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也谈《地震预报,路在何方?》
2009/3/14 8:41:59    新闻来源:中国水力发电工程学会
中国水力发电工程学会 www.hydropower.org.cn   日期:2008-10-22
 

勿将科学探索与伪科学炒作的混为一谈

文/水博

隶属于中国最高学术研究机构----中国科学院的《科学时报》可以说是我国科技领域内的最权威的刊物。经常在《科学时报》上发表评论文章的王中宇先生又是一位活跃在该报的,比较出众的科普工作者。也许是由于他多年的教学和科研经历,王先生写出来的文章往往秉承了科研工作者的逻辑严谨、资料翔实的特点,信息量大、引证内容出处清晰,对某一件事物的评价,也经常能从历史和现实的各个方面进行论述。王先生的很多文章能使人对所阐述的问题有一个比较全面地了解,往往能够起到很好的科学普及效果。我自己阅读王先生的一些文章之后,也经常有受益匪浅的感觉。然而,资料翔实、论述全面也不能保证所论述问题的观点就都是正确的,不仅如此,特别是在这种资料翔实、丰富得让人佩服的文章中所出现的错误观点,往往会更有欺骗性和危害性。因此,更需要我们认真对待。例如,在如何对待伪科学的问题上,我认为王中宇先生的观点就有失偏颇。

2006年11月15日,一封要求删除《科普法》中的反对伪科学一词的公开信在网上征集签名,“恳请将‘伪科学’一词剔除出科普法。”。随后《科学时报》用很大的篇幅发表了王中宇的《冷看“伪科学”之争》一文。该文不仅从科学理论上支持“废伪公开信”。而且,坚持认为《科普法》中写入“伪科学”是不妥当的。王认为《科普法》“不同于学术文件,法律文件必须可执行”。看来,王先生似乎还没有学习过法学理论,对法律的理解还有很大的偏差。

稍微了解一点法学理论的人都应该清楚,法律文件绝非“必须可执行”。要知道法律的作用非常广泛,除了强制作用之外还有指引、教育、引导、评价等规范作用。况且每一部法律中的具体法律条文,有些是表达法律规则的,有些是属于表达法律原则的。其中凡是表达法律原则的条文,几乎都是不可执行的法律文件。最典型的例如宪法,其中的很多条文,通常都是不可执行的法律条文。

在法律问题上,我与王先生的这些分歧意见几乎不需要争论,但是,在如何对待科学探索问题上,我们的认识分歧却还在一直延续着。汶川大地震发生之后的6月10日,王中宇在《科学时报》上又发表了一篇《地震预报,路在何方?》的署名文章。看过这篇文章之后,我对王中宇同志关于我国地震预报问题的详尽介绍和系统阐述非常钦佩,然而,同时也感觉到王先生的一些观点,仍然有袒护伪科学和误导公众之嫌。在这里,我发表一些自己不同的看法,希望能和王中宇先生以及感兴趣的网友共同探讨。

例如,王中宇在文章中有这样一段内容“类似地,洛仑兹的“蝴蝶效应”质疑的是大气动力学方程预报天气的能力。洛仑兹提出的问题,在计算数学中被称为“病态问题”——初值、边界条件的微小误差、数值计算中不可避免的误差,导致计算结果中的误差掩盖了理论上的真实状态。当年计算数学界对这个问题的主流努力方向是:寻找高精度的算法。而我在教书时,却告诉他们如何避免使用病态方程,如何评估一个数学模型的优劣。”

王先生阐述这段内容的目的,似乎是说很多我们解决不了的疑难问题,是因为我们所使用的主流理论是一种“病态方程”。随后,王先生的文章还得出结论说“在这样的背景下,学术界尤其需要宽容的胸怀,容忍、鼓励各种奇谈怪论。”。我认为“蝴蝶效应”是气象学上的一种客观现象,目前的空气动力学理论确实还无法解释,更无法准确的计算出这一问题。但是,我不赞同因此就简单的断言我们目前的空气动力学的计算方法,就是一个“病态方程”。因为,我们不能由于目前的空气动力学解释不了“蝴蝶效应”就把空气动力学的作用完全否定掉。我认为目前的空气动力学在计算“蝴蝶效应”的时候,不是什么“病态方程”而是根本就还没有建立起方程。因为,我们目前还不能从理论上了解空气动力系统的震动机理。我觉得“蝴蝶效应”本质上可能就是空气动力系统中的一种共振现象。在固体力学的震动理论发明之前,我们对于一座可以承受几十吨载重汽车的大桥,竟然能被几个整齐跑步的人压垮也同样感到费解和束手无策。但是当我们掌握了固体力学的震动理论,知道任何结构都有一个固有频率。一旦外力所施加的周期性荷载,与结构本身的国有频率重合,就会把每次所施加的能量叠加、放大,以至于造成结构的破坏。

我认为“蝴蝶效应”的系统能量放大作用,应该是一种空气动力系统理论中的共振现象,在某种条件下一个很小的周期性荷载,也可能会引起系统内巨大的能量运动或者说灾难。不过,由于我们目前的理论还不能确定包括整个大气层的复杂空气动力系统的“固有频率”,所以,我们对“蝴蝶效应”还无法通过方程计算出来。也就是说,对于空气动力学,我们还没有计算共振问题的方法(方程)。这里我们所说的啊“没有方程”与王先生的“病态方程”的区别,对于计算“蝴蝶效应”本身来说影响不大,但是,它却会严重的影响到我们对整个空气动力学的整体评价。我认为王先生教导其学生的“避免使用病态方程”的办法,有点像鸵鸟把自己的头扎进沙土里,不仅解决不了任何问题,而且还会丧失我们利用现有的空气动力学知识,解决其它气象问题的机会。

