停一下来读取温度。这样就得到了一系列温度测量值，通过这些测量值总的来说能够画出沿凿洞方向的温度变化线图。在以上关于蒙特卡罗分析方法的讨论中，我提到了一个在格陵兰岛测得的温度变化线图。我和国际同行已经从各大洲的700多个洞里收集了相似的图线，并且已经分析这些图线来重建这些洞所在地在历史上经历的表面温度。 在这种背景下，一个贝叶斯分析进程如下：我们收集了一些在不同深度下温度的测量值，常常也能在钻孔期间，获得洞所在深度处的岩石样本。我们能够测量岩石的热传输特性来确定它们传导热量的能力强弱和速度快慢。这一物理特性在估计地球表面的热量向下传输所花费的时间以及影响不同深度处岩石的温度方面扮演着重要的角色。当然，回想起来，温度测量和岩石特性的测量都有着许多的不确定性，这些不确定性是与测量岩石热传导能力所用到的温度计和其他仪器相关联的。 下边我们做一个有根据的猜测（即提出一个初始模型），此猜测是在我们知道岩石的热传输特性的情况下，什么样的表面温度历史是造成我们观察到的地表下温度的原因。这一初始模型是验证它与观察的兼容性的一个假设。此兼容性试验对于地表下温度以及计算的温度与观察到的温度的兼容性来说，需要对最初猜测的结果进行计算。 观察到的温度和计算的温度永远不会完全相同，因此计算机必须寻找这些或大或小的不匹配发生的原因。是沿着地下凿洞方向的温度测量和深度测量方面的不确定性引起的还是确定岩石特性方面的不确定性引起的？是因为岩石取样不充分，从而我们没有看到岩石热传输特性中的一些重要变化吗？是因为我们对温度历史的最初猜测不合适吗？是因为我们用于计算向地下传播的地球表面的温度变化所用到的热传输理论不充分或不完整吗？ 贝叶斯反演会把所有这些因素加以考虑，在这些不匹配当中，对于有多少是测量错误引起、多少来自不充分的釆样、多少来自热传输机制的不全面描述、多少来自对历史的粗劣猜想，它都会做出最好的估计。接着它会建议这些数量中的每一个必须如何改变才能达到相互一致。人类解释者将告诉计算机有多少可调节的余地。而且正是在后者的努力中，即估计在测量中、理论上和在对地球表面温度历史的最初估计中有多少可以调整，科学的判断和经验发挥着决定性的作用。 这里有两种极端情况经常由于过分严格被迫摒弃。第一种情况是，科学家坚持他（或她）关于历史的最初猜想是绝对正确的，而且如果地表下的温度没有同它相一致，那么温度测量就有一些错误。这是我早先提及的一个严格例子。“我的思想形成了——如果观察和我的模型不一致，那么就要在测量中寻找错误来解释这种不一致。第二种情况的严格恰恰与第一种相反，“观察是绝对正确的，如果模型计箅与这些观察不一致，那么模型计算所依据的模型或理论需要被修正。” 当然，在实践中，我们知道在测量中具有不确定性，而且我们采用的热传输理论只是对于热通过岩石如何运动的一个近似描述。我们肯定不相信我们会预先完全知道表面温度的历史。我们考虑了一定范围的灵活性，计算机在其范围内能够对这一问题的每一部分做调节，而且会告诉我们这个拼图板的每一部分是如何最好地组合在一起的。 在关于岩石温度的解释中，我们对气候历史最初做了一个保守的猜测，认为最初根本没有气候变化。这被称作“零假设”（null hypothesis）。在提出零假设作为最初猜测的同时，我们也告诉计算机如果温度观察沿那个方向推动，我们将偏离保守的假设，但是无论发生多大的调整，我们都要加以限制。下一步计算机调查地表下的温度，来看它们在为温度测量所指定的不确定范围内是否与这种假设相一致。如果在此范围内不能达到一致，那么计算机转而会将气候历史的零假设调整到同地表下的温度更兼容的程度。 在这一过程的结尾，我们会看到如何修正模型以便与温度取得一致的贝叶斯估计，同时如何修正温度以便与修正的模型一致。这是一个高度流动的过程，在这里问题的每一部分，观察、理论以及解释，对于一些调整来说是公平的游戏。允许调整的范围是由“我们关于每一部分了解的程度”的最好判断和“哪一部分最容易弯曲或者最不容易弯曲”的最好估计支配的。如果计算机到达一个绝境，即在我们对每一部分施加的限制内，它不能在整体（potpourri）之外再编造一个连贯的故事，那么它将发出抗议性的警告，称不能再帮助我们了。 不确定性与这一复杂菜谱的每一原料相混合，它也渗透在烹饪的说明中。但是贝叶斯反演过程不平衡地分配这种不确定性，最终我们更好地理解了存在于我们观察、理论、“回答”和重建历史中的粗略性。如果我们进一步拿烹饪做类比，以下的事情是完全可能的：那就是当我们离开厨房时，如果蛋糕已经坏了或烧焦了，我们得到的不仅是一个不完美的产品，也有对原料是坏的、菜谱是错的、火炉是失灵的或者烹饪没有按说明进行的概率估计。 从世界各地的700多个地下凿洞的温度变化线图中，对于气候变化，我们了解到了什么呢？它们讲述了一个不寻常的故事，它是不依赖于表面温度的测量，这些测量是通过气象学观察做出的，或是通过用于测量海洋表面温度的海上浮标和轮船做出的。地下温度显示岩石在过去的5个世纪温度已经上升了1°C（差不多2°F）。但是上述升温中，至少有一半是在20世纪单独发生的，另外有30%发生在19世纪。这一升温，就像在岩石中看到的，和从地表温度的观察所重构的升温记录完全一致。因此根据这些来自地面下的数据，证实了历史的表面观察中所揭示的关于全球变暖的迹象。 相关性和因果关系 在重建过去中，我们不仅想知道发生了什么事情，而且如果可能，还想知道为什么这件事情会发生。例如，我们知道恐龙是在中生代末期灭绝的，但我们也想知道是什么因素导致这种灭绝。