--天災預測與可公度性 一位數學教師的發現
1766年,一位名叫體丟斯的德國數學教師在給學生講述太陽系概況時,要求學生將各大行星到太陽的平均距離記住。可學生怎么也記不住這些毫無規律的數字。體丟斯仔細分析了這些數據,發現並非無規律可循。他先在黑板上寫下一個數列,從第二個數開始,后一數正好是前一數的兩倍,即︰ 0,3,6,12,24,48,96,192...... 在每個數上加4,再除以10,便得到︰ 0.4 0.7 1.0 1.6 2.8 5.2 10 19.6...... 水星 金星 地球 火星 ? 木星 土星 ? 以地球到太陽的距離為一個天文單位,其它數字正好是五個行星到太陽的平均距離,只有2.8個天文單位處沒有行星,土星以後也沒有行星, 因為當時知道的最遠行星就是土星。 體丟斯並沒有認為這是個多么了不起的發現,不過把它當做一個教學生巧妙記憶數據的方法,所以當時沒有傳開。直到1772年,德國天文台台長波德發現了它,覺得很有意思,才將它發表。因此一般稱它為"體丟斯-波德"定則。 "體丟斯-波德"定則發表后,很快引起了天文學家的注意。 德國天文學家注意到,火星與木星之間的空隙非常大,按"體丟斯-波德"定則,2.8 天文單位處沒有行星,似乎這裡還有個行星沒有被發現。正在這時,傳來了赫歇耳發現天王星的消息,天王星到太陽的距離為19.2天文單位,跟體丟斯定則預言的19.6基本一致,這更使天文學家堅信2.8天文單位處應該有一個行星。 后來的發現令天文學家有點失望,這地方沒有發現大行星,但發現了一個由許多小行星組成的小行星帶。到1982年,這裡被命名編號的小行星就達2297個,估計總數比這還要多得多。這些小行星是一個大行星瓦解后形成的呢,還是尚未形成大行星的原始塊呢?這是天文學上一個有趣的問題,至今沒有定論。 可公度性
人們在發現了"體丟斯-波德"定則后,又發現,太陽系的一些衛星也不是雜亂無章地分佈的,也具有某種規律。
如木星的三個衛星到主星的距離X(1),X(2),X(3)服從下式︰ 2(X(3)-X(2))=X(2)-X(1) 而土星的四個衛星則服從︰ 4X(4)+X(3)-5X(2)=5(X(2)-X(1)) 太陽系的行星、衛星分佈的這種規律,在數學上稱作"可公度性"。 假如有6,15,18三個數,問它們有什麼特點?誰都知道,它們都是3的整數倍。如果有一些量,其每一個都是某一共同基礎量或量度的整數倍,則稱這些量具有可公度性,如6、15、18是可公度的,而6、17、√2則不具有可公度性。 有些量,表面上看不具有可公度性,可對它們進行簡單的加、減運算后就現出了可公度的"原形"。如6,11,25,9,表面上看,不能同時被任何一個數除盡,但有6+11=17,25+9=34,其結果都是17的倍數,我們也稱這些量具有可公度性。可公度性是週期性的推展,週期性則是可公度性的特款。可以說,可公度性是一種廣義的週期性。 各大行星到太陽的平均距離、某些衛星到主星的平均距離,也具有這種廣義的週期性。表面上看這些數據是不可公度的,但進行簡單的加、減處理后就表現出了可公度性。如將各大行星到太陽的距離減去0.4再乘以10,其結果都是3的倍數。上面所列的木星、土星的衛星的可公度式,實際上也是說這些衛星到主星的距離進行加、減處理后存在可公度性。一個數乘以正整數是這個數的連續相加,所以當加法看待。 人們知道,太陽系是在漫長的歷史中由原始星雲凝聚形成的,完全是自然的傑作,不受任何"神"的干預。那么為什麼這些行星和部分衛星"排列"得如此有規律呢?其物理機製如何?有什麼理論意義?這些可公度式到底有什麼意義? 這些問題沒有人能夠回答,很多人把這些關係當做經驗公式寫入文獻中,不作深入探討。但是,有一位中國科學家卻從中發掘出了新的意義,他的名字叫翁文波。 翁文波和天災預測 翁文波(1912-1994)是我國石油科學的一代宗師,中國科學院院士,大慶油田的發現者之一。 1966年3月8日,我國河北省邢台發生了強烈地震,給國家和民眾造成了嚴重損失。4月27日,周總理專門請來李四光和翁文波兩位科學家,委托他們搞地震預報。 李四光不幸于1971年逝世,翁文波在文革中也失去了自由。等到七十年代末,科學的春天來臨,翁文波才又開始了在地震預測及天災預測這個崎嶇小路上的跋涉。 