◇◇新语丝(www.xys.org)(xys5.dxiong.com)(www.xinyusi.info)(xys2.dropin.org)◇◇ 地震不可预测与自组织临界性思想 胡锋 2008 年5 月汶川地震期间，在电视上看到一位地震局的研究人员诉苦，说他买了一些 办公用品后，犹豫了半天是否去开发票，因为当时他不愿意或者不敢让别人知道他的工作单 位。我可以理解他的苦衷，比如我的一个朋友就认为国家出钱养着这帮研究人员，你拿了钱 就应该预报出地震来。其实，是我们错怪了地震局的研究人员。地震预测作为一个世界难题， 目前难倒了各国的科学家。美国著名的地震学家，里氏震级的提出者Richter 曾经说过：“只 有傻瓜和骗子才会试图预测地震。”而让地震预测更加没有希望的是，根据物理学家Bak、 汤超和Wiesenfield 三人在1987 年提出的自组织临界性思想，断定了地震预测从本质上说是 不能的。 展示自组织临界性思想的范式模型是所谓的“沙堆”模型，这是一个计算机的数值模拟 模型，其象征性的模拟了一个沙堆的形成和坍塌过程。用一个画满了正方形小格子的平面表 示沙堆的所在区域，每个小格子表示沙堆中的一个局部区域，而每个小格子中用一个数字表 示了这个局部地区的沙粒的数目。根据小时候玩沙的经历，我们知道当沙堆堆到一定的高度 时，会不断的坍塌。这个现象被Bak 等抽象为沙堆模型中唯一的一个“坍塌规则”：在随机 的向这个沙堆加入沙粒的过程中，如果某个小格子的沙粒超过一个特定的数值（比如4）， 这个小格子中的沙粒因为过于不稳定而会发生“沙崩”，所有的沙粒都会因为坍塌而平均的 流向相邻的格子中。可以想象到，局部的沙崩也许会引起连锁的反应，比如流出的沙粒刚好 让相邻格子也发生坍塌，然后又继续影响它周围的格子。我们可以根据某一个沙崩影响的区 域范围，即格子的多少来定义其大小。当你不断地向这个沙堆加入沙粒，取决于沙堆的状态 和沙粒添加的位置，会不断的会产生各种大小的沙崩。 这是一个很简单的模型，也许一个高中生用个人电脑就可以做出模拟计算。也正因为简 单，模型中含有的假设少，所以这个模型可以有很大的普遍性，比如说如果认为地震过程也 只是地壳间的摩擦、碰撞，那么，沙堆模型很类似于地震的发生现象。当然，科学家不会被 这种表面上的相似性说服，是什么让科学家相信沙堆模型以及由此得出的自组织临界性思 想，抓住了地震产生机理的关键点呢？ 在地震研究领域内，有一个很有名的现象规律叫做Gutenberg – Richter 定律。这个定律 描述了发生在一个地区一个时间段内不同大小的地震所发生的频率的规律。随着观察水平的 提高，这个规律也一再被后来的科学家用更多、更新的数据证实。与我们经验相符的是，数 据表明大地震很少，小地震很多。但超乎直觉的是，各种大小的地震，从震级为2 小地震到 震级为7 的大地震（地震大小每提高一个里氏级，其释放的能量增加约30 倍），其地震能量 的大小与发生的次数符合数学上的幂律关系。这种关系是自然界常见到的一种数学关系，如 地震的频率、森林火灾的频率、股市中的价格波动、甚至古生物的灭绝都满足幂律关系。我 们可用如下例子简单说明幂律关系，假设某地区某段时间发生3 级地震的个数是1000，发 生4 级地震的个数是100，那么根据幂律关系，发生5 级地震的个数就应该在10 左右，6 级个数在1 附近。如果我们把测量得到的地震数据点画在横轴是地震能量（其对数标度是震 级），纵轴是地震的次数的双对数图上，数据点都奇迹般的落在了一条直线上。当然， Gutenberg – Richter 定律只是现象描述，并没有涉及到地震产生的机理。但大地震与小地震 落在同样一条直线上是否表示这些地震，不论其大小，有着相同的机理呢？ 令人惊奇的是，沙堆模型的模拟结果恰恰是沙崩发生的大小与发生的次数也严格符合数 学上的幂律关系，如果把沙崩的统计数据也在双对数图画出，横轴是沙崩的大小，纵轴是沙 崩发生的次数，数据点也都严格的落在一条直线上。令人惊异和赞叹的是，沙崩和地震的统 计数据所涌现的规律是完全一样的，这是很深刻的相似性。其实，远不止地震，从自然系统 到人造的系统，一些灾难性行为包括森林火灾、生物灭绝、甚至城市交通中的塞车都呈现出 了与沙崩同样的幂律关系。 根据沙堆模型的演化过程及结果，Bak 等提出了自组织临界性的思想：一个开放的、由 大量组元构成的动力学系统，如沙堆，其自身（不需要外部干涉、引导，即“自组织”的含 义）会演化到所谓的“临界状态”。在这个状态，任何一个小的扰动，比如加一粒沙，所引 起的后果是不可预测的，可能是一些小的沙崩，但也可能引发特大的沙崩，这些沙崩的数量 和大小呈现幂律的关系。如果你把这些沙崩比喻成地震的话，那么我们可以说，引发大地震 和小地震的原因是一样的，比如说是地壳的某一次小的滑动、碰撞。正如我们在沙堆上随机 加上的某一粒沙一样，很偶然的原因，但产生的后果也许是一个感觉不到的小地震或者是日 本在2011 年3 月发生的里氏9 级的大地震。自组织临界性思想对物理学家来说，是一件美 妙的作品。Bak 本人曾经宣称，自组织临界性解释了自然界普遍存在的幂律关系，这个思想 描述了大自然运作的基本方式。但同样这个发现，对于做地震预测的研究人员来说则是灾难。 如果大地震和小地震都由一些同样的、很偶然的原因引起，而这些偶然的原因又是那么的无 穷无尽，那么地震预测从理论上来说是不可能的，这也是一些国家放弃了地震预测研究的原 因。 关于自组织临界性思想，以及地震机理的研究还在继续。物理学家Ramosa、Altshuler 和Maloy 2009 年在权威的《物理学快报》上发表了一个实验研究。他们在间距很小的两块 玻璃板间，用直径是毫米的小钢球构造了一个二维的“沙堆”。他们发现在大的“沙崩”前、 后，可以观察到沙堆系统的一些异常行为，比如沙崩的平均大小会略微增大。通过记录“沙 堆”中每一个钢球的状况，他们可以构造出一些物理量，根据这些物理量，可以在一定的准 确率上预告出大的“沙崩”。这个实验结论与自组织临界性的理论是不相符的，其进一步发 展还是研究中的课题。 关于地震预测，还有很多人希望跳出研究地震机理，直接去找一些与地震相关的异常现 象来预测地震。比如，我在小学的时候曾背过的“牛马骡羊不进圈，猪不吃食狗乱咬”，但 这种研究很难取得成果。因为不明白机理，当检验这种异常现象与地震的联系，严格的说需 要进行大样本的随机、对照研究。比如最好多次观测地震时，牛羊有没有进圈，并且也能够 对比观测到没有地震发生时，在同等的环境下，牛羊每次是否乖乖的进圈。因为目前做不到 这种严格的检验，所以有很多动物异常现象被想当然的认为是地震的前兆了。这种预测目前 也只能是给地震预测增添一些花边新闻而已。 ◇◇新语丝(www.xys.org)(xys5.dxiong.com)(www.xinyusi.info)(xys2.dropin.org)◇◇