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美国总统贝拉克·奥巴马刚上任不久，人们就注意到他的外表发生了微妙的变化，他的白发似乎正在逐渐增多。有人怀疑，也许他只是不再染发了。毕竟，他上任时已经47岁，虽然作为总统来说还很年轻，但肯定已经属于“Just for Men”（男士染发产品）的目标群体了。还有人认为，长白发的原因符合研究人员根据历任总统情况得出的一种结论：总统的工作重担会导致一个人加速衰老。
2010年，奥巴马就任总统还不到两年，CNN（美国有线电视新闻网）的一篇报道就曾这样调侃：“在财政危机、两场战争和大规模石油泄漏的压力下，怪不得奥巴马先生头发花白。”CNN还对奥巴马的发色进行了连续报道，在芝加哥一家理发店的街头采访中，一位顾客指出，奥巴马的情况并非个例。“看看比尔·克林顿和乔治·W.布什（小布什），他们都是这样，咱们这位总统头发花白也是迟早的事儿。”
奥巴马本人也深有同感。卸任几年后，他在2018年与职业篮球运动员维克托·奥拉迪波一同参加的印第安纳州活动中发表讲话：“10年前，我正在竞选总统，当时我还没有白发。维克托·奥拉迪波给我看了一张我们的合影，他看起来和今天没什么区别，但我变化已经很大了。你们知道吗？这些白发可是我自己挣来的。”
奥巴马的言下之意是，虽然两人都比照片中的年龄大了10岁，但在这10年间，他比奥拉迪波老得更快。但是，比别人“老得快”意味着什么呢？如果衰老是引导我们从出生到死亡的过程，那么衰老得更快一定意味着我们以更快的速度走向死亡。换句话说，死得更早。
现在，假设我们想要弄清楚担任总统是否确实会导致更快的衰老和提前死亡，你会采取哪些步骤来验证这一猜想呢？
如前文所述，最理想的方法是进行一项随机对照试验。我们选取一组总统候选人，然后把他们随机分为两组，一组成为美国总统，另一组不成为总统，然后我们持续追踪他们的生存状况，记录他们的寿命。我们需要一个合理规模的样本才能使证据更具说服力，比如说，收集50位总统的数据。然后，我们可以比较被指定为总统和未被指定为总统的两组人的平均寿命。如果结果显示两组之间存在任何寿命方面的差异，我们就可以合理地推断这是因为担任总统职务加速了衰老。之所以能够确定这一点，是因为随机化处理可以确保试验中没有其他因素的干扰。
机敏的读者会注意到我们提出的试验计划存在几个问题。第一，美国宪法不允许对总统进行随机分配，哪怕做科学研究也不行。第二，由于每次只有一位总统，这项研究可能需要很长时间。第三……好吧，不需要再列举了，大家应该能看出来，随机对照试验根本行不通。
但自然实验可以。
为了进行自然实验，必须体现随机性，将不同的人引向不同的选择——在本例中，也就是成为总统或不成为总统。他们的选择必须是随机的，这样就产生了两组人：一组人曾担任总统职务，另一组则由各种条件类似但未担任过总统职务的人组成，称为对照组。如果这两组人在其他方面都相似，那么对照组的经历就能告诉我们，如果这些总统没有当选，他们会经历什么。
哲学上，描述“如果事实不是这样，则会发生什么”的概念被称为“反事实”（实际发生的事情则是“事实”）。请放心，在本书中，我们不会用太多专业术语，但“反事实”这一概念是自然实验和我们对健康及医疗中随机性研究的核心。考虑到这个概念可能有点儿抽象，让我们来看一个来自20世纪80年代经典电影的例子。
在电影《回到未来》的开头，我们认识了少年马蒂·麦克弗莱。1985年，马蒂父母的婚姻生活并不幸福，父亲乔治是个懦弱无能的人，而母亲洛林则是因为她的父亲在1955年开车撞了乔治之后，出于对乔治的同情才嫁给了他。经过一系列随机事件，马蒂乘坐时光机回到了1955年，他遇到了当时还是高中生的父母。马蒂最终成功帮助十几岁的父亲反击了高中时欺负父亲的恶霸。在这个过程中，马蒂的母亲最终以全新的眼光看待他的父亲。当马蒂回到1985年时，他发现父母的生活轨迹完全改变了：他们现在深深相爱，父亲自信又成功。
