ИНФОРМАЦИЯ И ВЕРОЯТНОСТЬ
Так кто же прав — А. Эйнштейн или Н. Бор?Современная наука не дает однозначного ответа на этот вопрос. Ясно, что и мы не можем претендовать на знание такого ответа. Мы можем лишь провести обсуждение в той мере, какая поможет нам вскрыть взаимосвязь между понятиями информации и вероятности. Заметим прежде всего, что нам удалось провести все рассуждения относительно энтропии и второго начала термодинамики, не прибегая к понятиям случайного события и вероятности. Можно сказать даже, что наше обсуждение ближе к истине, поскольку оно основано на точных, а не приближенных соотношениях.Изучение бильярдной модели позволяет сделать и еще один интересный вывод. Никакие современные средства не дают возможность предсказать заранее то положение, в котором будет находиться бильярдный шар, скажем, через полчаса после первого удара по пирамидке (стоит напомнить, что мы рассматриваем бильярд без трения). С этой точки зрения по прошествии достаточного времени после удара мы вправе рассматривать положение каждого- шара как случайное событие. Но возникает вопрос: насколько существенно для всех проведенных в предыдущей главе рассуждений, то обстоятельство, что положение шара оказывается случайным?Это существенно тогда, когда мы проводим количественный анализ ситуации. Заменив с самого начала утверждение о том, что на поверхности бильярда нет предпочтительных областей, утверждением о том, что все положения шаров равновероятны, мы могли бы существенно упростить расчеты статистического веса, применив математический аппарат теории вероятностей.В то же время это обстоятельство оказывается совершенно несущественным, когда мы ставим себе целью объяснить, почему явление происходит так, а не иначе. Действительно, все выводы, сделанные во второй главе, остались бы справедливыми и в том случае, если бы мы с самого начала предположили, что шары представляют собой идеальные сферы, а поверхности бортов —! идеальные плоскости. (Там мы предположили, что шары и борта идеально упруги, а это совсем не означает, что их геометрические формы идеальны.) Эти два предположения дали бы нам возможность предсказывать положения шаров на сколь угодно большое время вперед, но ни в коей степени не изменили бы окончательных выводов. Ведь основная посылка о равновероятности (теперь можно воспользоваться этим словом), всех положений шаров вытекает не из случайной природы этих положений, а из сложности траекторий. Каждый шар рано или поздно посетит все области поверхности бильярда (это другая формулировка той же посылки) именно потому, что он постоянно сталкивается с бортами и с другими шарами, меняя при этом направление своего движения.То же самое справедливо и для реальных физических систем. Давно доказано, что мы не можем предсказать состояние каждой молекулы в каждый момент времени не только потому, что это требует выполнения астрономического объема вычислений, но, главное, потому, что одновременное знание координат и скорости молекулы (это и есть ее состояние) запрещено принципом неточностей Гёйзенберга. Но опять-таки термодинамические свойства газа вытекают не из случайности состояния молекул, а из чрезвычайной сложности их траекторий, которая, в свою очередь, определяется многократными столкновениями. В частности, доказательство теоремы Луивилля не требует привлечения вероятностных понятий.Создается впечатление, что термодинамические законы могут быть выведены и без привлечения представлений о случайности. Есть, правда, одно обстоятельство, применительно к которому только что сделанное предположение не будет справедливым. Перед тем как переходить к обсуждению этого обстоятельства, попытаемся сначала прояснить для себя некоторые свойства вероятностных представлений.