为了帮助回答因果关系的问题，科学家经常试图了解是否某一因素以一种模式运行，这一模式暗示它可能与科学家努力理解的事件相关。在气候变化领域，“过去一个世纪中地球的平均温度有明显变暖的趋势”这一观念已经很好地建立起来甚至被很好地接受。但是是什么正在引起气候变化？是来自太阳日益增加的辐射吗？是由于燃烧化石燃料大气中增加的温室气体吗？是因为火山活动吗？或者可能是这些效应的一些组合引起的吗？ 气候科学家用来表述这些问题的一种方法叫做相关分析（correlation analysis）。在与气温重建相同的时间间隔内，通过重建大气中温室气体浓度的历史，我们能看到在20世纪气温上升的趋势伴随着大气中温室气体浓度上升的趋势。每一个行为看起来都有随时间变化相类似的模式，我们通过以下方式描述这种相似性：地球表面的平均温度和大气中温室气体浓度是正相关的。这一相关性通过计算一种被称为相关系数的东西能够建立在定量基础上。在没有检査这一计算复杂性的情况下，让我特别指出这一相关系数的一些特性：如果地球表面温度的每一个小的改变与温室气体浓度的相应的成比例改变，无论上升部分还是下降部分，都是并行的，我们计算出一个1.0的相关系数，称这两个是完全相关。如果一个的上升伴随着另一个的下降，反之亦然，我们计算出一个-1.0的相关系数，称其为完全负相关。如果一个的上升和下降看起来总是和另一个的上升和下降不相关，我们计算其相关系数接近于0。我们将说这两个是不相关的或可能不相关的。 然而相关性，与因果关系是不相同的。事情能够很好的相关，暗示着它们通过一些过程是相关的，但是过程本身并没有确定。所有统计学老师喜爱的经典例子是关于一个对火灾着迷的人的故事。 他跑到每一个报告火灾的地点，并及时指出市政府消防署的消防车已经到了。他对于火灾的逐日逐年的日志记录，证实了火灾发生和消防车出现之间的强相关性。从这一系列观察中人们能不考虑“消防车是火灾发生的原因”的推断吗？单单是日志只能证明这种相关性，关于“火灾和消防车哪一个在先”的更仔细的观察，对于确定谁是原因谁是结果是非常必要的。 另一个众所周知的相关性是疟疾在人均国民生产总值较低的国家有着较高的发生率。简而言之，疟疾和贫困在许多地方是手拉手前进的。不像地理学中关于火灾和消防车的相关性的虚构的例子，在那个例子中确定哪一个先来可能导致对原因和结果的理解。然而，疟疾和贫困相辅相成，每一个都是原因，每一个也都是结果。疟疾通过影响生产力、个人生产率、旷工、卫生保健花费、个人资金积累和国家资金积累等方面确实妨碍经济发展。但是落后经济由于不能提供公民的和公共的健康基础设施来消除蚊子繁殖区域，也不能提供医疗预防、治疗以及医疗教育，这样确实加速疟疾流行。从疟疾和贫困的相关性中，我们了解到，越富裕的国家，疟疾可能就越少发生；但是相反的情况就糟糕了，越贫穷的国家，疟疾发生的情况就越多。 有关“温室气体在气候改变中扮演的角色”的问题也进行了类似的研究。大气中温度和温室气体浓度的最长记录来自对南极洲长形冰核的分析。南极洲是高海拔和极地环境，那里的雪经年累积，每年的降雪都会被第二年的雪覆盖。柔软的雪几年之后逐渐被压缩成流动冰。一些进入雪中的空气被隔离在冰中的小气泡中。气泡中的空气是在降雪和再结晶之间间隙内的大气样本，分析此气体可以揭示大气中的温室气体在被封锁和保存之前丰富度如何。 南极洲极地高原钻探差不多已经穿透了4公里的雪和冰（12000多英尺），这些雪和冰是在过去的420000年积累而成的。雪沉淀处的温度能够通过每一冰层的水分子中氢同位素比例（重氢比氢）来确定。对气泡中空气的化学分析已经显示温度的变化和大气中温室气体浓度的变化是十分相关的：当温室气体浓度高时，温度也高；类似的，当一个低时另一个也低。但是此相关性并没有告诉我们是温室气体的改变引起温度的改变，还是温度的改变导致温室气体的改变，就像火灾和消防车一样，一个详细的变化年表证明也许是有帮助的。一个是在另一个之前发生，或者反之亦然？在南极洲冰核包含几乎50万年历史的情况下，当某人努力在时间上往后看得越远，他对时间的分辨能力就减小了，问题仍然不能被明确解决。也许温度先增长，然后温室气体紧紧跟上来，或者沿相反方向变化。任一解释都需要让两者耦合到一起的一个机制。 这种耦合机制会是什么昵？几乎可以肯定，在全球气候系统中，它是第三方面的因素——地球上的生命。生命进入方程式是因为它是地球上碳循环的一部分。碳是所有生命形式（陆地上或海洋中大大小小的植物或动物）的组成部分。碳从先前的生物系统中进入大气有两种方式，一种是诸如植物死亡、腐烂；另一种是燃烧诸如煤、石油和天然气之类以碳为基础的化石燃料。燃烧和腐烂都涉及碳与氧化学组合产生二氧化碳气体。当大气中二氧化碳浓度增加时，海洋会吸收一些二氧化碳气体。 气候、碳和生命复杂地缠绕在一起，而且总是这样。其中一个变化会导致其他变化发生连锁反应。温度和大气中温室气体浓度强相关的重要意义并不是“小鸡和鸡蛋，谁在先”的问题，而是说明它们是相互强有力地联系着的。50万年来的气候行进到一起的相关性，就像南极洲冰层记录的，是“当一个变化时，另一个也变化”的一堂课。在当前背景下，当大气中的温室气体与前工业时代水平相比增长了30%多时，我们应当从过去吸取的教训是能够预料到温室气体的增加伴随着温度的增加。 意识形态的扭曲 重建人类历史有着与重建自然历史同样的困难：不完整信息、不准确信息和冲突的信息。但有时有另外一个因素会增加额外的扭曲。