电影最终为我们呈现了两条截然相反的时间线。一条显示了如果马蒂没有穿越时空、回到过去并进行干预，将会发生的事情（父母婚姻不幸），另一条时间线则显示了他对过去进行干预后发生的事情（父母婚姻幸福）。因为我们知道每条时间线上都发生了什么，而两条时间线之间唯一的区别就是马蒂的干预，所以我们可以把发生在1985年的事实和反事实之间的任何区别归因于马蒂和时光机，并得出结论：马蒂在1955年的行为使他的父母拥有了幸福美满的婚姻。
现在，说回我们的总统假设，我们需要一个对照组来比较奥巴马和其他领导人。但与《回到未来》不同，我们没办法使用时光机回到过去，干预佛罗里达州的选举，让阿尔·戈尔在2000年成为总统（这是一条符合事实且很有可能发生的反事实时间线），去看看如果小布什没有成为总统会发生什么。
一种解决方案是，将总统与由落选者组成的对照组进行比较。毕竟，总统竞选者（除个别情况外）都是备受瞩目的政治家，他们总体而言与实际总统有着相似的工作经历。总统们如果没有当选，很有可能会与他们有相似的未来发展。
科学实验倾向于采用随机方法是有充分理由的：随机分配到干预组或对照组有助于确保没有其他变量影响实验结果。但总统选举远非随机事件，美国宪法对此有明确规定——选举代表人民的意愿。这可不是掷硬币。
如今，绝大多数选民投票选举总统是因为他们是某个政党的成员，或者因为他们喜欢候选人提出的政策，还有可能只是因为他们凭直觉认为某位候选人会是合适的人选。不论出于何种原因，可以确定的是，选民在投票时通常不会考虑某位候选人患脑卒中、心脏病或癌症等疾病的长期风险。候选人的年龄可能会影响选举结果（这种情况确实发生过），但选民即便在投票时考虑了候选人的年龄，可能也不会去想这位50岁的候选人的期望寿命或患病风险是否超过其他同龄人。
因此，就我们的研究目的而言，可以认为选举的输赢是随机的。选举结果本身并不是随机的：公众情绪和国家政治情况决定了选举结果。但我们可以认为，候选人和其他同龄人的期望寿命长短都是随机的。我们可以说，哪位候选人将当选总统，并承受总统工作的压力，哪位不会当选，几乎和他们未来的健康状况一样随机。
如果我们从《回到未来》的角度来思考我们的总统自然实验，选举日就有点儿像马蒂·麦克弗莱的时光机在1955年降落时的关键时刻。在选举日当天，时间线会立即发生分裂：一名候选人成为总统，而我们所有人都将进入该候选人成功中选的时间线。有了时光机，我们就可以回到过去，通过干预改变选举结果，启动一条新的反事实时间线。在这条时间线中，另一位候选人获胜，然后我们可以比较两条时间线，看看候选人在两种情况下的寿命分别有多长。可我们没有时光机，所以只能利用我们现有的“落选者们”。
当一名候选人当选总统时，他将获得总统职位所带来的回报（权力、名誉、豪宅、高级波音747飞机），承受其所带来的压力（比如奥巴马所面对的“财政危机、两场战争和大规模石油泄漏”）。而落选者通常的选择是（如果当前总统未能连任也会面临相同的处境），保持其高知名度，担任一些其他重要但非总统性质的职务（例如，在输给小布什后，阿尔·戈尔成了美国最知名的环保活动家。这份工作自然也会带来一定的压力，但相较于总统职务来说肯定会轻松一些）。
因此，与当选者相比，落选者们成了一个非常合适的反事实对照组，通过他们的经历，我们可以了解如果总统竞选失败会发生什么事。
至此，这个自然实验的设计思路已经相当成熟。我们（巴普、哥伦比亚大学经济学家安德鲁·奥伦斯基和纽约大学整形外科医生马修·阿博拉）决定开始进行研究。我们使用了全球17个国家的数据，研究了担任类似职位（总统、总理、首相）的民选政府领导人的死亡情况。与美国一样，这些领导人的当选方式几乎和其未来健康状况一样随机。我们收集了从1722年英国大选到2015年（我们进行研究时）的所有选举数据。