在天災預測中,翁文波對天文學中的可公度性給予了特別關注。 翁文波認為,可公度性並不是偶然的,它是自然界的一種秩序,因而是一種訊息系。可公度性不僅存在于天體運動中,也存在于地球上的自然現象中。 (一)元素週期表中的奧祕 元素週期表是門捷列夫等一批傑出的化學家探索自然奧祕的傑作,根據這個週期表,人們多次成功地預測和發現了新元素及它們的性質。可其中還存在被我們忽略的奧祕嗎? 回答是肯定的。翁文波發現,可公度性存在于元素週期表中。 我們從元素週期表中取出前10個元素,它們的原子量用X(n)代替,如下︰ 氫 X(1)=1.008 氦 X(2)=4.003 鋰 X(3)=6.941 鈹 X(4)=9.02 硼 X(5)=10.811 碳 X(6)=12.011 氮 X(7)=14.0067 氧 X(8)=16.000 氟 X(9)=18.998 氖 X(10)=20.179 用可公度性"量"出它們具有如下一些關係︰ X(1)+X(6)=13.019 幾乎等于 X(2)+X(4)=13.015 X(1)+X(9)=20.006 幾乎等于 X(2)+X(8)=20.003 X(4)+X(9)=28.010 幾乎等于 X(6)+X(8)=28.011 幾乎等于 X(7)+X(7)=28.014 X(3)+X(8)=22.941 約等于 X(5)+X(6)=22.822 X(5)+X(10)=30.990 約等于 X(6)+X(9)=31.009 X(3)+X(7)=20.948 約等于 X(10)+X(1)=21.187 上述可公度式可用另外一種形式表示︰ ┼───────────────────────────────────┐ │ 氫 X(1)=1.008 │ │ X(2)+X(4)-X(6)=1.012 X(2)+X(8)-X(9)=1.005 │ ├───────────────────────────────────┤ │ 氦 X(2)=4.003 │ │ X(1)+X(6)-X(4)=3.999 X(1)+X(9)-X(8)=4.006 │ ├───────────────────────────────────┤ │ 鋰 X(3)=6.941 │ │ X(5)+X(6)-X(8)=6.822 X(1)+ X(10)-X(7)=7.180│ ├───────────────────────────────────┤ │ 鈹 X(4)=9.020 │ │ X(1)+X(6)-X(2)=9.016 X(6)+X(8)-X(9)=9.013 │ │ X(7)+X(7)-X(9)=9.015 │ ├───────────────────────────────────┤ │ 硼 X(5)=10.811 │ │ X(6)+X(9)-X(10)=10.830 X(3)+X(8)-X(6)=10.830 │ ├───────────────────────────────────┤ │ 碳 X(6)=12.011 │ │ X(2)+X(4)-X(1)=12.015 X(4)+X(9)-X(8)=12.018 │ │ X(3)+X(8)-X(5)=12.130 X(5)+X(10)-X(9)=11.992│ ├───────────────────────────────────┤ │ 氮 X(7)=14.0067 │ │ X(4)+X(9)-X(7)=14.011 X(6)+ X(8)-X(7)=14.004│ │ X(10)+X(1)-X(3)=14.246 │ ├───────────────────────────────────┤ │ 氧 X(8)=16.000 │ │ X(1)+X(9)-X(2)=16.003 X(4)+X(9)-X(6)=16.007 │ │ X(5)+X(6)-X(3)=15.881 │ ├───────────────────────────────────┤ │ 氟 X(9)=18.998 │ │ X(2)+X(8)-X(1)=18.995 X(6)+X(8)-X(4)=18.991 │ │ X(7)+X(7)-X(4)=18.993 X(5)+X(10)-X(6)=18.979│┼───────────────────────────────────┤ │ 氖 X(10)=20.179 │ │ X(6)+X(9)-X(5)=20.198 X(3)+X(7)-X(1)=19.940 │ └───────────────────────────────────┼ 也就是說,每一個元素的原子量可由其它元素的原子量透過加、減運算推導出來(允許誤差0.2),這種表達式,翁文波稱之為可公度性的一般表達式。 