偶尔，通过有目的地缩减或删除所获得的信息，人类历史会被降低。当历史被迫通过意识形态的过滤，以一种“希望得到的国家形象”的净化形式出现时，这样的扭曲就产生了。在日本，一些中学历史教科书仍然忽略报告第二次世界大战中日本军队在韩国、中国、菲律宾和东南亚的其他地方等占领区所犯下的暴行。强迫妇女为日本军人提供性服务、细菌战的使用、残酷地对待占领区平民，这些是编写日本历史教科书的那些人更喜欢忽略的历史事实。 类似的，苏联在斯大林（Josef Stalin）统治下的历史许多年来被渴望忽略布尔什维克统治缺点的政府当局净化了。只有到了1989年铁板一块的一党制政府解体之后，俄国人在学校中才开始了解到残酷的1917年大革命以来的30年中他们政府统治的特征。而且对于20世纪的绝大部分时间来说，美国教科书也大大忽略了它在西部扩张，对国家土地的吞并，强迫美洲印第安人重新迁居等不光彩的方面。事实上，历史遭受扭曲不仅仅是由于来自一个不完整的记录，当历史学家应用了一个选择的过滤器时，也会发生扭曲。当科学被迫通过一个意识形态的过滤器时，科学也会遭受扭曲。如果生物学教师必须遵守神创论者的意识形态，就像在田纳西州发生的著名的斯科普斯（John Scopes，案子的核心是高中教师约翰·斯科普斯在公立学校课堂上讲授达尔文进化论，因而违反了田纳西州的法律一这条法律直到1967年才被废除。这一著名案件引起国际社会注意，名律师克伦斯·达娄（Clarence Darrow）为斯科普斯辩护。尽管斯科普斯被定罪并处以罚款（但从未被强制要求支付），大多数人认为，田纳西州从此案中所得的丑名与嘲弄，导致的结果是科学与进化论教学的胜利。然而此后的事实并非如此。在案子进行期间和结束之后，人们的情绪都很激动。多数出版商采取了在高中课本中忽略进化论的策略，为的是避免书的销路被争论所影响。一代又一代的美国学生并未接触到进化论这条生物科学最重要的基本原则。——译者）案件一样，对生物进化的理解一定会遭受困难。 过去总是融合着未来。今天是你昨天担忧的明天。对于继续越过当前边界的过程来说，对过去的理解是预测未来的钥匙。但是只有当过程和环境不随时间改变时，过去才是未来可靠的钥匙。然而地质学和历史告诉我们，静止的世界只是幻觉。未来是和过去相关的，它建立在过去之上，但它很少是过去的精确重复。在下一章，我们探索预测未来的不确定性和风险。 第十章 预测未来 想得太远是个错误，每时每刻只能抓住命运的一环。 ——温斯顿·丘吉尔 预测未来……前景是多么的诱人。预测未来对于许多人来讲已经成为一种职业。仅需要一点努力，我们就能发现算命者、巫师、看手相者、占星学家、神秘主义者、预言家、心灵学家和许多其他为了赚钱乐于揭示未来的人。但是我们都应该对任何神秘的通过特殊途径知晓未来的从业人员多些怀疑。甚至是使用不太神秘工具的经济学家和专业人员——气候学家、保险精算师和养老金管理者——发现遥远的未来是很模糊的，通向未来之路是坑坑洼洼、崎岖不平的。本章最重要的主题是：未来是一个移动的目标，预测它的特征总是困难的，而且试向前看得越远，预测未来就越加困难。处理这种不确定性，我的观点是发展长期的眼光，制定向前推进的计划。但是沿着这条路线，要准备进行许多方向修正，因为未来的展开与你已经预言的有相当的不同。 我们都听说过对于未来唯一确定的事情是死亡和税收。这个惹人喜爱的格言确实说明了未来大多充满着不确定性。然而，不确定性是不统一的，未来的一些方面比其他方面清晰。除了死亡和税收之外，我们应当确信我们将不能赢得彩票和太阳明天将要升起。未来的绝大多数其他方面位于不确定性光谱中的灰色区域。 事情的真相是，预测未来尤其是非常遥远的未来的确是非常困难的。许多不久前作出的预言今天被认为是偏离目标太远，甚至被认为是非常可笑的。让我们思考一下几个来自当时受人尊敬的专业人员的评论吧： 飞机是有趣的玩具，但不具有军事价值。 ——费迪南德·福煦（Ferdinand Foch），指挥官和战略学教授，法国军事学院，1907-1911 股票已经到达看起来永远是高原的地方。 ——欧文·费希尔（Irving Fisher），经济学教授，耶鲁大学，1929 我认为世界市场也许只需要5台计算机。 ——托马斯·沃森（Thomas Watson），IBM董事长，1943 我们不喜欢他们的声音，吉他音乐即将灭亡。 ——麦加唱片公司（Decca Recording Company），反对披头士，1962 也许我们会笑话这些例子，但是同我们对未来的思考相比，这些例子是对未来作长期预测的典型代表。未来的领域撒播着这样的偶然性，结果让人不能更加清晰地看见未来。然而，对一些预言作中期的方向修正，就能让它们沿未来的浪潮行进。20世纪历史显示，IBM发现将有一个比沃森预言的更大的大型计算机市场，而且对于家庭能有效使用的小型个人计算机来说，有一个灿烂的未来。IBM在20世纪80年代引入个人计算机就是对沃森预言做了一个很大程度的方向修正。 预卜未来 一个人可以从很多方面发现有关未来的消息，如在肯塔基的德比或者皇家阿斯科特，哪匹马将会获胜？纳斯达克（Nasdaq）或（英国）金融时报-证券交易所（ME）的哪只股票会成为领头羊？这些消息来自那些人们，他们专门研究过去那些成为获胜者的马或者股票取胜的原因。有些马在短跑中表现更好，有些马擅长在潮湿跑道上奔跑，有些马在不太拥挤的竞争中表现突出，有些马喜欢在凉爽的日子表演，还有一些马在有可靠职业赛马骑师的情况下发挥更好。