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地震中的自然规律

正如哲学家卡尔·玻普指出的那样, 预测是我们区分科学和伪科学的最好的办法。预测实际现象的统计性而不是预测某个具体的结果,这是对证理论与观测的一种相当合理而且正常的方式。---《大自然如何工作》

As pointed out by the philosopher Karl Popper, prediction is our best means of distinguishing science from pseudoscience. To predict the statistics of actual phenomena rather than the specific outcome is a quite legitimate and ordinary way of confronting theory with observations. ---How Nature Works


黄金价格暴跌与地震又有什么联系?为什么地震难以预测?《大自然如何工作》这本书给出了答案。在《大自然如何工作》一书的扉页,作者引用了雨果的名著《悲惨世界》中的一句话“谁又能计算出一个分子的轨迹?我们怎么知道这世界的创造不是由陨落的沙粒所决定。” 这句话来自于《悲惨世界》中如下一段:

“代数适用于云朵,恒星的辐射让玫瑰受益。没有思想者敢说山楂树的香气对天上的星座毫无价值。谁又能计算出一个分子的轨迹?我们怎么知道这世界的创造不是由陨落的沙粒所决定。谁能理解无穷大与无穷小此消彼长,相反相成,回荡着生命的深邃与纷至的创造之原。小虫也有它的价值。小即大,大即小。所有的一切在必然中平衡,这景象令人震惊。”

---雨果《悲惨世界》

 

“Algebra applies to the clouds, the radiance of the star benefits the rose--no thinker would dare to say that the perfume of the hawthorn is useless to the constellations. Who could ever calculate the path of a molecule? How do we know that the creations of worlds are not determined by falling grains of sand? Who can understand the reciprocal ebb and flow of the infinitely great and the infinitely small, the echoing of causes in the abyss of being and the avalanches of creation? A mite has value; the small is great, the great is small. All is balanced in necessity; frightening vision for the mind. ”

                                 --- Victor Hugo, Les Misérables

 

《大自然如何工作》的作者Per Bak与合作者汤超和Kurt Wiesenfeld在1987年通过简单的沙堆模型,揭示了自然界中普遍存在的复杂系统自组织临界(SOC, Self-Organized Criticality)现象。研究发现,无论是金融市场还是地震、火山爆发、生物灭绝,都具有自组织临界的特点。

 

自组织临界的一个重要特点就是幂率分布。比如地震的强度与概率在双对数坐标下是一条直线,显示出幂率分布。

Source: National Academy of Science

幂率分布的特点让预测非常困难。首先,人们关心的是危害性极强的大地震,但幂率分布具有尺度不变的特点,也就是说大地震与小地震没有本质的不同,无法区分。从自组织临界的角度看,造成大地震与小地震的内在动力学没有区别。那粒让整个沙堆崩溃的砂粒与其他砂粒并没有分别。其次,地震的分布虽然概率有规律,但没有周期性,无法通过时间预测。

但是,《大自然如何工作》却给出了地震的另一种重要幂率分布,让我们可以在一定程度上“预测”甚至避开地震。研究人员发现,地震的间隔时间也服从幂率分布,地震不是周期性的。也就是说,与人们的直觉相反,大震之后很长时间没发生地震的地方,发生地震的概率更低而不是更高。这就是说,距离上一次大地震时间越长,此地越不可能发生大地震。换句话说,刚刚发生大地震的地方,反而容易再次发生地震。另一方面,地震在空间上也服从幂率分布,也就是说离刚刚发生地震的地方越近,发生地震的概率也越高。

根据这个发现,人们应该远离刚刚发生大地震的地区,因为再次发生地震的概率很大。而曾经发生过大地震,但已经很久没有发生地震的地区其实发生地震的概率并不高。

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