Вероятности и неприятности. Математика повседневной жизни - [8]

В принципе бутерброд подобен монетке, которую математики используют для получения случайных величин с двумя возможными значениями: «орел» и «решка». Если монетка «честная», то ей неважно, какой стороной падать. По идее, с бутербродами дела должны обстоять так же.

Мы вернемся к ним и посвятим им целую главу, в которой очень внимательно изучим их падение, но пока присмотримся к самой, наверное, простой вероятностной системе: монетке. Ее в книгах о теории вероятностей подбрасывают каким-то особым магическим образом — так, чтобы выбор начального положения, начальной скорости и скорости закручивания при подбрасывании никак не влиял на вероятность исхода. Но очевидно же, что это невозможно! Монетка представляет собой механическую систему и подчиняется законам механики, а они не содержат случайных величин. Будущее в законах движения такого простого тела, как монетка, однозначно определяется его прошлым состоянием. Если монетку будет подбрасывать робот или демон Лапласа — мифическое существо, обладающее полной информацией о координатах и скоростях любой механической системы, — то при неизменных начальных данных будут получаться идентичные результаты. Более того, такому демону можно было бы заказать ту или иную сторону при сколь угодно хитром закручивании монеты. Когда я смотрю выступления цирковых жонглеров, которые невероятно ловко и точно управляются с десятком разнообразных предметов, в голову приходит мысль, что демоны Лапласа существуют и живут среди нас. Вот для кого, кажется, нет никакой случайности: ведь часто акробатические номера выполняются под куполом цирка или на весьма неустойчивой башне из всякой всячины. Случайность в этом случае может обернуться трагедией, так что ее необходимо исключить!

Мы с вами, конечно, не роботы и не демоны, а большинство не умеют жонглировать и тремя апельсинами. Но неужели люди подбрасывают монетки настолько неряшливо и непредсказуемо, что законы механики могут приводить к случайностям? Да и откуда вообще берется случайность в мире, описываемом строгими и предсказуемыми законами механики? Существует ли она в реальном мире? Многие мои знакомые, в том числе искушенные в науке, уверены, что настоящих случайностей не бывает, есть лишь нехватка информации, неточные расчеты, глубинное непонимание человеком механики физического мира. Однако «Бог не играет в кости с Вселенной». Эта фраза, неоднократно повторенная Альбертом Эйнштейном, стала девизом механистической картины мира, которая в XXI веке вынуждена уживаться с квантовой механикой, ее неустранимой, как нам сейчас кажется, стохастичностью (случайностью).

Но в чем же разница между истинно хаотическими или стохастическими системами, принципиально непредсказуемыми, и теми, где трудно угадать поведение, рассчитать которое все же возможно? Когда стоит переходить на язык вероятностей и о чем он позволяет говорить, что невозможно выразить иначе, не прибегая к этому языку?

Что мы имеем в виду, говоря о вероятности?

Начнем разбираться с простенькой монеткой и посмотрим, каким может быть источник неопределенности в эксперименте с подбрасыванием. Задача подробно рассматривалась в 1986 году Джозефом Келлером[7], и здесь мы приведем простое объяснение возникновению неопределенности в этом нехитром процессе, основанное на рассуждениях из его статьи. В самом первом приближении то, какой стороной упадет монета, зависит от времени ее полета t и угловой скорости ω. Если измерять последнюю в оборотах за единицу времени, то число оборотов, совершаемое монетой, выражается предельно просто: n = tω. Эта зависимость задает линии равного числа оборотов в координатах (t, ω), а они, в свою очередь, ограничивают области, соответствующие четному и нечетному числу оборотов: тому, сменится ли сторона монетки после подбрасывания или нет. Пример такой диаграммы показан на рис. 2.1.

Рис. 2.1. Диаграмма, показывающая четность количества оборотов монеты в полете. Прямоугольником показана область, в которой чаще всего происходит процесс гадания на монетке при подбрасывании рукой

С помощью этой полосатой диаграммы можно выяснить, каким будет результат подбрасывания монетки, закрученной на известное число оборотов в секунду и пойманной через известное время после броска. Если попадаем в белую полоску, выпадет та же сторона, что была сверху при броске; если в серую — обратная. Линии равного числа оборотов представляют собой гиперболы; видно, что по мере увеличения числа оборотов чередование областей становится все более частым, а сами области оказываются тоньше. Человеческая рука несовершенна, и очень небольшой разброс начальных значений перекрывает сразу много областей, делая исход непредсказуемым. В диапазоне действия руки (прямоугольник на диаграмме) смещения на 5 % достаточно для того, чтобы перескочить с белой полоски на серую. Остается вопрос: как из этого построения следует «честность» настоящей монеты? Как из такой диаграммы получить вероятность выпадения орла или решки?

Чтобы перевести наши рассуждения на язык вероятностей, окунемся в математику, которую не проходят в школе. И хотя от нее ожидают чего-то сложного, сейчас она упростит дело и поможет лучше понять, о чем мы рассуждаем.