這個例子是用三個數據推導出一個數據,叫做三元可公度式,在另外一些例子中,存在五元、七元、九元等可公度式。
既然每個原子量可由其它原子量透過三元可公度式推導出來,我們就可用它往外推,以預測某一元素的原子量。假如我們不知道11號元素鈉的原子量,則用以上方法外推,有︰ X(10)+X(3)-X(2)=23.117 X(10)+ X(2)-X(1)=23.174 X(9)+X(5)-X(3)=22.868 X(10)-X(6)-X(4)=23.170 X(8)+X(9)-X(6)=22.987 X(10)+ X(9)-X(8)=23.177 鈉的實際原子量為22.99,外推結果是較為準確的。如果用五元可公度式, 結果更為精確︰ X(9)+X(9)+X(1)-X(6)- X(2)=22.990 X(9)+X(8)+X(1)-X(4)- X(2)=22.983 X(9)+X(7)+X(7)-X(6)- X(6)=22.989 X(8)+X(8)+X(4)-X(7)- X(2)=23.010 X(6)+X(4)+X(2)-X(1)- X(1)=23.018 這樣,可公度性就可用來進行預測。當然,一個可公度性式可能是偶然的,只有兩個以上的可公度式存在,預測才具有一定價值。 (二)地震日期的可公度性 唐山大地震發生時,翁文波正在北京的一座簡陋的四合院裡"靠邊站",與外界幾乎失去了聯繫。但這次地震仍引起了他的極大關注。后來,他收集了唐山一帶歷史記載的震級大于5.5的地震時間,它們是︰ X(1)=1527.7.1 X(2)=1568.4.25 X(3)=1624.4.17 X(4)=1795.8.5 X(5)=1805.3.12 X(6)=1945.9.23 以12個月為一年,30日為1月換算,用可公度式求得概週期︰ X(4)+X(2)-X(5)-X(1)=31.2.17 X(5)+X(4)-X(6)-X(3)=30.9.17 平均四元週期約為︰△X=30年11月27日 從X(6)外推一個週期,得到后一次地震時間可能是︰ X(6)+△X=1976.9.20 實際地震發生在1976年7月28日,震級7.8。 我們再看一個例子。取1906年以後,世界曾發生的8.5級以上特大地震12次,其時間(年、月、日)序列為︰ X(1)=1917.5.1 X(2)=1917.6.26 X(3)=1920.12.16 X(4)=1929.3.7 X(5)=1933.3.2 X(6)=1938.2.1 X(7)=1938.11.10 X(8)=1939.12.21 X(9)=1941.6.26 X(4)=1942.8.24 X(5)=1950.8.15 X(6)=1958.11.6 把上序列中的時間用分數年表示,可得下列可公度式︰
X(3)+X(6)=X(2)+X(5)+0.070 X(4)+X(7)=X(1)+X(11)+0.087 X(3)+X(9)=X(4)+X(5)+0.090 X(2)+X(11)=X(4)+X(7)+0.065 X(9)+X(11)=X(5)+X(12)+0.090 X(1)+X(12)=X(2)+X(6)+0.014 X(7)+X(10)=X(8)+X(9)+0.048 X(3)+X(12)=X(4)+X(11)+0.000 這是一組非常整齊的可公度式,如果限定誤差不大約0.09年,則等式后面的小數可忽略不計。用這組可公度式可以預測全球下一次特大地震的發生時間。 (三) 一次影響深遠的水災預測 現下我們來看看翁文波是怎樣預測1991年華中、華東地區特大洪澇災害的。 這次預測是以19世紀到20世紀中,華中地區歷史上16次特大洪水年份中的6 次為依據,它們是︰ X(1)=1827(年) X(2)=1849(年) X(3)=1887年 X(4)=1909(年) X(5)=1931(年) X(6)=1969年 這幾個數值的可公度式為︰
