【杂谈】六只猴子和大英博物馆——“永不”的含义

不知道你有没有读过J.Jeans写的The Mysterious Universe (豆瓣)(《神秘的宇宙》);在第四页,他提到:

如果让六只猴子待在打字机前胡乱地敲打个几百万年,它们几乎很可能会写出大英博物馆里所有的藏书。

在书中他将这句话的出处错误地归给了有着“达尔文的斗牛犬”之称的英国生物学家托马斯·亨利·赫胥黎,虽然这句话本身的思想起源可能要一直追溯到亚里士多德的形而上学(对这方面感兴趣可以参考豪尔赫·路易斯·博尔赫斯的《巴别图书馆》:The Library of Babel)。

它来自无限猴子定理(Infinite monkey theorem)。虽然原话里的”书“指的是莎士比亚的《哈姆雷特》,不过都是一个意思……这里的大英博物馆甚至更夸张一些。而“猴子”不单单只是指猴子,它是一种对任何能够制造出无穷字符序列的抽象装置的比喻。

这个定理最早源于统计力学,在法国数学家埃米尔·博雷尔(Émile Borel)于1913年所著的文章“Mécanique Statistique et Irréversibilité”(《统计力学和不可逆性》)以及1914年出版的书“Le Hasard”(《可能性》)中初次提到。之后在1928年,物理学家亚瑟·斯坦利·爱丁顿(Arthur Stanley Eddington)又在其书《物理世界的本质》:The Nature of the Physical World将“莎士比亚”换成了“大英博物馆”……虽然爱丁顿本人肯定不太认可这一概率。相反,他可能正想向读者展示,当概率小于某一程度时,无概率即为不可能。

无限猴子定理是有直接数学证明的。因为证明在百度词条或者维基百科都有,我就不具体解释了。总而言之,该理论在数学上是成立的,即当猴子的个数n越大,连续打出一个正确的单词或是句子的概率就会越大;当存在无限多只猴子时(n \rightarrow \infty),出现单词(百度和维基好像都用的是“banana”……有猫腻)的概率基本就到达了100 \%

但它仍然是不可能的,因为不管是需用用到的猴子数量,还是执行这一操作所需要的时间,都不再具有任何实际的物理意义了(或者用我在chpt.2 熵和温度(1)中提到的“不可获取”一词)。就算猴子多到与整个可观测宇宙中所有的原子数相当,以极快的速度在打字机前敲打一万亿倍宇宙寿命的时长,正确写出一页莎士比亚作品的概率都小得可怜……毕竟人还是要面对现实嘛。

“坐在打字机前的猩猩”         来源:Wikipedia

最后,我用个简单的计算来向你展示,这个概率究竟有多小。

首先是一些必要的假设和前提。下面这些假设不一定都正确,但是是合理的。

\bullet宇宙的寿命大约是10^{18}秒。

\bullet假设我们有10^{10}只猴子、猩猩、猿……(凡是长得像人的都统统抓过来)这个数量约是地球总人口的三倍。

\bullet一个典型的打字机有44个键(包括字母、数字还有一堆标点符号)。

\bullet假设猴子们个个都是键盘侠,一秒钟可以敲击10个键。

\bullet不区分大小写,《哈姆雷特》大约含有10^5个字符。

相应概率的计算很简单。如果你愿意,可以把含有这些字符的文章当成是一个系统,将这10^{5}个字符当成10^5个“位置”,并且每一个“位置”有44种不同的态。所以,所有可能的态的组合(系统全部的可能位形)为

44 \times 44 \times 44\times...\times 44 = 44^{10^5}

即,回到打字的猴子上来:因为每一个“位置”只会有一个正确的字符,所以某只猴子成功写出一本《哈姆雷特》的概率则为:

\left(\frac{1}{44}\right)^{10^5}

我们知道

\log_{10}44 = 1.64345

所以

\left(\frac{1}{44}\right)^{10^5} = 10^{-164345}

根据前面的假设,10^{10}只猴子以每秒10个键的速度经过一个宇宙时间所敲击的键的个数为:

10^{10} \times 10 \times 10^{18} = 10^{29}

于是,要得到总的概率我们将二者用乘号来连接:

P = 10_{-164345} \times 10^{29} = 10^{-164316}

从任何实际角度出发,写这个数字就等同于你写了一个零或者你在说“永不”。

而这只不过是一本《哈姆雷特》的概率。大英博物馆已经可以不同提了,想想都好笑。



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