НЕСКОЛЬКО СТАРЫХ ПИСЕМ
«Герцог Роанекий имеет склонность к математике. Чтобы не скучать во время путешествий, он запасся одним пожилым человеком. Этот господин был в то время еще очень мало известен, но потом о нем стали говорить. Это сильный математик, не знающий, впрочем, ничего, кроме математики, — науки, вовсе не имеющей значения в свете. И вот этот человек, не обладающий никаким вкусом и тактом, постоянно вмешивался в наши разговоры, причем почти всегда удивлял нас и часто вынуждал смеяться… Так прошло два или три дня. Постепенно он становился менее уверен в себе, стал только слушать и спрашивать и завел себе памятную книжку, куда вносил разные замечания… Мало-помалу он стал говорить гораздо разумнее прежнего и сам радовался, что так изменился. Радость его была необычна, и он выражал ее каким-то таинственным образом: говорил, например, что любил многие вещи, так как был уверен, что другие не могут знать того, что он знает.— Наконец, — сказал он, — я вышел из этих диких мест и вижу чистое и ясное небо. Уверяю вас, что я не привык к яркому свету, что я был ослеплен им, а потому сердился на вас; но теперь я привык, этот свет восхищает меня, и я жалею о потерянном времени.После своего путешествия этот человек перестал думать о математике, до тех пор его занимавшей!»Мы привели отрывки из письма некоего кавалера де Мере, писанного во второй половине XVII века. Приведем заодно и характеристику кавалера де Мере, данную ему одним из его современников. Кавалер де Мере был в полном смысле тип блестящего салонного философа, как раз под пару тем ученым дамам, которых изобразил Мольер в своей комедии «Жеманницы». Кавалер был именно такой жеманницей мужского рода. Он оставил немалое количество сочинений, принесших ему немного чести. Весьма образованный для дворянина того времени, знавший древние языки, умевший пересыпать свою речь цитатами из Гомера, Платона и Плутарха, кавалер де Мере в своих сочинениях частью обкрадывал древних и новых писателей, частью изрекал банальные афоризмы. Девиз кавалера де Мере: «Всегда быть честным человеком!» — не мешал ему вести отчаянную игру и оставить после себя долги, разорившие всех его кредиторов.Однако зачем цитировать письмо какого-то французского великосветского пустомели, да еще жившего 300 лет тому назад?Письмо это во многих отношениях примечательное. Начнем с того, что «пожилым человеком», о знакомстве с которым повествует кавалер де Мере, был не кто иной, как великий Блез Паскаль. Примечательно письмо и как пример того, сколь мало проницательности, да и просто обычной наблюдательности может быть у человека, если он не очень умен да, кроме того, глаза ему застит светская спесь.Б. Паскалю, когда, по всей вероятности, он впервые встретился с кавалером де Мере, было всего 28 лет. Правда, он мог выглядеть несколько утомленным, так как перед этим сделал свои обессмертившие его имя открытия о распределении давления в жидкостях и газах. Кроме того, он только что потерял отца. Именно желание отдохнуть и слегка развлечься побудило его от правиться в путешествие с герцогом Роанским, Но все же нельзя назвать пожилым человека 28 лет от роду! Кстати сказать, Б. Паскаль был достаточно красив и именно в рассматриваемое время влюблен в сестру герцога Шарлотту Роанскую.Что математика — «наука, вовсе не имеющая значения в свете», это кавалеру де Мере виднее. Спорить мы с ним не станем; а вот то, что Б. Паскаль после путешествия перестал думать о математике?.. Но давно уже пора открыть наш главный секрет. Мы бы, конечно, ни в коем случае не стали рассказывать о знакомстве Б. Паскаля с кавалером де Мере, если бы это знакомство не послужило толчком к появлению совершенно нового раздела математики, причем послужило именно то обстоятельство, что, как уже отмечалось, кавалер де Мере вел отчаянную игру. В описываемое время Б. Паскаль не чурался светских удовольствий и слегка поигрывал. Нет ничего неожиданного в том, что между ним и кавалером де Мере завязывались разговоры об азартных играх. В этих-то разговорах кавалер де Мере предложил Б. Паскалю решить две задачи.
