问题

概率学什么样的事件都有可能,那么能否通过概率学来给各种自然规律发生事件关系建模代替一切学科和公式?

回答
我们来聊聊一个颇具哲学意味的问题:概率学能否“统一”一切学科和公式,成为万物的“模型”?

首先,需要明确一点,概率学确实为我们理解“不确定性”提供了一个强大的数学框架。它告诉我们,在很多情况下,事件的发生并非绝对,而是存在一定的可能性。从抛硬币、掷骰子,到天气预报、股票波动,乃至于物理学中的粒子行为,概率学都能派上用场。它提供了一套语言和工具,让我们能够量化这些随机性,并据此做出预测和决策。

概率学如何“建模”?

概率学建立模型的方式,主要是通过概率分布。简单来说,就是描述一个随机变量(也就是会发生随机变化的量)取不同值的可能性大小。例如,我们可以用二项分布来描述重复抛掷一枚不公平硬币出现正面次数的概率,用正态分布来描述一个班级学生身高的分布。

这些概率分布,就是我们用概率学语言描述“事件发生关系”的方式。当我们说“下雨的概率是70%”,我们就是在用一个概率值来描述“下雨”这个事件相对于“不下雨”这个事件的可能性。如果我们能精确知道所有影响下雨的变量(湿度、温度、气压等)及其取值,我们就可以构建一个复杂的概率模型来预测下雨的概率。

那么,它能否“代替一切学科和公式”呢?

答案是不能,至少在目前看来是这样,而且可能在本质上也是不可能的。原因有很多,我们来一一剖析:

1. 因果关系与概率关系的区别:
概率学描述的是“相关性”或“共现性”,而非“因果性”。 比如,我们发现冰淇淋销量和溺水事故同时上升,这可能只是因为夏天到了(这是一个潜在的共同原因)。概率学能告诉我们这两件事同时发生的可能性很高,但它本身无法解释“冰淇淋导致溺水”或“溺水导致冰淇淋销量上升”这种因果关系。
许多学科的核心在于揭示事物之间的因果链条。物理学研究力的作用如何导致运动状态改变,化学研究原子如何结合生成新的物质,生物学研究基因如何决定性状。这些都是确定性的因果关系(至少在宏观和经典层面是这样),概率学在这种情况下扮演的角色是描述在特定条件下,确定性因果关系下的某些副效应或测量误差。比如,即使你知道抛起一个球一定会落下(牛顿定律),你仍然需要用概率学来描述在不同风速、不同抛掷角度下,球落地点的不确定性。

2. 确定性规律的本质:
许多自然规律本身是确定性的,或者至少在非常大的范围内可以被视为确定性的。例如,万有引力定律精确描述了两个物体之间的引力大小,它并不随机。行星的运行轨道,在忽略微小扰动的情况下,是可以精确计算的,不需要概率模型来描述“行星为什么会绕着太阳转”。
概率学在这些确定性规律的应用中,更多是作为工具来处理测量误差、初始条件的微小不确定性,或者是研究混沌系统(蝴蝶效应)中,初始条件的极微小差异会导致结果的巨大分歧,使得长期预测变得不可能,这时概率学就派上用场了。

3. “模型”的定义与功能:
一个学科或一套公式,不仅仅是描述事件发生的可能性,它还需要解释为什么会这样,预测在新的条件下会发生什么,并可能允许我们干预和控制。
例如,牛顿第二定律 (F=ma) 不仅能描述力、质量和加速度的关系,还能让你计算需要多大的力才能让一个物体达到某个加速度。它提供了一种操作性的理解。
概率学模型通常提供的是统计上的规律和预测区间,而非对每一个具体事件发生的“原因”的精确解释。例如,天气预报说“明天有80%的概率下雨”,它没有告诉你“是因为云层中水蒸气达到了饱和点,加上了某个冷空气团,从而凝结成雨滴”这样具体的物理过程。

4. 描述的层次问题:
物理学、化学、生物学等学科,往往从微观粒子、分子、原子、细胞等层面来描述自然规律。而概率学则更像是在一个宏观的、统计的层面来观察和描述这些规律作用下的结果。
我们可以用量子力学的概率波函数来描述电子在原子核外出现的位置概率,但这并不是说量子力学本身被概率学“代替”了,而是概率学成为了描述微观粒子行为的内在属性。

5. “公式”的意义:
公式不仅仅是数值上的关系,它们往往是原理的浓缩。比如,热力学第二定律告诉我们熵增的趋势,这是自然界一个深刻的原理,用概率学很难直接、完整地表达“为什么熵会增加”。

举个例子来对比:

物理学视角: 抛一个球,我们可以用抛物线方程来描述它在真空中的运动轨迹(忽略空气阻力)。这是一个确定性的因果模型。
概率学视角: 如果考虑到风、空气阻力、球的旋转等不确定因素,我们可能会建立一个概率模型,预测球落点的分布会围绕着一个中心点呈某种概率分布。

概率学在这时是辅助了物理学,而不是取代了物理学。它帮助我们处理现实世界中的不确定性,使得我们的物理模型在实际应用中更具鲁棒性。

为什么我们仍然需要其他学科?

理解底层机制: 如果没有物理学,我们就无法知道力是什么,动量是什么,能量是如何转化的。概率学无法解释这些。
预测和控制: 很多时候,我们不仅仅想知道“会发生什么”,更想知道“为什么会发生”以及“如何让它发生”。这需要更深层次的因果模型。
数学的统一性: 虽然概率论是一个强大的数学工具,但数学本身也是一个庞大的体系,包括代数、几何、微积分、拓扑学等等。概率论与其他数学分支相互依赖、相互促进,很难想象它能独立于其他所有数学分支而存在。

总结一下:

概率学是描述不确定性、量化随机事件发生可能性的一个极其重要的数学分支。它为我们提供了强大的建模工具,尤其是在处理复杂系统、测量误差以及那些本质上就具有随机性的现象时。

然而,概率学不能替代一切学科和公式。它主要描述的是“事件发生的可能性”或“相关性”,而很多学科的核心在于揭示“事物运作的内在机制”、“因果链条”以及“确定性的规律”。概率学更多的时候是作为一种方法论或解释工具,渗透并增强了其他学科的能力,尤其是在我们面对不确定性和复杂性时。

想象一下,如果一切都可以用概率模型来代替,那么“万有引力定律”就会变成“物体质量越大、距离越近,发生相互吸引的概率越大”,这显然失去了牛顿定律所蕴含的精确度和普适性。

所以,概率学非常了不起,它是一个强大的“语言”,让我们能以一种新的视角理解世界,但它无法“说出”所有真相,也无法“取代”所有“表达真相”的语言。它更像是为整个科学体系提供了一个“润滑剂”和“风险管理者”,让我们可以更精细、更有效地在不确定的世界里 navigate。

网友意见

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统计学。

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