我们的目标是收集候选人在选举后的平均寿命数据，对比获胜者与落选者的情况。在这个过程中，我们必须考虑一些更为复杂的因素，例如，如何处理那些竞选失败但随后再次参选并获胜的候选人（比如美国早期总统约翰·亚当斯和托马斯·杰斐逊，他们在早期的选举中名列第二，因此根据当时的规则，他们在后来获胜之前均担任副总统职务），以及如何消除不同国家和不同时期的期望寿命差异。最重要的是，我们需要考虑到选举时候选人的年龄和性别差异。
为了解决上述问题，我们首先记录选举获胜者在选举之后活了多少年（即他们去世时与首次当选时的年龄差），将这个数据与选举当年同性别的人的剩余期望寿命进行比较——这样就得出了选举获胜者在当选后的生存年数与预期生存年数之间的差异。我们对落选者也做同样的处理：先计算他们落选后的生存年数，然后根据当时的年龄和性别，将这一数字与对应的剩余期望寿命进行比较。最后，对比两组候选人的差异，这样我们就解决了不同年龄、性别、地区或历史时期的期望寿命差距的问题。
我们的研究结果证明，大众的直觉是对的，头发日渐花白的总统们的寿命的确减少了！在校准了年龄和性别等差异后，结果显示选举获胜者比落选者平均少活了2.7年。换句话说，当选政府首脑使选举获胜者的衰老进程比落选者快了2.7年。
这个结果能确切地说明为什么选举获胜者没有落选者更长寿吗？并不能。这项研究提供的证据仅能证明，总统或首相职位，以及获胜者任期之后发生的所有事件，可能会降低其期望寿命。但仅从这些数据来看，我们无法证明造成这种结果的原因究竟是什么。有可能是因为当选后，高压力的生活导致领导人吃得更差、睡得更少、抽烟更多、锻炼更少，或者染上了其他一些不健康的习惯，并把这些不良习惯带到了任期之后的个人生活中。总之，所有这些看似合理的解释都可以归结为“压力”，所以我们最终的结论是，作为政府首脑所面临的压力确实会让人衰老得更快。（还有一些民选领导人会死于暗杀，这显然缩短了他们的寿命。不过可能由于这种情况比较罕见，将暗杀导致的死亡个例剔除后，分析结果也没有发生变化。）
还有，本研究的结果并不能告诉我们，如果你明天突然成了总统会发生什么。它只能体现那些离政府首脑之位仅一步之遥的人群情况。借用科学家的术语，这项研究的结论并不能“推广”到你身上。（前提是你不是总统或国家领袖，如果你已经是了，谢谢你，G20峰会的参与者们，感谢你阅读本书！）我们也无法说明本研究涉及的17个国家之外的政府首脑的情况。最后，大家必须记住，“2.7年”只是一个平均值，可能对某些总统来说，影响没这么大，或者影响比这更大。无论如何，仅凭现有数据，我们无法得知首脑职位本身对具体某一领导人的影响到底是怎样的。
我们来回顾一下这个自然实验。我们想知道担任政府首脑的人是否会比不担任政府首脑的人衰老得更快，也就是死得更早，但我们无法合理地进行随机对照试验以找出答案。而就候选人的期望寿命而言，选举结果可以算作一个“随机事件”，这意味着候选人在选举后会被随机分成两个均衡的群体：当选者和落选者。他们的经历互为反事实：落选者的遭遇可以代表当选者在没有当选的情况下会经历的遭遇，反之亦然。最终结果显示，这两组人的期望寿命相差2.7岁，这一数据代表了因担任政府首脑而加速衰老的平均值。
明白了吗？好的，现在让我们继续探索下去。
···
总统竞选并不是唯一一个可以将输赢作为随机事件的比赛。喜欢看奥运会的观众都知道，金牌和银牌之间的差距往往只是零点几秒，或者是裁判主观打分的细微差别。进入奥运会当然不是随机事件，运动员们经过多年的不懈努力才能达到竞赛水平。但我们不难想象，随机事件很有可能会让一个人的速度慢上几百分之一秒，从而导致金牌变成银牌、银牌变成铜牌，甚至从铜牌变成无缘奖牌。