同样股票分析家也开发了评估企业的方法：公司产品质量或服务质量、产品需求或服务需求、管理力度、所欠债务负担、员工的忠诚度、竞争力。当我们购买关于赛马或者股票的赌注时，在某种程度上我们理解在这些决定中具有风险和不确定因素。而且通常当这些预测不成功时，我们会接受冒险的结果，也许会寻找关于这些事件的其他建议。事实是不同的人要选择不同的马，这是古谚语“那就是决定赛马的东西”的要点。下在每一条赛马跑道的赌注或者对特定股票的每一次个人购入或抛出，都反映了对某一未来活动的可能性评估。我们有一个充满活力的赛马行业和生气勃勃的股票市场，这一情况证明了人们在不确定面前面对着不确定的未来，运用最好判断和采取措施是一种自发行动。 另一个对待近期未来的熟悉事例是天气预报。在这一活动中，工作中的专家研究大气物理学和流体力学，他们运用大型快速计算机收集每小时气象学的观察和轨道卫星的信息流（information streams）。诸如夜间天气预报，甚至5天内天气预报的预测已经成熟到一个可靠阶段，借此它们在旅游计划、农业管理、遏制森林火灾和战争中扮演着重要角色。但是，对于全球金融市场作类似的5天比较有把握的准确预报甚至不是地平线之外遥远的可能。气象学预报和经济预报之间的差别只是反映了这一事实：我们对气象学的理解远比对经济的理解要透彻。 以上的每个例子，赛马、天气预报和投资都涉及不确定性在不同时间尺度内的延伸。赛马的获胜者在比赛开始之后的几分钟内便可知道，当然很快就能够对某人先前的信息和建议进行评估。气象学家一小时接一小时地使用新数据更新他们的计算模型，并对每日的预报进行修正。投资的成功性也许对每天、每月甚至每年来说不是很明显，但是当未来展开时，如果早期的投资路线已经引起危险，投资者必须准备调整他们的资本组合以便回到充满前途的道路上。 对当地气象条件做一年或两年的长期预测实际上达不到，因为一年年影响这些气候条件的许多地区因素，例如在太平洋赤道厄尔尼诺向南方波动或大西洋北部的高纬度地区的北大西洋波动，它们本身在持续时间内是变化的，很难进行预测。此外，这些区域性的特征通过远程并置对比连接于全球系统。太平洋地区厄尔尼诺现象的强弱一年后才会在津巴布韦的降雨中被感知。然而，对10年后全球平均条件的估计并不困难，因为对这种未来的预测要求更少，在全球平均预测中区域性细节和短期的时间细节“最终会得到平衡”。在某种意义上，某人正在寻找的仅仅是未来的一个大的轮廓，而不是每一个区域、每一天的细节。人们问的是气候问题，而不是天气问题。 经济上也有对于过程的长期预测。我们听到确信的预测：经济衰退在经济增长恢复之前要持续10个月，或者利率在来年会降低，因为国家发展经济的形势发生了变化。随着时间的推移，这些预测成功与否常常和随机波动难以辨别。对比来看，长期的气候预报和对10年之后平均条件的估计，在类似时间尺度内可能比经济预测更牢靠。 短期经济预测和长期经济预测的缺点根本上来自于对影响国家和全球经济的复杂过程和因素的知识和理解不够全面。对比起来，天气预报是容易的。大气科学家实际上对于支配大气短期行为的物理过程理解得相当好，所以随着一系列气象站和卫星把对太阳射线、大气温度和大气压力的观察输入大型快速计算机中，我们能够得到合理准确的天气预报。但是对于支配股票市场行为的过程，我们能够说些什么昵？在复杂的金融领域，是什么经济规律或行为法则统治着每天的波动和长期的趋势？这些比物理学规律更加模糊不清，因此在国家或全球经济的王国，明天、下周、明年将要发生什么？对此问题有着更广泛的观点和大量的不确定性。 每一位市场分析家都确认他或她相信成为支配标准的东西，而且基于这些标准来做个人对于未来的计算。实际上每一个人都创建了用于预测未来的市场行为的个人模型。每次预测都是我们称之为“由模型决定”的东西，即结果由那个人在作预测时对于影响市场进行的过程和因素所理解和相信的东西决定。这些分析家已经正确地确认了相关的重要标准，在这个意义上，对未来的预测会或多或少有些准确。这种有关不确定的“智慧”等待出售，投资者必须运用自己关于“哪一观点更有价值”的判断或直觉进行选择。一些人甚至从许多观点推算出一致意见或者对未来作出“平均”预测，好像每个观点都是对未来经济情况的不准确测量或估计。 未来市场水平的巨大不确定性基本上来自于控制市场的过程和因素的不确定性。这种不确定性，我早先称之为手头问题的概念化引起的不确定性。就市场行为而言，这种概念化的不确定性远远超过在就业水平、清单、工厂产量以及诸如此类的经济因素测量中的任何不确定性。 算错 由于有事后之明的好处，我们知道预测未来经常是不相关的，不可预料的危险并不少见。不久以前在我生活的地区有一家重要的报纸刊登了这样的标题：“吞没高速公路的增长比预测得还要快”。标题下的文章指出对最近刚完成的底特律北部的州际高速公路系统链环的交通容量的预测是非常不准确的，当前的交通容量甚至已经比对未来10年的预测要大50%。这未曾预料到的交通容量归因于不可预料的经济增长和住宅增长。在讨论如何估计交通容量时，地区政府委员会交通计划的主管说：“这种假设没有必要转变成现实，目标从来不会停止移动。一个变动公司（地点）的董事会决议能够改变事物。” 显然，对未来几十年交通模式和交通容量的估计也包含着不确定性。那些尽力处理拥堵的计划者是愿意从过去经验中学习，还是只是愿意重复过去的错误的“开-关斜坡”和更多具体的车道。但是对于未来某种程度的拥堵，公众会意识到此问题的基本概念化可能是错误的。