三种科学的思维方式

本文介绍三种科学的思维方式,它们不仅在科学研究中起着重要的作用,也可以指导我们日常的活动。

奥卡姆剃须刀



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斯坦福大学张首晟教授曾在《小邮差看世界》这个访谈中谈到他投资的两个原则:

Simplicity:简单性。即:方法要简单,从工程上来讲,东西要容易做出来。

University:普适应。即:受众要广,被投资的对象做的是一件大事情。

当被问到为什么投资了欧洲的一家无人驾驶公司而不是谷歌的无人驾驶技术时,张教授说,谷歌的无人驾驶技术,需要照相机、雷达感应器和激光测距机来“看”交通状况,才能实现自动驾驶,理论完美却过于复杂。那家欧洲公司的无人驾驶技术,只依赖搭载在车上的感应器即可实现无人驾驶。从而,在两者之间,张教授选择了后一家公司。

“奥卡姆剃须刀”是一种常用的、自然科学研究中最基本的原则,它与张教授提到的 Simplicity 是一致的。直观地说,如果有两个模型在已有的数据集上表现的同样好,那么在做预测的时候,我们选择简单的模型,这就是剃须刀原理。在应对复杂的情况时,我们会说“以不变应万变”、“以静制动”,这也是一种simple的处事方法。

用通俗的话讲,复杂的方法加入了过多的主观猜测和人为干涉。在面对新的问题时,这些猜测可能并不成立,这些干涉也会失效,因此我们选择更简单的方法以应对复杂的变化。

第一性原理


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“First principle: A first principle is a basic, foundational proposition or assumption that cannot be deduced from any other proposition or assumption." 

第一性原理是量子力学和计算物理中的一个术语,只用少量基本数据(质子质量、元电荷量、光速等)做量子计算,得出分子结构和物质的性质。第一性原理方法强调用少量的基本事实或假设进行分析,这些基本事实和假设不是其他定理的推论,就像《几何原本》中的五条基本公设。

与其根据参照物去推论,我们应该把问题分解成几个最基础的事实,然后检查每个事实部分。即使问题已经解决,我们还是要从问题最基本的组成部分入手,从新审视是否有更好的、可能的解决方案。”这就是第一性原理思考问题,与之相对的是 比较思维

马斯克是特斯拉和SpaceX公司的CEO,对“第一性原理”有着深刻的思考和大胆的应用。在一次访谈中马斯克这样解释第一性原理思维方式:"我们运用「第一性原理思维」而不是「比较思维」去思考问题是非常重要的。我们在生活中总是倾向于比较——别人已经做过了或者正在做这件事情,我们就也去做。这样的结果是只能产生细小的迭代发展。「第一原理」的思考方式是用物理学的角度看待世界的方法,也就是说一层层剥开事物的表象,看到里面的本质,然后再从本质一层层往上走。这要消耗大量的脑力。"

例如,开发火箭的时候,马斯克思考的第一步就是“组成火箭的材料有哪些”这一根本问题。答案是:航空用铝合金,还有钛、铜和碳素纤维。接下来的问题就是:这些材料的市场价格是多少?马斯克得到的答案是火箭的制作材料所花费的金额仅仅是火箭整体开发费用的2%。这个比例如果和其他机械产品相比简直就是小菜一碟。比如特斯拉生产的电动汽车,材料费用占总体费用20%~25%。从此以后他便开始将“大大降低火箭的总成本”作为开发的根本问题。在这样的情况下,埃隆公布了他看似有些狂妄的目标:用通常火箭成本的1/10来制作火箭。

第一性原理的思想方式就是这样一层层拨开事物表象,看到里面的本质,再从本质一层层往上走。从新审视每一个基本元件,最后完成整体上不可思议的突破。

贝叶斯思维



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丹尼尔卡尼曼是2002年诺贝尔经济学奖获得者,《思考快与慢》作者。他曾和一些同事编写一本心理学教材,其中有个内容是关于群体判断的。有一天,卡尼曼叫大家预测一下编写这本教材需要多长时间。结果,有人说一年半,有人说两年,大家的预测都很乐观。确实,到卡尼曼提出这个问题为止,团队的编写进展都很顺利。