乌得勒支大学经济学家阿德里安·卡尔维伊就从这个角度发现了一个潜在的自然实验：他想看看奥运会的输赢是否会影响精英运动员的寿命。当然，奥运选手的身体都非常好，他们的平均寿命可能也比我们普通人的要长，可比赛成绩是否最终会影响奖牌获得者的期望寿命呢？再具体来说，卡尔维伊想知道：获得银牌造成的心理影响是怎样的？会对健康产生长期影响吗？为更好地总结自己的假设，他引用了喜剧演员杰瑞·宋飞在1998年喜剧特辑中的一段话：“如果我是一名奥运选手，我宁愿得最后一名，也不愿拿银牌，仔细想想：赢得金牌，那感觉肯定很好；赢得铜牌也行，可以告诉自己，‘好吧，至少我有收获’；但如果获得的是银牌，‘恭喜你，你差点儿就赢了。在所有的失败者中，你是第一名……你是头号失败者’。”
在这项2018年的研究中，卡尔维伊解析了1904—1936年间的奥运会数据（这些获奖运动员中仅剩两名在世，因此选择这个时间段，我们可以尽可能地收集到最多的寿命数据），来研究金牌、银牌和铜牌获得者之间的寿命差异。平均而言，因为他们的身体素质差不多，这些运动员在参加奥运会时的期望寿命应该是一致的，从这个角度来说，谁获得金牌、银牌和铜牌都是随机的。
不出所料，金牌和铜牌获得者的期望寿命相差无几：铜牌得主的寿命为74.8岁，金牌得主为73.2岁——从统计学角度看，两者之间的差异并不显著。然而，银牌获得者的情况就不一样了，他们的期望寿命只有70.8岁，显著低于金牌和铜牌获得者。看来宋飞是对的：未能成为“世界第一”的心理影响会让人减寿数年。
···
现在，也许你仍然对这些结论是否可靠有些怀疑。你可能会认为我们的假设不严谨：即便小布什和奥巴马没有当选，以当前时间线来说，发生在阿尔·戈尔和米特·罗姆尼身上的事情也未必就会同样地发生在另一条时间线上的小布什和奥巴马身上。还有，假设奥运金牌得主与银牌得主除奖牌使用的金属不同之外，其他所有方面都基本相同，这未免也太理想化了——如果你这么想，就说明你正在批判性地思考我们提出的这些实验！那可真是太好了，非常值得鼓励。我们衷心地希望读者们在阅读本书时能够保持独立思考。
我们会尽量抱着怀疑的态度来做自然实验研究。正因如此，我们只深入研究并发表了我们构想的全部自然实验中的一小部分。能被公之于众的结论必须经得起严格的科学检验。即便如此，如果有其他团队用不同的数据和方法来试图解决相同的科学问题，它们也有可能得出不同的结论。在科学研究中，这是很常见的情况。
在接下来的章节中，我们将介绍更多的自然实验，但我们的目的并不是让你相信我们所介绍的结论和发现就是绝对真理。所有类型的研究都有局限性。有时整个研究可能建立在理想化且难以验证的假设之上，因此我们不可能完全信任任何一项研究的结果。我们的目标是向读者展示这些实验是如何在随机性的基础之上建立的，并激发读者得出自己的结论（当然，我们也会毫不吝啬地分享我们认可的研究结果）。
不管你是否持怀疑态度，阅读至此，我们已经一起研究了几个自然实验的设计思路，并成功解决了一些原本难以回答的科学问题。让我们再看一个例子。
1987年，NFL（美国国家橄榄球联盟）球员协会（代表NFL职业球员的工会）成员因合同纠纷举行罢工。不过，NFL的各支球队并没有因为缺少球员而取消比赛，而是用替补球员来参加原定的比赛（2000年基努·里维斯主演的电影《十全大补男》正是基于这一事件改编的）。这些替补球员本身也是技术高超的橄榄球运动员，职业背景与NFL球员相似，他们过去只是没有机会参加这样最高级别的比赛。原本他们的职业生涯也许不会有进一步的突破了，但在机缘巧合之下，NFL的球员们的罢工让他们获得了出场机会。不过，这些替补球员最终只打了三场比赛，罢工就结束了，原来的球员们复出打完了整个赛季。
在这场罢工过去之后的几十年里，人们一直相当关注橄榄球运动员的健康，尤其是因为头部反复受伤而形成的慢性创伤性脑病（CTE）的影响，更不用说职业橄榄球运动员生活中可能接触到的其他有害物质也可能对健康有影响。虽然有研究表明，NFL球员比普通人更长寿（可能是由于他们的身体素质本身就很好，还拥有较高的收入，并且能获得更多高质量的医疗服务），但没有任何研究能回答在NFL打球是否会对球员的健康造成伤害，从而导致他们平均寿命较短。