X(2)+X(3)=X(1)+X(4) X(2)+X(4)=X(1)+X(5)
X(3)+X(4)=X(1)+X(6) X(3)+X(5)=X(2)+X(6)=X(4)+X(4) 這種架構,是可公度性的特款(相等的數自然是可公度的)。以此類推,得
X(7)=1991(年) X(7)+X(1)=X(3)+X(5)=X(2)+X(6)=X(4)+X(4) X(7)+X(2)=X(4)+X(5) X(7)+X(3)=X(4)+X(6) X(7)+X(4)=X(5)+X(6) 把上述可公度式表達成更為簡明的形式︰ ┌──────────────────────────────────┐
│ X(1)=1827 │ │ X(2)+X(3)-X(4)=1827 X(2)+X(4)-X(5)=1827 │ │ X(3)+X(4)-X(6)=1827 │ ┼──────────────────────────────────┤ │ X(2)=1849 │ │ X(1)+X(4)-X(3)=1849 X(1)+X(5)-X(4)=1849 │ │ X(3)+X(5)-X(6)=1849 X(4)+X(4)-X(6)=1849 │ ┼──────────────────────────────────┼ │ X(3)=1887 │ │ X(1)+X(4)-X(2)=1887 X(1)+X(6)-X(4)=1887 │ │ X(2)+X(6)-X(5)=1887 X(4)+X(4)-X(5)=1887 │ ├──────────────────────────────────┼ │ X(4)=1909 │ │ X(1)+X(5)-X(2)=1909 X(1)+X(6)-X(3)=1909 │ │ X(2)+X(3)-X(1)=1909 │ ┼──────────────────────────────────┤ │ X(5)=1931 │ │ X(2)+X(4)-X(1)=1931 X(2)+X(6)-X(3)=1931 │ │ X(4)+X(4)-X(3)=1931 │ ├──────────────────────────────────┼│ X(6)=1969 │ │ X(3)+X(4)-X(1)=1969 X(3)+X(5)-X(2)=1969 │ │ X(4)+X(4)-X(2)=1969 │ ├──────────────────────────────────┼ │ X(7)=1991 (預測) │ │ X(2)+X(6)-X(1)=1991 X(4)+X(5)-X(2)=1991 │ │ X(5)+X(3)-X(1)=1991 X(4)+X(4)-X(1)=1991 │ │ X(6)+X(4)-X(3)=1991 │ ┼──────────────────────────────────┘ 這個預測發布在1984年出版的《預測論基礎》一書的125頁, 當時並沒有引起人們的注意。七年后,一場特大洪澇災害襲擊了華東、華中廣大地區,這才有人想起,一位石油科學家對這場洪水早有預料。這次成功的預測影響十分深遠,很多人從此對翁文波的天災預測產生了濃濃興趣。 對沿海某地颶風海潮的預測
山東淶州灣之濱有個小鎮,從1862年建鎮以來居民們一直靠打魚、晒鹽為生,尤其是鹽業,是小鎮的主業,小鎮因此也成了山東的主要產鹽地。小鎮生活總的來說安定詳和。但鎮民們有個心頭之患,每隔若干年(短則四、五年,長則近20年),該地區就要爆發一次颶風海潮。 每當颶風海潮來臨時,10級以上的東北風驟起,大潮洶涌而至,平地起水一至兩米。颶風海潮的襲擊,輕則使船毀房塌,重則威脅人的生命安全。如1939年8 月31日爆發颶風海潮,當時僅700多戶居民的小鎮倒塌房屋數百間,毀船百余只, 鹽田幾乎全部被淹,損失難以統計。 關於颶風海潮還有一個小故事。1922年12月,山東各地的鹽商雲集濟南。