在其他科学领域也是一样,尽管我们的现有的科学理论还不能解决所有的问题,但是,决不能认为现有的主流理论就一定是“病态方程”。我与王先生的这些分歧态度,实际上是关于绝对真理与相对真理的关系问题。我的观点是,我们不应该因为现有的空气动力学不是绝对真理,就否定它的相对真理作用。而王先生把空气动力学视为“病态方程”的做法,相当于说,既然还不是解决所有问题的绝对真理,所以就应该用“病态方程”否认其可能具有相对真理的作用。然而,现实当中一旦我们否认了已经取得的现有科学的相对真理作用,我们当然无法去判别什么是正确的、什么是错误的;当然也无法鉴别科学与伪科学;同时也必然就会得到王先生“在这样的背景下,学术界尤其需要宽容的胸怀,容忍、鼓励各种奇谈怪论。”的结论。根据这些结论,王先生不承认科学与伪科学是可以鉴别的,不同意反对伪科学的提法,当然都是顺理成章的。

我与王先生的这些分歧,还可以更明确地体现在王先生文章下面的这样一段论述中。王先生说“事实上,任何学科的理论基础都只是假说,牛顿力学长期被视为真理,却受到了光速试验的挑战。此后相对论被视为真理,但连爱因斯坦本人都认为这只是一个过渡性理论。相对于客观现实,任何理论都不过是一幅画,不同理论间的差别在于表现现实的不同方面,以及与现实的吻合程度。将现有的权威理论视为裁决研究思路的准则,恐怕更接近于迷信,而非理性。”

这些说法,进一步表达了王先生认为现有的科学结论,都不能作为判别研究思路的准则。我觉得这就是一种典型的否定真理相对性的态度。真理的相对性一方面要承认不存在包罗万象的绝对真理,同时,也要承认在给定的条件和范围之内,相对真理确实是存在的,是不可改变客观规律的正确总结。牛顿力学和相对论都不可能是简单的“一幅画”,而是经过多年的探索和严格的理论证明的客观真理。在日常状态下牛顿力学无疑都是正确的,如果某个所谓的发明和创造违背了牛顿力学的基本定律,我们几乎立刻就可以断定“它是错误的”。在微观世界和光速运动特殊环境下,牛顿力学确实不能再适用,然而,相对论的有关理论应该是正确的。当然,随着人类对客观世界的认识深入和发展,我们将来确实还有可能发现相对论也不能使用的新领域,需要发明某种新的理论解决新领域中的有关问题。但是,我们不能因为存在着这种可能性,就武断地认为牛顿力学在正常状态下也有可能被打破;认为在量子力学中相对论也不一定就正确。这种逻辑关系就有点像我们几何学中的定理。在欧几里德空间,由于所有的欧式几何定理都必然满足充分、必要性的证明,因此,所有违背定理的结论,一定就是错误的。除非你能证明你所阐述的问题具有某些特殊性,已经超出了欧式空间的基本假设和条件。

王先生的对伪科学异常宽容态度的根源,在于并不要求研究发明者证明自己所研究的问题可能是超出了“欧几里的空间”,就一味的强调欧式几何定理不能作为判别研究者结论正确与否的标准。我们当然不能否认,研究者所探讨的问题,可能会存在“已经超出了欧式空间的基本假设和条件”的情况,但是,我们严谨的科学态度是在研究者本人还不能证明这一点的情况下,我们还只能用欧式几何定理来判别研究者所提出来的新结论。

例如,当年有人提出“水变油”科学家根据能量守恒的定律,立刻就可以判断这个结论是不可能的。也许若干年之后,当我们已经掌握了核聚变技术,确实不排除利用海水中的氘和氚产生巨大能量的可能。然而,我们决不能因为未来的新领域内的存在某些成果的可能性,就听认伪科学“水变油”的欺骗。在鉴别伪科学欺骗的问题上,王先生的“将现有的权威理论视为裁决研究思路的准则,恐怕更接近于迷信,而非理性”说法,显然有可能是对伪科学欺骗的一种鼓励和纵容。当然,这里我们争论的前提,首先还要解决如何判断所谓新“研究思路”是真正的一种研究思路还是某种炒作欺骗?因为,单纯的科学研究是公民的基本人权,任何人都无权干涉、反对。

在这方面,王先生的文章的最前面和最后,反复强调了一句非常精彩的总结“科学理论不应该只是已知世界的家政服务员,一种好的科学理论还应该是一把用来开启未知世界大门的钥匙”。我们之所以说这句话说得精彩,就是因为它不仅说明了我们的科学研究的不同作用,而且也给出了一种我们判别伪科学欺骗与新研究思路的可能办法。

对于探索未来世界的研究思路,我们当然没有理由去反对、去挑剔。但是对于那些喜欢把自己探索“开启未知世界大门的钥匙”的某种努力,非要故意混淆,极力把自己的行为宣传成为是“已知世界的家政服务员”的种种做法,我们一定要提高警惕。在这种情况下,伪科学欺骗的目的往往不是什么科学研究,而是藏在科学研究背后的名誉和利益。

袁隆平院士当年的杂交水稻理论,也曾经不被当时的学术权威们所接受,但是袁隆平院士潜心坚持自己的研究,最后,用科研成果证明了自己新理论的正确性。因为,科学是一种不以人的意志为转移的客观真理,真正的科研成果,根本就不需要发明者去进行炒作。反之,伪科学的炒作,即使一时蒙骗了领导、公众,也早晚要败露。例如,依靠伪科学炒作的骗取、浪费了国家几亿投资,最终一无所获的“水变油”,和极力宣称已经发明了包治百病的全息生物治疗仪的张颖清,不久后自己便死于绝症的巨大讽刺,都说明伪科学欺骗的最大特点,往往就是喜欢把“开启未知世界大门的钥匙”的某种尝试,硬要当成是“已知世界的家政服务员”,从而骗取相应的名誉和利益。我们在《科普法》中规定反对伪科学的目的,决不在于压制某个人的某种科学研究的权利和行为,而在于反对冒充“家政服务员”伪科学的虚假炒作,避免社会公众被误导或者上当受骗。