和总统案例一样，我们也无法进行合理的随机对照试验来回答这个问题。即使有时你会觉得自己支持的主队“打得这么艰难，是不是掷飞镖随便乱选的球员啊”，但实际上球队中的球员肯定是经过精挑细选的。1987年的球员大罢工为我们（巴普、心内科医生马希尔·甘达瓦迪和该研究的主要作者宾夕法尼亚大学经济学家兼内科医生阿坦达·文卡塔拉马尼）提供了一个很好的自然实验思路，我们也许可以尝试量化职业橄榄球比赛对球员寿命的影响。
1987年的那批替补球员可不是菜鸟，他们大多在大学或NFL以外的其他职业联赛中都能保持很高的竞技水平。替补球员与罢赛球员的主要区别在于天赋和技术。如果他们在不同的时间或地点入行，或者打不同的位置，其中一些或许一样可以在NFL效力。所以，与普通人相比，即便这些替补球员原本不是NFL球员，他们在身体素质和健康水平方面应该也是相似的。
也就是说，从长期健康状况的角度来看，运动员能否进入NFL效力其实是随机事件。这些替补球员，就像前例中的总统候选人一样，为我们提供了一条反事实时间线。他们的经历可以代表，在其他情况下，NFL球员的生活会是什么样子。
我们研究了879名替补球员，并将他们与2 933名在罢工前后5年内开始职业生涯的NFL球员进行了比较。我们从各种渠道收集了两组球员的死亡信息，比如美国疾病控制与预防中心（CDC）保存的所有美国人的死亡证明、在线讣告和新闻报道等，这可费了好大一番功夫。我们不仅关注这些运动员是否离世的信息，还收集了30年间他们的死亡原因。
最终我们发现，在被列入调查名单的这些球员中，4.7%的NFL球员和4.2%的替补球员已经过世了。在排除了几个可能导致这两组之间死亡率差异的其他因素（如球员的出生年份、体重、身高和所打的位置）后，研究结果显示，每年NFL球员的死亡概率都比替补球员高出38%。虽然由于大罢工之后的30年里，死亡人数相对较少，这组数据不具备统计意义上的显著性，但对我们来说仍有借鉴意义。也就是说，我们无法断定NFL球员的期望寿命会低于相同水平的其他球员，但我们的研究结果提示了这种可能性。也许随着观察时间的延长、球员年龄的增长，这种现象会更加明显。
除此之外，我们还观察到已故的NFL球员和替补球员的死因往往和同龄男性常见的死因相同，包括心脏病、自杀、外伤和癌症。但是重要的区别在于，NFL球员死于交通事故、意外伤害（通常是由于用药过量）和神经系统疾病的比例要高于替补球员。这些死亡原因往往与球员反复遭受头部创伤导致的慢性创伤性脑病有关。
在解释这项研究的结果时，我们需要牢记，实验组的NFL球员和对照组的替补球员有着大致相似的背景。这些运动员可能都是从小就开始打橄榄球，直至大学毕业。之所以强调这一点，是因为这个年龄段是大脑发育的关键时期，反复的头部创伤可能会使他们面临慢性创伤性脑病的风险。在有资格参加NFL比赛之前，运动员们就已经承受了类似的压力。他们需要极度努力地训练，甚至有些人还会采取一些不健康的措施，如使用合成代谢类固醇，这可能会导致其患心脏病的风险增加。根据现有的结果，我们无法推断球员在加入NFL之前身体是否已经受到了长期损害。而我们的研究应主要关注两组球员的不同之处，而非其相似经历。
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现在，我们已经研究了几个不同背景下的自然实验，了解了自然实验可以解决什么样的科学问题。如果这些专业概念还有些难懂，别担心，我们会从不同的角度、在不同的场景中继续深入探讨。你可能还对这些研究结论的可靠性感到怀疑，这是一件好事。在接下来的章节中，保持这种批判性思考将对你大有裨益。现在，该进入正题了，让我们来看看医疗卫生系统中由随机事件引发的自然实验吧。这些案例的情况更加复杂，参与者不再是总统、奥运选手或职业橄榄球运动员，而是我们普通人。