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妇人与奶茶:世界上第一次随机对照试验
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之所以在这部分内容中对随机对照试验究竟有多么强大进行说明,最重要的原因是“人类对于任何能够控制的东西,都可以分析其因果关系”。
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假如要证明“超能力是否存在”,那么统计学家们一定很乐于为此提供帮助。如果统计学无法科学地证实超能力的存在,那么理由只有一个,就是超能力在这个世界上根本不存在。
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像占卜师和超能力者之类依靠神秘术为生的人,或者对此深信不疑(甚至被欺骗)的人,总是会说“这个世界上有现代科学无法解释的现象存在”。
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但这根本是无稽之谈!费希尔几乎凭借一己之力创造的被称为随机对照试验的方法,不但改变了科学哲学,甚至使科学能够影响到的领域爆炸性地扩大。虽然有伦理性和可控性等现实的制约,但科学无法解释的东西已经不存在了。
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图4–1 现代统计学之父 罗纳德·艾尔默·费希尔
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费希尔完成于1935年的著作《试验设计》首次创立了随机对照试验的体系,在这本书中提到了一个妇人和奶茶的故事。
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在20世纪20年代末的英国,一个阳光明媚的午后,许多英国绅士与妇人们在室外的餐桌旁享用美味的红茶。这时,有一位妇人说道:“奶茶是先放红茶还是先放牛奶,味道完全不一样,我一下子就能品尝出来。”就连这个看上去只是随口说说的事情,随机对照试验也能够对其进行科学证实。
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在场的大部分绅士都对妇人的说法一笑了之,根据他们学过的科学知识,红茶和牛奶只要混在一起,就没有任何化学性质上的区别。
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但是,只有一位身材矮小,戴着厚厚的眼镜,留着小胡子的男子对妇人的说法很感兴趣,并且提出“那么我们来做个试验”。这名男子正是现代统计学之父——罗纳德·艾尔默·费希尔。
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费希尔迅速地将茶杯摆成一排,在妇人看不到的地方准备了两种冲泡方法不同的奶茶。然后,他让妇人按照随机的顺序品尝奶茶,并且将妇人的回答记录下来,用概率进行了计算。据说,这就是世界上第一次进行的随机对照试验。
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为什么要用这种方法验证妇人的话呢?在回答这个问题之前,让我们先考虑一下如果不用这种方法的话,究竟应该如何判断妇人的话是否正确?
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比如给妇人一杯“先放红茶的奶茶”,就算她的判断是对的,也不能证明她真的有准确的分辨能力。因为妇人完全靠猜也有50%的概率可以猜中,所以不能将其作为判断依据。
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那么,交替给妇人“先放红茶的奶茶”和“先放牛奶的奶茶”,如果妇人每次都说中的话,结果又如何呢?
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虽然这种方法比只有一次的试验稍微强一点,但其准确性仍然很低。因为如果有“交替重复”这种规律存在的话(而且妇人也知道这种规律,或者偶然间发现了规律的话),那么只要偶然猜中第一杯奶茶的结果,那么后面的答案也就全都随之揭晓了。
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当然,先连续给她5杯“先放红茶的奶茶”,再连续给她5杯“先放牛奶的奶茶”的方法也不推荐。因为这样只要第一次偶然猜对,接下来只要猜出“第几杯开始更换”就可以了。而且,之前品尝的“先放红茶的奶茶”肯定比后来“先放牛奶的奶茶”的温度更高,单凭温度进行判断也可以被她偶然猜中。
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那么究竟应该怎样做才好呢?只要将两种奶茶随机交给妇人,然后看她能够猜中几个就好了。这就是随机对照试验的基本思考方法。因为奶茶是随机选择的,而且是在她看不见的地方倒好的,所以根本无法预测顺序。
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1杯完美红茶的冲泡方法
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费希尔还在《试验设计》中详细地分析了应该如何对妇人进行试验说明、应该准备多少杯奶茶,还有预测妇人的回答结果,以及对“妇人完全凭借猜测进行回答得出正确答案的概率”进行计算。
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虽然在费希尔之前也有科学家进行过类似试验,但是他们却只记录了10次试验中10次全部准确的现象,或者10次试验中只有1次准确的现象,结果却有人将这仅有的1次作为试验成功的证据。
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那么究竟按照什么样的顺序进行试验,并且在10次中成功多少次才算是被科学证明呢,在费希尔之前没有人考虑过这个问题。而费希尔所考虑的“为了进行科学证明而选择的顺序”中,最重要的一点就是“随机”。
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在《试验设计》中,并没有记录妇人回答的结果和试验的结论。但是,据当时也在场的H·费尔菲尔德·史密斯(他也是在康涅狄格大学以及宾夕法尼亚大学担任教授的统计学家)回忆,那位妇人的回答全部正确。也就是说,如果那位妇女随机品尝了5杯奶茶,那么偶然猜对的概率就是2的5次方分之一,即1/32(约3.1%),而如果那位妇女随机品尝了10杯奶茶,那么偶然猜对的概率就是1/1 024(约0.1%)。
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如此之低的概率显示,这位妇人确实有某种方法可以分辨奶茶的冲泡方法。
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妇人究竟是如何做到这一点的,英国皇家化学协会在2003年发表的一篇十分具有娱乐精神的官方报告《一杯完美红茶的冲泡方法》,或许给出了答案。
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