问题也许应移到他们想去的地方，而不是如何移动汽车。一旦计划者和决策者从把汽车作为唯一交通方式的思想中解脱出来，就有可能考虑其他的可能性。在华盛顿地区，30年前拥堵达到一个阶段，在那里地铁交通系统成为有吸引力的交通替代品。今天，华盛顿的地铁是每天进出城市的千百万人首选的交通方式。世界上绝大多数大城市，如伦敦、巴黎、莫斯科，很久以前人们就认识到需要地铁系统以到达城市中心工作或购物。被称作长期资本管理和金融市场的数学模型有一个作为其中心特征的轻率走进布雷区的故事。这个模型从1994年到1998年作为制定投资策略的概念和技术基础一直服务于长期资本管理公司。LTCM已经建立了一个绝对可靠的形象，部分原因是它的建立者包括两名最近的诺贝尔经济学奖获得者，并且它对最初几年的投资产生了显著的回报。LTCM从富有的投资者那里吸引了非常大数目的资金。它的基本的投资策略是通过复杂的财产计算确定投资产品之间一个很小的价格差异，这些产品在平衡市场内价格本应是相同的。LTCM会利用这些同平衡市场暂时小的偏离进行大量交易。 这一策略，尽管听起来很有吸引力，但是当一个基本模型假设在现实中不能具体化时，它就摇摇欲坠了。缺点是什么？LTCM的计算机模型设想总有一个市场：当你想卖时，就有别人会买。但是在1998年10月，由“8月中旬国际上债券掌控在俄罗斯手中”这一事件引起的恐慌中，突然间很少有购买者让LTCM能够完成成对的交易。LTCM已经买了债券但是发现卖的机会已经丧失。此外，LTCM必须卖掉的许多债券是用借的钱购买的，而且贷款银行要求还款。为了偿还贷款，LTCM被迫以打折的价格来清算其他的投资。 数十亿美元被投资者损失掉了，令人担忧的是LTCM没有能力偿还它的债务，这使贷款银行、其他金融机构和联邦政府作出了营救努力。这个营救团队担心LTCM的失败很快会导致银行倒闭，随后的金融波动可能会变成一个经济海啸，出现无法想象的后果。从中获得的教训有许多，的确，损失惨重的个人投资者有他们自己长长的清单。但是对于更广大的民众来说，一个重要的教训是银行应更加关注它们贷款的脆弱性。私人投资公司能够逐渐削弱主要银行的稳定性，这一现象对于贷款官员和那些制定支配高杠杆效应投资规则的人来说，是催人觉醒的呼喊。 就在LTCM面临崩溃时，另一个布雷区不经意地被展开了。1998年1月，在广泛的商讨之后，加利福尼亚州重建了它的电力工业，并取消了对它的管制。新的结构将发电从电力输送中分离了出来，这实际上打破了由州直接管制整个电力工业的历史结构。就在这一重构生效之前，一位新法令的制定者乐观地预言：“将有一个全新的制度，电能将在一个开放的市场上进行交易……从现在起的5年内，电能的零售价将是现在的一半。”3年后，他说得既对又不对。是的，有了一个全新的制度，电能在一个开放的市场上进行贸易，但这个市场却是一个混乱的市场。在那些已经取消管制的地区，零售价格不但没有减半，反而又涨起来了。批发价格已经暴涨到了极高水平，发电厂商牟取的暴利据说是猖獗的。加州州长和立法机构制定紧急临时法令来防止重建工业的传输和发送部分的破产，它们正受到发电厂和不满的顾客的严重挤压。但是就在电力不足结束之前，一家主要的电力贸易公司和加州最大的公用事业公司都破产了。此事件的尘埃尚未落定，就起草了新的法律来纠正最初计划中的缺陷。确实需要一个中期的方向修正。 当其他州仔细考虑或者开始规划公用事业的重构计划时，加州事件提醒人们要吸取一些教训。取消对公用事业的管制处于整个过程的初期阶段，犯错误也不足为奇。但是生手可从他们的错误中学习，因此我们也希望消费者、供应者以及立法者能够从加州的崩溃中受益。我们也许不能从任何有益的程度对未来进行确定的预测，但是我们能够认识到什么时候未来将以有害的方式展开，并进行必要的方向修正，让电力工业之舟驶入更加平静的水域。 不足还是过量？ 不是所有的未来都要通过布雷区。在我能够回忆起的岁月里，用于支付美国联邦政府支出的税收收入对于国会和总统认为必要的工程和计划来说看起来是不够的。因此预算不足成为多年不变的一个特征，常常需要通过政府借款来资助，国家债务也是年年攀升。在刚刚过去的20世纪90年代早期，全国所有顶尖的经济学家都在预言，预算不足将持续增长；全国所有一流的政治家奋力创建预算平衡，如果这方面能够做到并且保持下去，将能保持预算稳定，但不会将国家的债务减少很多。 到了21世纪的第一年年初，已经驳回了所有这些令人沮丧的预言。在20世纪的最后几年里，美国经济的非凡成功将税收收入提高到空前的水平，国库充盈。接下来的谈论转到如何处理巨大的过剩以及国家偿付债务的过程有多快的话题。2000年6月末，估计财政收入盈余（包括社会保障和非社会保障组成两方面）在21世纪前10年几乎达到4.2万亿美元，已经超过3.5万亿美元的全部国家债务。 但是特别要说明的一点是，至少在经济预测事务中有多少不确定性的意义上，关于10年间盈余的估计与仅仅5个月前做出的估计相比，就超出了30%。而且到了2001年初，仅仅6个月之后，关于盈余的估计又一次增长到5-6万亿美元，比11个月前做出的预测多出70%。然而，2001年年中，盈余的欢欣被全球经济的衰退以及实质上政治性激发的追溯的减税削弱了。接下来到了2001年9月11日，恐怖主义者袭击了纽约的世贸中心。对这一悲剧事件的反应包括用巨大的联邦基金重建纽约，补助航空运输业，对机场增设额外安全措施以及对阿富汗开战。2001年底，预测在接下来的3年中联邦预算会出现赤字。 