在地震预报方面也是一样,任何人对地震机理、预报的科学探索都应该鼓励、支持,但是,对于那些一再宣称“自己发明的方法,已经成功预报了某次地震,而因为遭受压制没能发挥作用”的伪科学骗子们。我认为他们无非就是在混淆“开启未知世界大门的钥匙”与“已知世界的家政服务员”的两种功能的区别,希望由此骗取相应的名誉和利益。否则,他们为什么都是事后诸葛亮。从来不敢说自己准确预测出了下一次地震?不管是科学时报的“官科”,还是天地生人的“民科”,如果还有人对我们的这种评价不满意,尽可以站出来申辩。从今天起我们可以在一个公开的网站上,公布地震大仙们所有的地震预报,通过实践的检验,明明白白的让大家看看其准确性到底如何。看看这个世界上有没有人愿意雇用一个天天都在家里喊“狼来了”的家政服务员。

遗憾的是,精辟的总结出“科学理论不应该只是已知世界的家政服务员,一种好的科学理论还应该是一把用来开启未知世界大门的钥匙”的王中宇先生。似乎还没有意识到,做好“家政服务员”与探索“未知世界大门的钥匙”的两项功能是不能随便混淆的。能够充当“家政服务员”的科学理论,往往都是我们已经取得的“相对真理”。而打着探索“未知世界大门的钥匙”的旗号,诋毁我们已经取得的相对真理,冒充“家政服务员”的,往往都是些居心叵测的伪科学骗子。不要忘记,探索“未知世界大门的钥匙”是受到宪法保护的公民科学研究的基本权利和自由。不仅谁也不会去反对,而且谁也无权去反对。但是,对于企图通过哗众取宠的炒作,把自己的所谓的科研成果吹成“家政服务员”的伪科学欺骗,我们每一个科学工作者决不应该姑息迁就。我们的《科普法》与王先生观点的不同之处仅仅在于;我们鼓励任何科学的探索,但是,决不会纵容任何冒充“家政服务员”的伪科学炒作和欺骗。

说明:由于《科学时报》的原文文章的一些内容确实很精彩,非常值得一读。特将原文全文附后。

地震预报,路在何方?

科学时报 2008-6-10 作者:王中宇

“科学理论不应该只是已知世界的家政服务员,一种好的科学理论还应该是一把用来开启未知世界大门的钥匙。”

地震到底能不能预报?汶川地震后出现了对立的声音:一方搜索各种相关文献,将那些警告龙门山地震危险的文章一一公布,以证明地震局失职;一方则以科学权威的身份指出,在现今科学水平下,短临预报成功率很低,即使人们津津乐道的海城预报,也有“运气”的成分,现在不应对预报(尤其是短临预报)寄以不切实际的希望,而应在地震监测网站上加大投入,以期若干代人后,或许能攻克这个世界难题。

看来,地震预报是个尚未取得共识的学术领域,让我们从研究思路着眼,领略一下学者们在这条道路上走过的艰难历程。

回顾过去的地震预报研究,可以识别出研究中的三类主要思路。

思路一:构造运动

地下岩层突然发生断裂,在极短时间内释放出大量的能量,产生了地面位移和错动并辐射出地震波。构造地震就是这样产生的。这个概念叫做地震的断层成因论。多数地震学专家对此都无异议,差不多已成定论。

至于断层的产生,一般都假设是由于构造运动使地球内部的切应力慢慢积累并在某些地区集中。当积累的应力超过一定限度时,便产生了断裂。这样,地震活动性就与最新大地构造形态发生了联系,即是说,地震应发生在构造差异运动最显著的地区。

沿着这一思路,地震预报的基础是摸清构造运动的态势。1967年初,李四光提出要调查和鉴定现今还在活动的构造带和构造体系,确定活动的程度和频度,进行地应力场的分析,找出确有发生地震危险的地带或地区。1970年编制完1∶400万《中国主要构造体系与震中分布图》。成图后,在20世纪70年代,我国发生7级以上地震共l4次,其中有10次发生在该图预测的危险区域或边缘,即该图覆盖了71%的强震发生区域。此次汶川地震就发生于早已发现的龙门山断裂带。

摸清断层分布后,就需要检测各板块或地块的相对运动,发现那些挤压或拉伸最强烈的断层,它们可能就孕育着地震。

由于当时的技术手段还无力精确、可靠地监测板块或地块的相对运动,可行的选择是监测这种运动的后果——应力异常。邢台地震后,地质部地质力学研究所在李四光指导下,立即在河北隆尧尧山建立了压磁地应力观测站。到1976年唐山地震前后,我国共建立110个地应力观测站。

1966年3月22日河北宁晋发生7.2级震,震中烈度10度。震前十几小时,尧山压磁地应力观测站获得了一个突然加压,地应力曲线呈“膝”状的压力信号,提示了地震与地应力异常的相关性。

1969年谢挺通过河北省里坦镇一个4级多地震地应力状态变化,在世界上第一个提出:地应力曲线的“凹兜”异常主应力方向可以指向震中,多台可交汇震中。

1971年一季度,地震地质大队运用“凹兜”负异常及其异常主应力方向交汇震中区,基本正确地预报了在山西、河北交界南段发生的3个4级左右的地震(2月22日黎城4~3级地震、3月1日临城4.4级地震、3月16日巨鹿4.0级地震),当年6月3日20时,地震地质大队向中央地震办公室上报《地震预报登记卡》:

时间:1971年6月4日~6月l2日。

地点与震级:

1.昔阳、长治、平遥、临汾连线范围发生5级左右或3.5~4级震群。

2.渤海地区(包括辽宁、长海)发生4级左右。

结果是1971年6月5日发生了4.8级和5.2级地震,震中距昔阳30公里。这是中国及世界上第一张预测破坏性地震三参数基本正确的文字地震预测记录。

2004年12月,中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室尹祥础在《力学与实践》第26卷第6期上发表《地震预报的新途径加卸载响应比理论》,提出:

“地震的孕育过程就是震源区介质的损伤、演化、破坏过程。这一过程主要是力学过程,抓住这一点就抓住了问题的本质。”

“如果材料的受力单调增加,材料将分别经历弹性变形、损伤、失稳等过程。弹性变形的最本质特征为其可逆性,即加载过程和卸载过程是可逆的,因而,其加载响应率和卸载响应率相同,损伤过程的本质特征与弹性过程相反,具有不可逆性,反映在本构曲线上,其加载响应率大于卸载响应率,这种差异反映了材料的损伤或劣化程度。”

他用岩石作破坏试验,以岩石在压力下的声发射作为响应,计算其加卸载比。试验证明,在弹性变形区间,加卸载比在1附近波动,在试件破坏前夕加卸载比显著上升。论文提供了用此法预测1990~2002年底北京地区4.5级以上地震的效果,预测的准确率高达80%。

类似地,民间学者孙威也从岩石破坏试验和加载、卸载角度研究,但他选择的“响应”是用自制仪器记录的地应力,并用多个站点交汇出可能的震源。在孙威的网站上公布了自2003年以来,自己所作5级以上地震短临预报与实际发震对应情况。在其2008年4月28日的预报中,预报了5月7日有地震;在其2008年5月7日的预报中,又预报了5月14日有地震,但两次预报图中交汇的预期震源都远离5月12日的震源——龙门山断裂带,根本就不在中国大陆上,且震级最高的也不到6级。(http://www.mdcb.net/EQPrediction.asp)

思路二:由前兆找机理

第二种思路认为构造运动不足以解释地震,应从前兆与地震的对应关系中寻求其他解释。

美国地震学家李克特在《地震学初步》中就指出过,真正伴有明确的成因断层的大地震,观测到的并不很多,典型的有日本浓尾地震(1891年)和美国的旧金山地震(1906年),但是更多的大地震是找不到成因断层的,看到的断层多半是次生的,即是说,它们是地震之“果”,不是地震之“因”。

1976年的唐山大地震时,人们在震中区发现了很长的断层,但是在断层上打钻,证明它是很浅的。一个很浅的断层,即使很长,也未必能产生那样大的地震。所以它很可能只是地震的次生现象。

根据断层成因的概念,大地震应该发生在大地构造差异运动较强烈的地区,因此地面上可以观测到的构造差异运动的痕迹就成了估计一个地区的地震危险性的一种判据。但事实上,大地震往往并不发生在有明显差异运动的地方,1966年之前,邢台地区就未发现明显的构造差异运动。

虽然几十公里长的断层所释放的能量是可观的,但分布得也很广。如何能集中在局部地区以产生山崩地裂的破坏,其物理机制也还不清楚。(见《傅承义谈地震》1988年《科学》32卷2期)

这次汶川地震,我国在构造运动方面的监测能力已大大增强,2001年启用的中国地壳运动观测网络正式运行7年,每年超过0.5毫米的移动就能测出。据美国地质勘探局地震学家露西尔·琼斯称:龙门山断层带属于活跃断层,以每年若干毫米的速度在移动,今年的研究记录显示,它今年来每年移动15毫米。(《美国地震专家:短期临震预报是世界性难题》2008年5月20日新华网北京)。

尽管如此,在5月16日人民网强国论坛的访谈中,中国地震局原副局长何永年仍表示:

“对于地震预报来说,研究人员有发现地震前兆的手段,但是通过对地震记录的研究表明,汶川地震确实在震前没有异常前兆。”

看来地震预测不能吊死在一个理论假说上。

傅承义院士于1971年提出关于地震成因的红肿假说:震源区是破裂区,前兆异常场区域是红肿区。根据这样的假说,地震预测的重点应是寻找与地震相关的前兆信息,并试图作出解释。

北京市地震队耿庆国从史料中寻找地震与气象的关系,发现:

“6级以上大地震的震中区,震前1~3年半时间内往往是旱区。旱区面积随震级大小而增减。在旱后第三年发震时,震级要比旱后第一年内发震增大半级。”

1972年11月,在山西临汾召开的地震科学讨论会上,耿庆国据此提出了“旱震关系大地震中期预报方法”。他对旱震关系的解释是:因为地热的变化,引起不容易降雨。事实上有相当多的地震前兆研究在关注地表热辐射。

1975年1月15日,在全国地震趋势会商会议中国东半部组讨论会上,傅承义认为:

“旱震关系是红肿假说的最好的证据——震中所在的特旱区是红区,而大面积旱区则是肿区。”

耿庆国据此作出了一系列的大震的中期预报,涉及的地区包括北京、天津、石家庄、太原或包头、张家口、唐山、沧州、邯郸、介休、大同、银川、固原,以至于被人称为“敢报大震的人”。

旱震关系解决的是中期预报,耿庆国又从气象角度研究短临预报的方法,1975年5月写了第一篇有关论文,在北京市地震队内外进行交流,正式提出地震前30天内的短期临震气象要素五项指标异常的概念、特征及其震例。他据此预测了唐山地震,时间在30天范围内,地点在京、津、唐、渤、张地区。

其实,民国年间《重修隆德县志》总结出的“地震之兆约有六端”,也属此类:

一、井水本湛静无波,倏忽浑如墨,泥渣上浮,势必地震。

二、池沼之水,风吹成谷荇交萦,无端泡沫上腾,若沸煎茶,势必地震。

三、海面遇风,波浪高涌,奔腾萍淘,此常情。若风日晴和,台飓不作,海水忽然绕起,汹涌异常,势必地震。

四、夜半晦黑,天忽开朗,光明照耀,无异日中,势必地震。

五、天晴日暖,碧空晴静,忽见黑云如缕,蜿如长蛇横亘空际,久而不散,势必地震。

六、时值盛暑,酷热蒸腾,挥汗如雨,蓦觉清凉如冰雪冷气袭人,肌之为栗,势必地震。

其中的“天晴日暖,碧空晴静,忽见黑云如缕,蜿如长蛇横亘空际,久而不散,势必地震”,以后就发展为“地震云预测法”。有了卫星云图后,就有人专门观察卫星云图,试图寻找地震的征兆,如民间学者寿仲浩,还曾连续在网络上公布自己据此作出的预报(http://quake.exit.com)。

“九五”期间,我国还在华北、西北、西南等地建立了卫星遥感观测站,接收卫星图像数据,开展相应区域的热异常监视。这或许可视为“红肿假说”的新实践。

沿着这一思路,还有很多研究方向,如地电、地磁、地形变、地下水、动物行为异常、磁暴、天文等等。

思路三:数据导向

1996年,美国学者S.G.Eubank从复杂性科学角度研究地震预测问题,他提出:传统物理的建立模型是试图依据在小尺度范围内得出的物理学定律来解释和预测大尺度事物的性质。对于复杂系统来说,上述方法不大适用。他提出应建立从数据出发的模型(data-driven mode1),但没有提供实例和具体方法。

在我国的实践中,有人直接利用统计理论进行地震预测。如中国地震局地球物理研究所陈学忠,发现自1800年以来,四川地区7级以上地震发生的时间间隔平均约为16年,最长为34年,最短为3年,时间间隔在23年以下的占83%。自1900年以来,四川地区7级以上地震平均时间间隔为11年,最长为19年,最短为3年。

同时他还发现:1900年以来,在四川地区发生的7次7级以上地震或者是大陆地区的首发地震,或者是其他地区发生7级以上地震,然后再在四川地区发生7级以上地震。

据此他指出:

“从1976年以来四川地区已经26年没有发生7级以上地震,远远超出平均时间间隔,是严重缺7级以上地震的背景。在这个背景下于2001年11月14日在青海—新疆交界发生了8.1级巨大地震,这很可能意味着四川地区下一次7级以上地震孕育已经接近成熟,在未来1~2年的时间内就可能发生!从2003年起就有发生的可能。”

换而言之,自2003年起,四川就进入了地震高危期。(陈学忠《四川地区7级以上地震危险性分析》)

1966年唐山地震后,与李四光一同临危受命的翁文波,在分析大量历史资料和数据后,意识到客观存在的事件集可分为常态子集和异态子集两类。常态子集可用数学期望、方差、平均值、中位值等统计量表现;而重大灾害往往属于异态子集,需另有方法探索其信息结构。由此他提出了“可公度性”等理论,发表了《预测论基础》等一批专著。

从1982年到1992年,他据此预测了60次国内地震,实际发生52次(占86.67%),平均时间误差41.75天,平均距离误差399.71公里,平均震级误差0.72;预测了70次国外地震,实际发生57次(占81.42%),平均时间误差48.35天,平均距离误差692.10公里,平均震级误差0.61。

2006年9月《灾害学》第1卷第三期上,刊登了陕西师范大学旅游与环境学院龙小霞等人的论文《基于可公度方法的川滇地区地震趋势研究》,用“可公度法”对川滇地区强烈地震的历史数据进行推算与预测,得出结论:

“川滇地区下(几)次可能发生≥6.7级地震的年份为2008年。”

成都地震局的徐水森也用可公度法预测过四川的强地震活动。

三次攻关

中国大陆1976年以后出现了10多年的强震活动较弱的时期,使地震工作者可以有足够的时间总结经验、认真反思、深入研究。这期间地震局的工作集中体现在三次“攻关”上。

1983~1986年,“清理攻关”:对各种预报地震的理论基础、观测仪器、观测技术、方法效能作出了评价。在这次清理攻关的基础上,利用清理后的全国精密水准资料研究和编制了第一张全国地壳运动速率图。同时因精度不足基本上停止了水平形变测量工作。

1987~1989年,“实用化攻关”:对各种观测资料曾出现过的所有异常进行系统的统计分析,着重对异常出现之后,伴有和不伴有中强以上地震发生的正反两方面情况作了系统的对比研究。在此基础上编制了许多“实用化”软件。然而,由于对地震前兆的机理缺乏深入认识,地震预报的实际水平始终没有实质性提高。加之经费投入的原因,被认为是比较有效的垂直变形测量的规模也大大萎缩。重力测量也大为减少,定点和流动测量经过改造、新建和撤销,在较小的规模维持。

1991~1995年,“地震短临预报攻关”:重点放在寻找地震的“前兆标志”上,以图解决地震预报问题。其思路,是将各学科前兆的一般性特征标志综合起来,建立起“前兆标志体系”。有了各单学科的实用化的方法、软件,结合“前兆标志”,以及综合判别的“专家系统”和“前兆标志体系”,只要将观测结果输入计算机,输出的就是具体的预报意见。为此,广大地震工作者花了大量的时间和精力,但用于预测预报实践的效果却有限。

可以看出,历时超过10年的连续三次攻关,其目标是指向短临预报。

1972年,在全国地震工作会议上,马宗晋院士提出了渐进式地震预报模式:以7级左右地震的预报为目标,提出了长期(几年以上)、中期(几个月至几年)、短期(几天至几个月)和临震(几天以内)的预报分期方案,同时把震时和震后也列为两个必要的阶段,并整理了当时所知各阶段可能出现的主要前兆表现。由此,长、中、短、临渐进式预报思路初步形成。此后,这种模式成为全国年度地震形势研究的基本工作程式,延续至今,国外称之为中国地震预报程式。