于是卡尼曼问到,别的团队编写类似的教材通常需要多长时间。恰好其中一个同事有过编写类似教材的经验,她说据她所知,40%的团队最终放弃了,剩下的团队虽然艰难的完成了,却耗时长达7——10年。大家开始对别人的经验不屑一顾,对自己的研究则继续保持乐观的态度。据卡尼曼所述,他们团队最终用了8年时间才完成那本书的编写工作。

在《思考快与慢》这本书中,卡尼曼建议大家用“基础比率”比率做预测。基础比率,就是以前的人同样的事情,能做到的平均水平在这个案例中,就是别的团队编写一本类似的教材,需要花费的时间。卡尼曼说,预测未来的最好参照指标就是基础比率。“你以为自己很了不起,其实别人做这件事的时候也认为自己了不起。你的情况并不特殊。”

我们不愿意用别人的成绩来预测自己,无非是基于“我和其他人不一样,因此别人的经历不具有参考性”这样的信念。然而,事实证明,这样的信念很多时候过于乐观甚至荒诞。就如同在一个测试中显示的那样,每个出租车司机都认为自己的驾驶技术高于平均水平,自己出车祸的次数远低于平均数。

再看一个例子。骨髓移植是一个高风险的手术,费用高昂,并且成功率不高。当一个人面临是否进行手术时,他应该参考骨髓移植手术成功率这个基础比率么。如果仔细观察,我们可以发现,不同年龄阶段的患者,不同医院的操刀医生,手术成功率是不一样的。一个年轻患者,如果能找到一位优秀的主治医师,那么手术成功率会远远高于全国范围骨髓移植手术的成功率。相反,一个体弱的老年患者,进行手术可能会适得其反,加速衰亡。如果我们能找到大量数据,同时找到的自己身上的“特殊因素”,我们就可以作出更加精确的预测和更科学的判断。

但前提是,这个把你从人群中区分出来、只参考一小部分人的数据的“特殊因素”,一定要是真正的特殊因素。出租车司机认为自己和其他人不一样,显然就不是真正的“特殊因素”。卡尼曼团队过于乐观的估计最终显示出他们和其他人其实没什么不一样。

科学的预测既要看基础比率,又要看自己的“特殊因素”。贝叶斯思维就提供了这么一个方法。

假设现在你要编写一本书,一共十章,现在需要做一个时间预估。在未动笔之前,不妨以基础比率作为自己的预测。当你写好一章的时候,便可以把根据现在的进度的预估和基础比率做一个加权平均。随着编写的章目增加,你对自己的能力有了更加详细的了解(其实是更多的数据),再逐渐调整根据进度作出的预测的权重。

假如你正在考虑是否进入股市,常言道,十人炒股七人亏,即:亏损的基础比率是70%。如果你既没有高人指点,对经济市场也没有独到的理解,更没有其他事情证明自己的出类拔萃,那还是不要进入股市了。如果非要进入,不妨以亏损的概率为70%作为心理预期(真亏损的时候心里好受点),等有了自己的收益数据,再在两者之间做一个平衡,逐渐调整收益预期。等到自己的炒股时间足够长,数据足够多,就可以忽视了基础比率。那个时候,恭喜你,你已经有了一套经得起市场考验的方法。

第一性原理 vs 贝叶斯方法

如果说第一性原理是一种纵向的思维模式,那么贝叶斯思维就是一种横向的比较。区分哪些人的经验具有参考性是横向思维的关键,然而我们总是过于强调自身的与众不同,忽略了那些具有参考价值的信息。第一性原理涉及到从本源上剥开问题,更是一种艰难的思考方式。

非要简单粗暴地总结一下的话,那就是:

如果你是一个普通人,那就采用贝叶斯思维,以群体的数据作为自己的参考,再慢慢调整;

如果你是一个精英,那就去采用第一性原理,去创造革新。

文章分类:心悦笔记

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