除了恐怖分子的袭击令人吃惊之外，很明显建立国家经济模型也是十分困难的，因此在联邦收入的预测中有着巨大的不确定性。但是这种不确定性不允许采取简单的方式等待形势被澄清。必须对预算进行明确表达，必须做出花费决定，还得考虑修订税收法规，所有这一切都面临着不确定性。不论我们是否开始着手减少债务、减少税收或者对计划性花费重新优化次序、或者经历新的突然袭击，我们都必须承认，几年之后，由于条件变化，国家也需要一个方向修正。 这一观念被引入到国会关于减税的争议中，在那里它被称作触发条款（trigger clause）或安全阀门，用于在收入没有达到预期数目的情况下，停止减少税收。不过它并没有被采纳。 耗尽石油？ 古尔德观察到“关于未来的所有让人感到极度痛苦的问题几乎都聚焦在短期的扭动上面，而不是在较长尺度上的更广的图案上”。但是我们如何对也许延伸到我们寿命之外的不确定性进行反应和表达昵？不时有人提出这样的问题：“什么时候世界会用光石油？”对此问题的广泛回答是混乱多变的。一方面，我们听到乐观主义者说，“永远不会用完”；另一方面，我们听到“这个世纪确实是石油为全球经济提供动力的最后时期”。然而，关于石油有一件事情是确定的。地球上石油产生的速度是在一个缓慢的地质时间尺度进行，它的消费却发生在一个快速的人类时间尺度上。换句话说，自然不会以和我们抽取石油一样快的速度制造石油来营救我们。在地球漫长的历史时间内已经产生的任何东西是我们工作时不得不使用的资源。 当然，有许多因素，将影响汽油产品在为机动车辆和发电站提供燃料、为家庭和办公楼供暖以及为石油化工工业提供原材料方面所能持续的时间长短。来自石油的能源需求可能会受到诸如更好的绝缘结构、家用电器和车辆发动机中更高的燃料效率、更小更轻便的轿车、更好的公共交通选择，当然还有新开发的替代燃料的发展之类的能源储备措施的诱惑。煤炭和天然气在全球范围内可广泛得到，核能已经用于产生世界总电能10%-15%。在一些地区，太阳能加热、太阳能发电、风、水力发电和地热能也作出了实质性贡献。自然有与许多石油的替代品相联系的环境问题（当然包括石油本身），但仅仅是增加千瓦时的简单运算，也有充足的能源能够减少而且也会减少对石油的需求。 价格也会影响对石油的需求。在整个20世纪，石油由于低廉的价格一直是最好的燃料。按真实价格（非波动价）算，以石油驱动的燃料价格在20世纪实际上是下降的。当我在20世纪50年代刚开始驾车时，艾森豪威尔（Dwight Eisenhower）刚刚当选美国总统，汽油价格是每加仑20美分。油箱中1美元的油足够城镇人们在一个繁忙的星期六晚上使用了。今天的价格在每加仑1美元到2美元之间，半个世纪以来价格大约增长了7到8倍。你还能想起什么别的东西增长得没有这么多呢？住宅，不论是购买的还是租用的，以大于10的系数增长。作为大学生，我每天用于购买食物的预算为1美元（普遍承认是相当简单的饮食），然而今天每天花10美元也没改善多少。然而，石油相对来说仍然是便宜的。几十年了，石油交易是30美元一桶，除了短期内受国际冲突的推动，它以低于30美元每桶的价格一直保持到今天。 石油的价格比日常生活消费增长缓慢的原因在于它一直是充足的。随着需求的增长，石油的供应也能够增长，因此也调节了天然气的价格。大型国际石油公司提醒我们过去它们没有让我们失望而且也完全有能力支持我们进入将来。但是石油的供应会充足到适应现代工业经济日益增长的能量需求吗？对此问题的回答是“什么时候世界将耗尽石油”这个问题的核心所在。 对上述问题的回答中，部分差异来自于对石油的定义。对石油最普通的印象是它是位于地球表面岩石下的一种液体，能够被引导流动到油井中，从井里通过泵能够被抽送到地球表面。然而，除了液体石油之外，还有不能流动和被抽送的固体石油。固体石油，以油页岩（oil shale，油页岩是水藻炭化后形成的，含灰分过多，多半不能自烯。也是一种化石燃料。在美洲大陆偏多。——译者）的形式或被锁定在砂石小孔中以黏性的沥青形式存在，其存量大大超过了液体石油但不容易利用。“可能永远不会耗尽石油”的宣言通常是来自于对包括液体石油和固体石油的整个石油资源的考虑。经常遗忘不被提及的是，抽取固体石油的花费要比相对容易的抽取液体石油的花费大很多。实际上，抽取固体石油的技术还处于初期阶段，固体石油与钻探和抽取相对简单的液体石油相比，本身是更密集的能量。因此，尽管在地球上依旧存在着巨大数量的石油，但大多数不是将来也不会很快是我们能够容易掌握的。 就液体石油供应来说，我们能期待什么？与公众的认识相反，也与许多石油生产商告诉我们的相反，我们已经看到了这一资源的有限性。这一宣言背后的根本原因是我们正在抽取的石油比我们正在发现的石油更多。这是一个必然导致资源耗尽的方程。当从海中捕获的鱼比通过自然繁殖替代的鱼更多时，鱼作为一种资源会减少。当从地下蓄水层抽取用来灌溉的水比通过表面渗透所补充的水更多时，蓄水层作为一种资源会减少。石油没有什么不同。当前世界每年消耗大约260亿桶石油，而每年发现的新石油仅仅大约60亿桶。当消耗的石油比能够发现的石油多时，我们是走在通往资源枯竭的路上。短缺背后的统计数字是非常清晰和明确的。 为了响应增长的需求，美国石油产量在整个20世纪逐年增长，于1970年左右达到顶峰。从那之后，开始下降，今天维持在1970年顶峰时大约80%的水平。无论开采方面的探测和技术革新多么迅猛，石油产量还会继续下降。简单的事实是石油变得越来越难发现，也越难于抽出地面。很容易发现和生产石油的日子显然已经远离了我们。 