1972年11月山西临汾召开的地震科学讨论会上,决定建立一年一度的全国地震形势会商会制度,对近一两年地震形势进行估计,并指导和协调近期的监测预报工作。这一措施推动全国地震预报工作进一步走向科学化与制度化。

海城地震与唐山地震的经验告诉我们,对于破坏性地震,有无短临预报,后果如霄壤之别。然而连续三次攻关,却未达到预期目的。地震学界普遍认为,其根源在于对孕育地震的机理认识不清。

目前,主流地震理论是从构造运动的角度研究地震。中国地震局地质研究所副研究员楚全芝等人在《中国大陆地震构造特点及其在地震危险性预测中的作用》(《地球物理学进展》第22卷第2期2007年4月)中描述了这种研究的进展和遇到的难题:

目前多数人接受将晚更新世以来有过活动的断层定义为活断层。一般认为,如果某断裂晚更新世以来不活动,那么就不会发生7级以上的大震,并且认为发生6级左右地震的可能性也大大减小。

然而,到目前为止中国大陆内部已知的活断层有数百条。随着活断层研究的不断深入,活断层的数目还在不断增加。据统计,中国大陆平均约一年半就有一次大震(M≥7.0)发生,如果要作出1~3年的中短期地震危险性预测,可能发生的地点仅有一至两个。若从这数百条活断层中挑选出一两个可能发生大震的地点绝非易事。因为这些都是活断层,彼此都处于同一个水平线上,缺乏进一步取舍的依据。若再考虑到相当一部分断层晚更新世以来是否活动还远远没研究清楚,特别是在第四系覆盖的隐伏区,预测发震地点的难度就更大。

文章给出了一级地震构造单元3个,二级构造单元7个,三级构造单元30个。

文章描述了各块体的活动性和地震危险性,比如指出:

“近十年来沿渤海——张家口——河套地震断裂带中强地震活动频繁。它是华北地区活动最明显的地震断裂带。如果在华北地区再次发生大震,那么发生在渤海——张家口——河套带上的可能性最大。”

而对川滇地区,关注的不是龙门山断裂带,而是鲜水河一安宁河一小江断裂带:

“川滇地区重点关注鲜水河——安宁河——小江地震断裂带。”

在这样的认识水平上,对中长期地震危险性的预测有一定的把握,而对短临预报确实无把握可言。而社会最需要的恰恰是短临预报,面临困局,地震界路在何方。

盖勒论战

1996年,盖勒(Geller)等人在《自然》和《科学》等杂志上连续发表文章,提出地震不能预报,盖勒认为:

“处于自组织临界状态的大地,任何一次小地震都有可能灾变为一次大地震”。而“小地震发展成为大地震将决定于不仅是其断层附近,而且是其整个(震源体)空间的物理状态的无数细结构”。

因为人们根本无法掌握深部无数细结构的临界状态,所以他认为地震根本不能预报。这在国际地震学界引发了激烈的争论。

1997年3月19日,《科技日报》根据《科学》Vol.275等的文章刊出了题为《几位科学家联合撰文断言地震根本不能预报》的报道,将这场争论引入国内,并得到了地震学界主流学者的共鸣。

以下论述很能表现当今地震界对地震预报的主流认识:

浅层具有破坏性的地震都发生在十几至几十公里深度的地壳内,可以想象,那些大大小小的断裂都是经过漫长的地壳运动,当然也包含着若干次地震而生成的,显然,地壳运动可以产生断裂,断裂也可以引发地震。

人们尚无法取得震源区的岩石介质的性质、破裂强度、应力状态和积累速度,以及其随时间的区域演化状态,再者整个地壳都在运动,应力存在于地壳的每一点上,目前尚不能取得一个地区的应力图像及其随时间的变化,更无法取得更多地区的应力图像和变化,以及它们可能破裂发生地震的顺序,以及震后应力调整、重新分配的过程与状态。

即使是取得一百年、几百年甚至更长时间的资料,对于地壳运动来说,也只是极其短暂的。当然,这并不是说,地震不可预报,而是能达到什么程度,如上所述,地震的“震级、时间、地点”三要素,都能预报得十分准确,将是十分困难的,我们决不能把复杂问题简单对待;百万年的问题,朝夕对待。 (马廷著《感受地震预报》)

这一观点其实与前引盖勒的观点异曲同工。只是盖勒说不可能,而这里说,是“复杂问题”,不能“简单对待”;是“百万年的问题”,不能“朝夕对待”。

2004年8月,中国地震局组织了一次对我国地震事业至2020年中长期远景发展规划的专家论坛。在论坛中,有些专家提出,既然地震预报难度如此之大,再有十年、二十年也未必会有什么进步,而随着国家GDP的增长,房子愈建愈好,建筑物震害死人的事将会逐渐减少,因之监测预报未必还值得花钱继续组织攻关,从而提出“要进一步论证监测预报领域发展的必要性”。

这场论战从根本上转变了国家地震局的战略思路。国家地震局的战略重心从预测预报转向了防范。从国家地震局的职能定位和部门分工上能清楚地看到这一点。在国家地震局的11条职能职责中,只有一条涉及地震预报:

“(六)管理全国地震监测预报工作;制定全国地震监测预报方案并组织实施;提出全国地震趋势预报意见,确定地震重点监视防御区,报国务院批准后组织实施。”

其中涉及实际预报的只有“地震趋势预报”。

地震局的六个司中只有一个司(监测预报司)涉及地震预报,其十一项职能中,只有前三项半涉及地震预报,其中涉及实际预报的只有“地震趋势预报”:

“管理全国地震监测预报工作;

拟定全国地震监测预报方案并组织实施;

统一规划全国地震监测信息系统;

提出全国地震趋势预报和确定地震重点监视防御区的意见并组织监督有关震情跟踪;

承办国务院抗震救灾指挥机构的日常灾情处理事务;

对地震震情和灾情进行速报;

组织地震灾害调查与损失评估;

提出对国内破坏性地震作出快速反应的措施建议;

拟定国家破坏性地震应急预案;

建立破坏性地震应急预案备案制度;

承担国际禁止核试验的地震核查工作。”

可见地震预报在国家地震局的地位。然而汶川地震震动了整个中国,甚至震动了整个世界,作为一种毁灭性的灾害,人类不能认识它,它就会控制人类。面对这一困境,人类的出路何在?