ЗАДАЧИ КАВАЛЕРА де МЕРЕ
Первая состояла в том, чтобы узнать, сколько раз надо метать две кости, чтобы надеяться получить наибольшее число очков, то есть двенадцать. Как мы скоро увидим, эта задача весьма простая.Вторая задача много сложнее. Страстный игрок, де Мере чрезвычайно интересовался следующим вопросом: каким образом разделить ставку между игроками в случае, если игра не была окончена?Пытаясь решить, задачи де Мере (главным образом вторую из них), Б. Паскаль в 1654 году начал переписываться с другим крупнейшим французским математиком — П. Ферма. Не будучи знакомы лично, благодаря переписке они стали близкими друзьями. П. Ферма решил обе задачи с помощью придуманной им «теории сочетаний». Решение Б. Паскаля было значительно проще. Он исходил из чисто арифметических соображений. Нисколько не завидуя П. Ферма, Б. Паскаль, наоборот, радовался совпадению результатов и писал ему: «С этих пор я желал бы раскрыть перед вами свою душу, так я рад тому, что наши мысли встретились. Я вижу, что истина одна и та же в Тулузе и в Париже».Приведем вкратце решение Б. Паскаля для второй задачи кавалера де Мере. Предположим, говорит Б. Паскаль, что играют два игрока и что выигрыш считается окончательным после выигрыша одним из них трех партий. Пусть ставка каждого игрока составляет 32 луидора, и предположим, что первый уже выиграл две партии (ему не хватает одной), второй выиграл одну (ему не хватает двух). Им предстоит сыграть еще партию. Если ее выиграет первый, он получит всю сумму, то есть 64 луидора; если второй, у каждого будет по две выигранные партии, шансы обеих будут равны, и в случае прекращения игры каждому, очевидно, надо дать поровну.Итак, если выиграет первый, он получит 64 луидора. Если выиграет второй, то первый получит лишь 32 луидора. Поэтому, если оба согласны не играть предстоящей партии, то первый вправе сказать:— Тридцать два луидора я получу во всяком случае, даже если я проиграю предстоящую партию, которую мы согласились признать последней. Стало быть, 32 луидора мои. Что касается остальных 32, может быть, их выиграю, я, может быть, вы. Поэтому разделим сомнительную сумму пополам!Значит, если игроки разойдутся, не сыграв последней партии, то первому надо дать 48 луидоров, или же три четверти всей суммы, второму 16 луидоров, или одну четверть, из чего видно, что шансы первого из них на выигрыш втрое больше, чем второго (а не вдвое, как можно было бы подумать при поверхностном рассуждении).Конечно, все это пока еще не математика, а скорее рассуждения, основанные на здравом смысле. Но вот что главное — здесь делается попытка оценить количественно то, что, казалось бы, по самой своей сути никакой количественной оценке не подлежит. И до Б. Паскаля ничего подобного никому и в голову не приходило. Математики всегда гордились (да и сейчас гордятся) именно тем, что выводы их науки справедливы всегда, при любых условиях. Дважды два, говорят они; всегда четыре —- и сегодня, и через миллион лет, и на Земле, и на любой другой планете. А тут – на тебе! Спрашиваете вы, допустим, у некоего специалиста: будет ли завтра дождь? Специалист отвечает, мол, девяносто шансов из ста за то, что дождя не будет, а десять шансов за то, что дождь пойдет. Как это понимать? Особенно в том случае, если дождь все-таки пойдет. Куда тогда подеваются эти самые девяносто шансов?И вот оказывается, что человеческому гению под силу даже такая задача: применить точные количественные меры именно там, где по самой сути ничего точного, казалось бы, быть не может. Конечно, большую роль здесь сыграло и то, что к этому времени человечеству уж очень нужны были такие методы.И здесь невозможно удержаться, чтобы не поудивляться еще раз, до чего же все-таки везет дуракам! Ведь кавалер де Мере, формулируя свои задачи, явно ни о чем, кроме игры в кости, не думал. А что получилось? .Возьмем хотя бы первую задачу: сколько раз надо метать кости, чтобы надеяться получить наибольшее число очков? Заметьте, что, например, вопрос, сколько надо бросить в землю семян, чтобы надеяться получить столько-то растений, или вопрос, сколько надо выпустить снарядов, чтобы надеяться поразить цель, это та же самая первая задача кавалера де Мере. Вряд ли нужно добавлять еще что-нибудь для доказательства важности подобных задач. Обратите также внимание на словечко «надеяться». Оно имеет очень большое значение, так как входит в терминологию науки теории вероятностей.