然而，那不是你从石油生产者及其在国会中的朋友那里听到的故事。他们告诉我们，如果他们不受探测和钻孔地点的环境限制，就会有充足的石油被发现和生产。但是过去的30年美国石油产量下降的原因既不是来自专横的限制，也不是缺乏技术更新。相反的，恰恰是在地理探测扩展到大陆架和深海时，同时是对地面下的东西使用超级计算机、三维成像和可视化技术使得探测技艺显著提高时，产量下降发生了。被发现的石油的产量甚至在钻孔和抽取技术取得实质性改善时也在下降。如果在新的地质环境中没有发现石油，也没有生产技术的进步，从1970年达到顶峰以来的下降将更为迅速。 当然，需求根本没有减少。在1970年国内生产的顶峰时期，美国人每天大约消耗1500万桶石油，国内产量能够满足超过四分之三的消耗量。但是到了今天，虽然国内产量持续下降，消耗量却达到每天2000万桶以上。这必然导致了对进口石油日益增长的依赖，以便适应这种短缺，从这个意义上，2001年美国日常石油消耗中有56%来自于进口，与之相比较，1970年仅为23%。随着时间推移，这种对外国石油的依赖只会增长。在这种背景下，小布什政府将把进口石油减少到仅占国内消费的50%，主要通过增加国内生产作为其能源政策的一个目标。为达到这一目标，需要将国内生产增长到20世纪80年代以来未曾见过的水平，这实际上是对生产长期下降趋势的颠倒，也将是对过去历史经验的挑战。这是一个一厢情愿的想法的最好例子。 在美国已经发生了的事情将会很快超过全球石油产量：我们将看到世界范围内的生产高峰出现在本世纪20年代早期。当此事在2010年到2020年之间的某个时间发生时，世界将会开始新的经济路线。到那时，我们将看到下降的生产赶不上增长的全球需求。大约一半的液体石油资源仍在地下，但是抽取起来越来越困难。结果是足够清晰的。价格将实质性增长，由于石油廉价充足的日子离我们远去，形势不利时对石油的需求（但不是对能源）可能会减小。固体石油在召唤，但是抽取这一资源的技术不可能确保从传统的液体石油进行一个平滑的过渡。最初依靠的燃料可能会转移到天然气，一种与石油有着相似生产和消耗历史的燃料，但是时间上被耽误了。替代的能源场景也许原则上能够确保一个从石油的平滑过渡，但是当大约10年之内传统的石油生产开始全球性减少时，如果要拉紧松弛部分，开发替代品的速度就必须加快。 未来的气候 另一个不确定的未来，刚刚显现初步的轮廓。这个不确定的未来是和下面的观点相关的：地球表面的变暖是由于一系列自然的原因和人为的（即人类引起的）原因而发生的。在逐渐发展的争论中（在最后一章我将抓住机会详细回顾气候变化），不确定性每一次都集中于这一主题的许多不同方面。一开始，为“地球正在变暧”的论断提供支持的数据曾因不充分和不准确受到挑战。后来这一辩论变为，已经承认是事实的地球变暖，是否就像历史、考古和地质记录所解释的“显著超出了自然气候上下浮动的范围”。 当另外的研究显示20世纪温度的上升的确是异常的巨大和迅速时，这一争论又转到变暖的原因上。 由IPCC（气候变化政府间专门委员会，该组织在第五章首次被提到，在联合国和世界气象组织的领导下工作）提出的压倒性的科学意见一致承认两种因素的重要作用：一种是诸如来自太阳的不同辐射和来自火山喷发的偶然动荡之类的自然因素；二是诸如温室气体增长，尤其是雾之类的人为因素。 科学研究表明，在过去的1000年中自然因素统治气候波动大约到1750年或1800年。从那时起到1950年左右，人为因素增长到足以和自然因素竞争的地步，导致一种非常复杂的混合力量所引起的气候变化。然而，在20世纪后半期，人为力量大大超过自然因素，人类在地球变暧方面的烙印已非常明显。但是不确定性的阴云，一些真正的科学和一些由工业利益驱动所散播的烟幕的所谓科学，已经迷惑了公众，这使得人们无论是理解过去还是预测未来，在接受全球气候变化的科学基础时都会非常谨慎。 预测下世纪地球的气候不是一项容易的任务。研究这一广泛问题的自然科学家和社会科学家承认许多复杂的和相互依赖的因素将影响气候的变化。首先，地球的人口增加了多少人，他们将住在哪儿？他们对生活渴望的标准是什么？什么新能源会为全球经济提供动力？什么时候将逐步釆用新能源？如果有人假装知道以上所有问题的答案，那么他们要么是欺骗自己要么是试图欺骗你。实际上，这些问题中每一个都是有许多可能答案的高度复杂的问题。事实上，与理解地球气候系统运行的方式相比，这些问题有着更多的不确定性。气象学和气候学，就像许多物理学方程和流体力学方程所表达的，要依赖大型计算机解决问题，它们远比社会和经济的趋势有一个更坚实的基础，它们提供给气候模型所需要的数据就可以计算一个世纪或更遥远未来的气候。 IPCC的科学家提供了关于未来的一系列图景，这些图景也许是整个21世纪人口统计学发展和经济学发展的结果。其中的一个图景家族是这样描述这一世纪的：本世纪是经济快速增长、迅速引入新的高效技术、到世纪中期人口达到顶峰然后开始下降的时期。此图景家族的特征是：地区和增长的文化交流之间的经济趋同、真正的“全球化”的经济、模糊的文化差别和地区差别。在这一普通框架内，有多种方式取决于驱动全球经济的能源选择：高能化石燃料、高能非化石燃料或者所有可能获得的能源的各种混合。 与上述相反的图景家族是这样想象的：面向全球化的趋势是十分缓慢的，而且世界各地区的发展更加不均匀。生产模式仍然明显不同，一些地区出现巨大的人口增长而另一些地区保持稳定。经济发展区域性集中，技术改变的扩散更加缓慢，能源使用仍然主要依靠化石资源。 