理性与迷信

观察已有的地震研究思路,发现构造运动是“正规军”的主流思路,而这种思路必然导致要求穷尽整个地壳内部的无数细节,而每一个细节对是否发生地震的影响都是高度随机的。其实,任何一个巨大的系统都是由无数细部构成的,它们之间关系复杂而不可能穷尽。这正是盖勒的立论基础。

江在森、张国民等在《地震预报回顾与展望》(《国际地震动态》第5期 总第317期 2005年5月)中指出:

“目前人们还很难分清构造运动、地震孕育和部分干扰所呈现的前兆异常的区别和联系,所以不存在一一对应地震的前兆异常和地震活动性异常。”

“1995年1月17日本阪神地震前,虽然在日本有密集的GPS观测网,但并没有观测到显著的形变异常。与此形成鲜明对比的是,美国圣安得烈斯断层上的帕尔姆地区,1959~1974年,虽然水准观测到最大达35cm的地面隆起异常,但至今并没发生显著地震。”

可见,沿构造运动的思路,即使穷尽了全部细节,也未必能把握地震的孕育。地震孕育与爆发,是一个复杂巨系统的行为。对于复杂巨系统,靠穷尽细节来把握其行为,尚无成功先例,然而这不意味着复杂巨系统不可认识。

例如,一只军队就是由成千上万的人员构成,任何指挥员都不可能预知每个人的行为。按穷尽细节的思路,军队是不可控的,战争是无法驾驭的,战局最终是由一颗螺丝钉松动与否决定的,而这颗螺丝钉混在上亿颗同样的螺丝钉中,连上帝都找不出来。

事实上,在军事学术中,根本没有这种思路的立足之地。它必须探索决定军队强弱、战局胜负的因素,而且,其结果往往出人意料。以数量、装备、训练、给养、薪俸、教育程度论,当年中国共产党的军队根本无法与国民党的军队匹敌。如果我们仅以这些要素来构造数学模型,预测两军的战局,能得出什么结论?而结果呢?

可见把握一个大系统,首要的是开放的心态和高屋建瓴的视野,这是一种战略性的思维。靠穷尽无数细节来把握整体,这种还原论的认识方法,在复杂巨系统的研究中,只能导致困境。

盖勒从“自组织临界状态”的视野质疑地震预报的可能性。他质疑的其实是主流地震学理论把握地震现象的能力。类似地,洛仑兹的“蝴蝶效应”质疑的是大气动力学方程预报天气的能力。洛仑兹提出的问题,在计算数学中被称为“病态问题”——初值、边界条件的微小误差、数值计算中不可避免的误差,导致计算结果中的误差掩盖了理论上的真实状态。当年计算数学界对这个问题的主流努力方向是:寻找高精度的算法。而我在教书时,却告诉他们如何避免使用病态方程,如何评估一个数学模型的优劣。

不当教书匠多年后,却发现在事关社会安危的学科领域,主流理论导致的数学模型竟是病态方程。只要无法突破这样的思路,所谓预测当然是要等“百万年的问题”。可见盖勒、洛仑兹的贡献在于发现了主流理论的功能极限,迫使学界另觅蹊径。正如中国地震局第一监测中心黄立人在《地震研究中的大地测量》(国际地震动态第3期 总第315期 2005年3月)中指出的:

“由于解决地震预报的科学思路并未真正找到,地震预报又不是一个单靠投入就能解决的问题,因此,相比之下目前更缺的是基础研究的投入。”

许绍燮院士更深刻地指出:问题可能在现有知识框架:

“地震预报的困难主要是因为地震的复杂性,其成因机理超出了现有知识框架”。因此,“不要忌讳与我们现有知识的冲突,发现冲突就是发现了我们现有知识框架的弱点、缺陷,为我们进一步提高其水平创造了条件。”“从现有知识框架演绎恐难奏效。纸上谈兵是不会获得好结果的。来自地震实践的现象要尊重;未经地震实践的观念要存疑。”(许绍燮《地震预报发展战略在于创新》2005年5月《国际地震动态》第5期 总第317期)

在这样的背景下,学术界尤其需要宽容的胸怀,容忍、鼓励各种奇谈怪论。

构造运动很可能只是地震孕育的机制之一。傅承义院士的假说可能是地震孕育的另一机制,耿庆国走的路在某种程度上就是傅承义院士看到的路。还有一些看似奇怪的研究思路,其背后或许是我们尚未意识到的其他孕震机制,而翁文波的可公度理论,背后或许是触发地震的机制。这些机制之间,可能存在着某种复杂的层级关系。

然而这许多非主流研究被主流视为非理性。这些研究者则被尊为“奇人怪才”,被归入“六合之外,存而不论”的范畴。

其实,今天的主流理论起源于1910年德国人魏格纳提出的“大陆漂移”假说,其灵感来自对地图的观察。在1910年,现代科研体制已经确立,“理性”已经取得了统治地位。1915年魏格纳出版《大陆和海洋的起源》一书,由于它提供的证据主要来自动植物和冰川的分布,大多数地球物理学家不屑一顾。最主要的诘难是:没有发现能让大陆在水平方向移动几千公里的原动力。这一论据的隐藏假设是:没发现等于不存在。

