智慧之窗:幸運草

幸運草

或然率與四葉草

酢漿草是台灣草地上常見的小草,約1–1.5公分高,有三片小葉環繞軸心展開,屬於「車軸草族」。偶爾也會出現長有四片葉子的三葉草。根據《維基百科》:「四葉草」又稱「幸運草」( Lucky Clover ),是車軸草族植物的稀有變種。據觀察,每5000株普通的三葉草中,才有可能出現一株四葉草(這個比率比傳說中每10萬株才有一株幸運草要高得多)。

筆者曾在台灣大學校園內的兩塊草地上找到三株四葉草,並小心保存(夾在《辭海上集》裡)。婚後便交給妻子保管,現在應該藏在某處──小偷與我都找不到的地方。嚴格說來,並非「不能」找到,而是被找到的機率非常小。不知道小偷在我家偷到四葉草的機會大,還是在草地上找到四葉草的機會大?

「或然率」是個麻煩的課題。物理學家巴斯卡早在400年前就提出了或然率的概念,但直到今天,我們對它仍是一知半解。例如,在一塊草地上找到一株四葉草的機率是五千分之一,那麼我「在校園兩塊草地上找到三株四葉草」的機率是多少呢?是千億分之一嗎?哪裡來這種好運?這豈不是比我當年中獎獲得新台幣20萬元的「愛國獎券」還難? (那時台灣總人口也才一千萬人)。然而,我有那本不知現在藏在哪裡的《辭海上集》為證,裡面夾著那三株四葉草。也許找到三株四葉草的機率並沒有那麼低?

也許台大校園那片草地上的酢漿草,是一種更容易產生四葉草的變種?又或者,只要某片草地上曾經出現過一株四葉草,那麼其他四葉草出現的機率也會提高?換句話說,四葉草的出現或許不是互相獨立的偶發事件。

正如:全世界身高超過6呎(184公分)的男性約佔14%,也就是每七人中有一人身高超過6呎;但在荷蘭,這個比例卻高達44%。也就是說,在荷蘭找到6呎以上的男性,機率遠高於世界平均。所以,四葉草的出現,也可能有類似的「地區高機率」現象。可惜我當年找到「幸運草」時,沒仔細觀察那片草地是否真的與眾不同。

蒙提霍爾悖論

記得當時在校園裡找到三株「幸運草」後,物理系同學間開始流傳一個叫「蒙提霍爾悖論」的問題。那是1960年,還沒有網絡,我們幾個人被這個問題弄得頭昏腦脹。問題是這樣的:

「假設你正在參加一個遊戲節目,你被要求從三扇門中選擇一扇:其中一扇門後有一輛車,其餘兩扇後面則是山羊。你選了一號門,主持人(他知道每扇門後的內容)並不立即打開你選的門,而是開啟了另外兩扇門中有山羊的那一扇,比如三號門。接著他問你:你要不要改對你?

有人認為:現在剩下兩扇門,不知道車子在哪一扇,機率應是各50%,改不改選都一樣;也有人不同意,認為原先選中車子的機率是1/3,主持人知道哪裡有山羊後再開門,因此剩下沒開的那扇(即二號門)有車的機率是2/3,應該換。雙方爭論許久,最後想說既然這是個「悖論」,表示它的答案可能不那麼直覺,也就擱下了。

進了研究院,又遇到這「蒙提霍爾」問題,知道當時的推算是不對的:在起初的三扇門後面,有車的機會都是1/3,你選了其中一扇門(還沒打開),所以在剩下兩扇門後面可能有車的機會是2/3,現在主持人打開了其中的一個,你選中的機會沒有改變,扇門後面可能有車的機會是2/3,現在主持人打開了其中的一個,你選中的機會沒有改變,扇門後面可能有車的機會是2/3,現在主持人打開了其中的一個,你選中的機會沒有改變,扇門後可能有車的機會就已經有了你起先選的門後有車的機會是1/3,那麼1-1/3=2/3,這就是剩下那扇門後有車的機會了。設想這遊戲中有100扇門,你選了一個,其他99扇門後有車的機會加起來是99%,主持人打開了其中98個後面沒有車的門,還剩下一個,那扇門後面有車的機會不就是99%了嗎?

晴,時多雲,偶陣雨

在日常生活中,我們最常遇到或然率的應用之一就是氣象預報。台灣春天的天氣多變,從前的報紙預報常見「晴,時多雲,偶陣雨」,現在則常見「降雨機率30%」。但這「30%」是什麼意思?是指30%的地區會下雨嗎?不是。因為下不下雨是一個「會發生或不會發生」的事件,不可能下30%的雨。

事實上,氣象局的意思是:在天氣條件類似(氣壓、溫度、濕度、氣流等)的100天中,有30天會下雨。這是因為氣象預報所含的參數極多,而且這些參數只要略略有些變化,對氣象(這裡不是指氣候)的影響可以非常大,所以不能準確的計算岀到底會不會下雨。這就是因為氣像是個「混沌系統」,連這個預報的30% 的數字,也只能從過去的經驗中獲取,不能作有效的計算。

神與或然率

或然率的概念源自於一位敬虔的基督徒-數學家、物理學家巴斯卡(Blaise Pascal)。當一個系統夠複雜,以致我們無法掌握其每個細節時,透過機率,我們仍能預測它的重要特性。

例如擲骰子:我們無法確知哪一個點數會朝上,但我們知道每個點數出現的機率是六分之一。假如我們能完全掌握擲骰時的力道、角度、旋轉、空氣阻力、桌面彈性等因素,理論上我們可以預測結果。然而,所有的物理現像都是這樣嗎?或然率是否只是反映我們知識的不足?

直到量子力學出現,物理學家對此有了激烈的爭論,愛因斯坦有名的「上帝不擲(賭)骰子」就是他對此的看法,他自始至終都認為我們需要以或然率來認識自然界,這是因為我們知識的有限,自然現像是遵循「決定論」的。

箴言記載:「籤放在懷裡,定事由耶和華。」看來是隨機的事件,卻不是偶然的。量子力學的本質是隨機的嗎?若是我們接受「上帝是一位有意識的觀測者」,那麼薛丁格的貓的悖論應當也不存在了。我們不能知道的事不代表這事是不能知道的。

愛因斯坦曾說過:「巧合是上帝保持祂匿名的方式。」

 

文:黃小石作者簡介

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