从经济发展的每一个模式来看，预测人口曲线、进行能源选择都要通过大气中温室气体的浓度和伴随的全球平均温度增长的复杂模型进行运算。这些不应当被当作个人对21世纪气候演变的预报，而是定义的“随时间推移我们将会遇到的气候条件的可能范围”的图景的总效果。了解在各种不同假设下的可能结果的范围也许比对任一图景的细节进行诡辩更为有用。这些程序能够被设想为一种对结果的系统化和方法的探索，一系列赋予不同实验变量值的数值实验。IPCC对于21世纪的气候预报既可看作过程，也可看作产品。 比较和评估多种图景的策略不是预告未来气候的唯一方法。它是评估未来经济条件很常用的方法。常常能读到这样的报告，“16家投资银行的经济模型显示，下一年经济在2.3%到4.1%的范围内增长”或者“24位专门研究债券市场的分析家预测利率在下一年将减少1%到3%”。至于气候图景，感知由许多独立评估决定的经济结果的范围比过分强调一个特别模型的复杂性常常更为有用。 通过对多个图景的系统化评估来分析未来是在第九章中讨论的钱伯林的多种工作假说的一个变形。对未来做决定充满困难的原因如下：这些决定处在不确定性的包围之中，而且不确定性在一个有益的时间框架内不可能被解决。因此做决定必须要对许多选择进行评估，对未来不同选择的结果做评估。保持现状通常就是受到惯性统治的一个选择。这一选择经常受到那些对保持现状有既得利益的人和那些会受到偏离现状决定不利影响的人的拥护。在对包括保持现状和那些涉及显著变化的选择进行评估的过程中，我们必须理解引发各种选择的哲学基础和经济背景。在每个图景中谁将是获胜者和失败者？我们如何权衡那些明显是从自身利益出发的各种论点？做决定时一个合理的延迟是否允许减少不确定性的新信息出现？我们能买用于减少不确定未来的不利后果的“保险”吗？所有这些问题如果能够被有效地处理，就能照亮不确定性花园中通过灌木丛的小道。如果我们偶尔被困在花园的迷宫里，那我们必须从一些隐蔽的小路和死胡同退出来。就像我在本章开始提到的，很难清晰地看到通往未来的道路。关于未来是很容易犯错误的，但是这不应该阻止我们穿越迷宫，当然得承认，一些中期的方向修正可能是必要的。 “多种工作假说”作为一个策略，强迫人们对未来进行一系列思考，即一系列可能的路线。它强迫人们保持思想开放，评估选择和考虑方向修正。保持思想开放和用新思路思考问题是只从一个思想观点考虑问题的对立面。意识形态在不确定性花园出现得很频繁：在第二章它出现在“不确定性的传播者”上下文中，在第七章出现在“概念化”和“在盒子之外思考”的上下文中；再一次出现是在第九章“意识形态过滤器是如何扭曲历史”的上下文中。受到意识形态的影响等同于将可能性图景的家族缩小到一条单一的道路。一个封闭的思维只能看到一条路，很可能最终演变为一种顽固的习惯思维。 在这一章中我试图阐明如下情况：处于许多条件下的未来不能被非常清晰地看到，一个人试图看得越远，未来就越加黑暗。方向修正对于在限制太多之前逃脱习惯思维是必要的。但是有时我们对于未来的视野不是受到幽暗的照明的阻碍。偶尔，未来的窗户整个是不透明的。这些是我们一双眼睛看不见的时候，是让我们完全惊奇的事件发生的时候，这样的事件发生在2001年的9月11日。像这样的事件是下一章的主题。 第十一章 完全出于意外 往最好处期望，朝最坏处打算，并且为意外做准备。 ——丹尼斯·惠特利（Denis Wheatley） 不能预料的事件，我们称之为随机事件，如果在它发生时我们不知道是什么原因引起其发生的，那它必然是不确定性的来源。在个人层面上，我们可能熟悉许多这样的事件：汽车事故、家中发生火灾或盗窃、家庭顶梁柱（the family bread winner）的突然死亡甚至更为悲惨的恐怖袭击。其实在地区甚至全球区域的基础上，也可能发生其他不幸，这些不幸具有与发生在个人层面上的不幸同样的突然性和灾难性。虽然我们也许不能通过直接的个人经验认识这些不幸，但我们也熟悉这样的事件：泛滥的洪水、大范围的停电、破坏性的地震、巨大的火山爆发。不论是个人层面还是更广泛的层面，所有这一切都是我们特别不想经历的事件。然而在任何指定的一天，我们在生活中可能会遇到上述的某个事件，我们知道这种可能性虽然很小，但不是无限的小。相应地，我们开发了一些通用的策略来处理这些事件的后果。为了减轻这些有害的不被期望和不可预料事件的后果，我们采取的机制包括紧急预防和保险，它们都是我们谨慎对待未来的例子。 紧急预防和灾难预防 在我们家最近的个人环境，我们经常采取措施来预防灾难。我们安装烟雾监视器来提供火灾的早期预警，喷洒灭火系统来熄灭初始的火焰。我们也许有一个家庭内的安全报警系统，如果着火信号或未经许可的侵扰启动系统，系统就会自动呼叫消防部门或警方。我们也可能会保持电池、瓶装水和食物的储备以防断电期延长，甚至我们可能还有一个小型独立发电机能够紧急供电。要不然，如果我们不选择上面的预防措施，无论将来发生什么事情，我们只有碰运气了。 类似地，也有一些通过政府部门决定才能集体实施的措施。分区法律（zoning laws）能够限制在泛滥平原进行住宅建设，建筑法规对地震多发区的建筑材料及设计会有更高的标准要求。如果发生由地震、洪水、飓风引起的混乱，市政府需要指定和提供紧急避难所。国家可能会建立国家石油储备用于在外部资源可能中断的紧急情况下提供燃料。
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