1930年魏格纳在格陵兰探险中失踪,他的假说随之被“理性”的学术界遗忘。笔者第一次知道“大陆漂移”假说,是少年时在科幻杂志中看到的。

直到1950年发现新证据,才让地球物理学家正视“大陆漂移”假说。到1965年,科学家运用计算机,使地球各个大陆以现有的形状恰好拼合在一起,“理性”才终于承认了这个“异端邪说”。在此基础上诞生了“板块构造学说”——当今主流地震学的理论基础。此后早已过世的魏格纳享尽哀荣,他的假说在地球物理学界从奇谈怪论跃升为真理。

魏格纳假说的命运足以让我们反思何为“理性”。

如果理性奠基于逻辑演绎,其背后的假设是:演绎的起点是真理。事实上,任何学科的理论基础都只是假说,牛顿力学长期被视为真理,却受到了光速试验的挑战。此后相对论被视为真理,但连爱因斯坦本人都认为这只是一个过渡性理论。相对于客观现实,任何理论都不过是一幅画,不同理论间的差别在于表现现实的不同方面,以及与现实的吻合程度。将现有的权威理论视为裁决研究思路的准则,恐怕更接近于迷信,而非理性。

如果理性奠基于证据,那合理的态度就是存疑。一个突破性的假说,从诞生到发现足以判定其正误的证据,往往需要数十年甚至更长的时间。一个理性的社会应当让它们有空间与资源去检验自己的正误。缺乏证据,决不是否定一个假说的充分条件。

由此,对科学发展最危险的,不是异端邪说,而是用行政力量将某个学说定于一尊。

在我们的历史上,儒学无疑有重要的学术价值。大儒董仲舒善于迎合行政系统的需求,取得了“独尊儒术”的成就。结果一方面造就了大量的腐儒、酸儒、犬儒、陋儒、小人儒,使儒学日渐僵化;一方面压抑了其他学派,使大量宝贵的思想萌芽得不到发展的机会。逻辑学长期是我们的弱项。其实先秦时代的名家、墨家在逻辑领域有大量富于启发性的见解。“独尊儒术”使名家后继无人,墨家则演变成民间的游侠,而逻辑学的萌芽却枯萎了。

用行政权力将某个学说定于一尊,即使对被“尊”的学说也弊多利少。在“定于一尊”的地位上,外少了质疑批判的压力,内少了发展创新的动力。所吸引者,不乏干禄逐利之徒;所排斥者,常为探索求真之士。长此以往,“显学”成了行政系统的饰品,而其作为“学说”的内涵却萎缩到不堪一击的地步。古往今来,在各个文明中,这样的历史教训比比皆是。

“家政服务员”与“钥匙”

翁文波创立的可公度理论来自天文学。天文现象触发地震,最直观的解释是月球的潮汐力,太阳由于远离地球,潮汐力小得多,至于其他星体干脆就小几个数量级。然而古籍中充满了星体靠近而引起灾变的记载。原因何在?

中国气象科学研究院任振球在《特大暴雨和台风突变的天地耦合成因及其模式的研制设想》中告诉我们:

“中科院地球物理所在1997年3月9日黑龙江漠河日全食时,将最精密的重力仪加密到每秒钟取值,观测到日全食时出现两个重力谷值。”

地球质量不可能突然减小,逻辑的结论是:日月地三星一线排列时,外来引力增强。这一现象无法用现有的物理理论解释。如果任振球介绍的观测结果确实,它就对经典的物理理论提出了挑战,也可能打开解释可公度理论物理机制的大门。

大道至简。如果理论复杂,运用繁琐而结果难测,最有可能的是我们对问题的认识还停留在低层次上。有一个众所周知的例子:对多项式求极值。在仅有初级代数知识的背景下,哪怕求二次多项式的极值也需要一定的技巧,而一旦有了微分学知识,求任意次多项式的极值都只是一个简单的例行程序。而获得微分学知识,在我们的认识道路上跨了一个大台阶,它甚至改变了我们的思维方式,解决多项式极值问题,只是它的一个副产品而已。

上述漠河全日食重力观测的结果,首先挑战的还不是地震学,而是我们对物理空间的认识。如果在这方面的认识获得飞跃,今天困惑我们的“小概率”巨灾事件可能不再需要概率论的语言,或许它们根本就是“伪随机事件”——就像计算机里的“伪随机数”一样。

2007年,科技部主管的学术性杂志《前沿科学》第三期上,发表了吕子东的《“地震预警”假说》一文。此文与其说是在讨论地震,不如说是在讨论物理空间。今天大多数人熟悉的物理空间理论是建立在欧几里得空间的基础上,而吕子东讨论的物理空间理论却建立在庞加莱空间的基础上。这种抽象的理论物理相信绝大多数人搞不懂,但吕子东为自己的理论开出了9项用于验证的实验。并承认,只要任何一项实验得出否定性的结果,他的理论就是错误的。据中国台州网2008年1月12日报道:

“其中七项实验已经得到中外科学界的重复证明,还有两项实验也正在验证中,估计在明年8月前得到验证结果。”

如果吕子东的理论是正确的,地震预警就有了确定的物理信息,有现实可用的测量仪器,有确定的操作程序。这就像在微分学背景下求多项式的极值。

吕子东的理论能否经得起全部实验的验证,尚不得而知。即使经受了实验验证,他提出的地震预警思路也还要经受实践的检验。这项工作的启示在于,从认识的根源处探索“现有知识框架”的局限性,力图整体上打开我们对物理世界的视野。正如他在文中引用的一段话:

“科学理论不应该只是已知世界的家政服务员,一种好的科学理论还应该是一把用来开启未知世界大门的钥匙。”

我们最需要的,正是寻找这钥匙的努力。

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