由於各地鹽田豐收在望,貨源充足,加上民眾生活貧困,鹽價不高,生意並不好做。尤其是小鹽商,多仰仗大鹽商的收購。 來自小鎮的陸某是個大鹽商,看著清淡的鹽市,他正在考慮收購小鹽商的多少鹽為妥。突然,他的家人從小鎮發來一封電報,說淶州灣爆發颶風海潮,鹽田大部分被淹。當時電報是非常希罕的,只有上層官員和個別巨商有條件拍電報。陸某看到電報,心中暗喜,但表面若無其事,對電報內容嚴加守密。 第二天,他對來自家鄉鹽商的鹽一律優惠收購,並預付定金,簽訂契約,要求按時交貨。小鹽商對陸某感激不盡,急忙趕回小鎮運鹽。等回到家,那裡還有什麼鹽,只見到白汪汪的大水。 但契約已簽,小鹽商不得不等到第二年交貨,但由於前一年的颶風海潮,第二年鹽價猛漲,陸某因此大賺一筆。 這樣的故事只能發生在70年前。今天,電話已進入尋常百姓家,電報成了逐漸被淘汰的通訊工具,少數人壟斷訊息的時代已經一去不複返了。並且,國家氣象部門一般會提前48小時對颶風海潮發出預報。 但是,能不能提前幾個月甚至幾年對颶風海潮的來臨時間作出預測呢?到目前為止,還沒有人對颶風海潮作出超長期預測,但如果我們利用可公度性這把"尺子"去"量"一"量"一百多年來每次颶風海潮的來臨時間,就會發現並非毫無規律。 根據當地水文站提供的資料,100年來該地區共發生颶風海潮9次(東北風9 級以上,海潮高程3米以上,僅有颶風無海潮者不計,高程為黃海系),時間如下︰ X(1)=1892年(11月) X(2)=1914年(7月) X(3)=1922年(12月) X(4)=1939年(8月) X(5)=1952年(10月) X(6)=1964年(4月) X(7)=1969年(4月) X(8)=1980年(4月) X(9)=1992年(9月) 分析這9次颶風海潮的來臨時間, 可發現其時間間隔的可公度性的基礎量有兩個︰30年和11年(以年份為主,兼顧月份,允許誤差值為1年),見下式︰ X(3)-X(1)=X(7)-X(4)=X(5)-X(3)=30 X(5)-X(1)=60 X(8)-X(7)=11 X(2)-X(1)=22 X(7)-X(2)=55 X(7)--X(1)=77 X(8)-X(1)=88 X(9)-X(1)=99 由此可推出X(10)=1999,有︰ X(10)-X(7)=30 X(10)-X(4)=60 X(10)-X(3)=X(7)-X(1)=77 可見1999年與某些年份的時間間隔滿足基礎量為30和11的可公度式,這一年有可能再次發生颶風海潮。 我們知道,地球上很多自然現象都存在11年或22年週期,這很可能是由太陽活動引起的,因為太陽活動的主要標誌--太陽黑子數變化存在近似11年週期和22年磁性週期。山東沿海某地的颶風海潮來臨時間之差,大多為11年的倍數,也可能與太陽活動有關。 若表達成翁文波提出的可公度訊息系的一般表達式,也可得出相同的結論,見下表︰ ┼──────────────────────────────┐
│ X(1)=1892 │ │ X(3)+X(3)-X(5)=1892 X(3)+X(4)-X(7)=1892 │ ├──────────────────────────────│ │ X(2)=1914 │ │ X(4)+X(4)-X(6)=1914 X(1)+X(9)-X(7)=1915│ ├──────────────────────────────│ │ X(3)=1922 │ │ X(1)+X(7)-X(4)=1922 X(4)+X(5)-X(7)=1922│ ├──────────────────────────────┤ │ X(4)=1939 │ │ X(7)+X(1)-X(3)=1939 X(7)+X(3)-X(5)=1939│ ├──────────────────────────────│ │ X(5)=1952 │ │ X(3)+X(3)-X(1)=1952 X(3)+X(7)-X(4)=1952│ ├──────────────────────────────│ │ X(6)=1964 │ │ X(4)+X(4)-X(2)=1964 X(5)+X(9)-X(8)=1964│ ├──────────────────────────────│ │ X(7)=1969 │ │ X(4)+X(3)-X(1)=1969 X(4)+X(5)-X(3)=1969│ ├──────────────────────────────│ │ X(8)=1980 │ │ X(7)+X(6)-X(5)=1981 X(9)+X(5)-X(6)=1980│ ├──────────────────────────────│ │ X(9)=1992 │ │ X(8)+X(6)-X(5)=1992 X(2)+X(7)-X(1)=1991│ ├──────────────────────────────│ │ X(10)=1999 預測 │ │ X(4)+X(5)-X(1)=1999 X(3)+X(7)-X(1)=1999│ │ X(7)+X(5)-X(3)=1999 X(7)+X(7)-X(4)=1999│ └───────┴────────────────────── 這個預測有著非常重要的實際意義。如今的小鎮,已不是當年僅有幾百戶人家的漁業、鹽業大隊,從1986年起,小鎮周遭開發了一座年產量不低的中型油田,小鎮成了重要的石油基地。颶風海潮的襲擊不僅危害到居民的生產、生活,還會嚴重影響油田的生產。1992年的颶風海潮使油田的多座變電站、計量站進水,一部分油井停產。由於當時大部分油井遠離海灘,油田受損失不太嚴重。但從1995年起,在海灘發現了油氣流,平坦如垠的廣闊海灘上建成了一個頗具規模的石油、天然氣生產小區。海灘地區的海拔高程一般在1.0米左右,而颶風海潮的水面將達到3米以上,在颶風的影響下,潮水還會順著建築物的牆面爬高1.5米左右,所以如果特大颶風海潮再次襲擊淶州灣,海灘油氣小區將會蒙受巨大損失。我們預測下一次颶風海潮來臨的時間為1999年,希望這個預測能夠使油田職工和小鎮民眾掌握減災抗災的主控權,把損失減少到最低。 週期性與我們的生活形影不離,日出日落,花開花謝,月圓月缺,潮漲潮退,人類本身就是大自然週期性演化的產物。我們的生命也類似週期性地運動著,我們出生、成長、結婚生子,然後老去、死亡。新的一代又一步一步地大致重複這個過程。所以我們在生活中常常習慣性地分析某些事件的週期性,比如,"他每隔兩個月就要發一次脾氣",或者說,"他每隔三、四年就要取得一次好成績",等等。這都是在述說出現下某個人身上的週期性。有些老農能預測水災和旱災,也主要是他們累積了幾十年的天災資料,發現了其中的週期性。在湖南安鄉縣有好幾百位有看天經驗的老農民、老船民,他們用60年週期來預測水旱趨勢。1968年,許多老農說︰"明年是乙酉年,老乙酉(1849年)大水,前乙酉年(1909年)也大水,明年又遇上60年大水週期。"這個縣的氣象站根據民間經驗準確地預報了1969年的大水。可以說,週期性是預測天災最直觀的方法。 但是,並不是每一個自然現象都具有週期性,如淶州灣的颶風海潮,唐山地震等。當我們分析了一組數據,發現並沒有週期性時,許多人會說︰"哦,沒有規律可循﹗"我在淶州灣的小鎮收集水文資料時,曾問水文站從業人員︰"你們有沒有人預測過下一次颶風海潮什麼時候來?"回答說︰"那找不出什麼規律來的,有時四、五年就來一次,有時要隔十七、八年,沒有辦法預測。" 真的沒有辦法嗎?不,辦法是有的,那就是利用可公度性。雖說上面預測的颶風海潮還無法驗証,但翁文波已多次作出了成功預測,充分證明可公度性廣泛存在于各種自然現象中。 我們認為,可公度性是許多週期相互迭加和影響的結果。例如淶州灣的颶風海潮,如果沒有其它原素影響,很可能當太陽活動處于低谷,黑子數最少時,淶州灣都會爆發颶風海潮。可由於海潮還要受到月球的週期性影響,有時月球的影響抵消了太陽的影響,使得在太陽活動低谷沒有爆發颶風海潮;有時太陽和月球的影響會迭加起來,使得太陽活動不在低谷時颶風海潮也爆發;有時僅僅月球本身的力量就足以引發颶風海潮,這些原素使得淶州灣的颶風海潮看起來毫無規律。但是,太陽活動和月球影響的週期還是時隱時現,這樣就表現出可公度性。 當我們發現一組數據不存在週期性的時候,不妨用可公度性這把"尺子"量一量,也許會有新的發現。
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