Saturday, March 1, 2014

精度」描述的是实验结果和统计意义上的「平均值」之间的差距,也就是「不确定度」。

要破题,首先要准确定义什么叫「精确」。
对「精确」的理解,一般来说有三种:
  1. 能测量到的效应最小、最微弱;
  2. 实验结果与理论预言值偏差最小;
  3. 实验本身的误差(统计误差+系统误差)最小。
如果从实验科学的角度出发,我们采取的是第三种理解。这实际上涉及到两个概念:Accuracy(准度)和Precision(精度)。准度描述的是实验的结果和「真值」——真理的值、绝对意义上的真正的值——之间的差距;「精度」描述的是实验结果和统计意义上的「平均值」之间的差距,也就是「不确定度」。这两者的意义是差了十万八千里的,不可混淆。「真值」是客观存在的,比如光速的值,是客观存在的,但人类未必可以准确地得知。以前的科学工作者,一般采用一个广受承认的理论预言值或预测值,作为「真值」,以方便描述实验的准度。但现代科学认为,所有的物理理论都是「有效理论」,都有其适应范围,否定「普适理论」的存在,即使现今的理论未有找到不适用的反例,未必代表以后没有(参见牛顿绝对时空观和狭义相对论的历史)。从这个意义上来说,「精度」比「准度」更适合用来衡量物理学实验的精确性——因为你不知道你所用的理论是否是「正确的」,失去了标尺,比较也就失去了意义。
那么从这两个概念出发,我们可以判断:
  1. 理解1不是个好定义,因为它的精度和准度都有可能很差,比如家用体重秤,以千克为单位可以给你小数点后4位的数字,但误差可能达到500克;
  2. 理解2定义的是准度,但没有涉及到精度,从上面的讨论中可知,它不是一个好的标准;
  3. 这是当今实验科学采用的理解。
而我们说一个理论「精确」,需要做到两件事:
  1. 实验的误差要尽可能地小(理解3意义下)。
  2. 理论的预言值与实验测量值的差别要尽可能地小。
这里有一篇文章:
The Most Precisely Tested Theory in the History of Science
作者是Union College in Schenectady, NY的物理系副教授。他介绍了理解1和理解3意义下的两个「最精确」的实验。理解1意义下,相对论胜出,因为它能测量到的效应是1/10^{18} 。理解3意义下,QED(量子电动力学)胜出,那就是著名的g-2实验,测量的是电子的反常磁矩。g是粒子磁矩,狄拉克方程里用g表示,也称为「g因子」。狄拉克方程预言g=2,所以测量g-2可以测量或者说测试,这个理论(QED)到底有多准确——这里的「准确」,指的是和「真理」的差距。目前电子反常磁矩的实验结果是:
\frac{g-2}{2} =0.00115965218073\left( 28 \right)
括号里的28,表示末两位数字可以\pm 28,即它的不确定性仅仅体现在末两位数字上。这是迄今为止,精度最高的实验。而从理解2的角度来考验,这个结果的理论值和实验值也是目前契合度最高的,反过来可以说明,QED是目前最精确的理论。
顺便说一句,
\frac{g-2}{2} \approx \frac{\alpha }{2\pi}
这里的\alpha 就是曾博答案里提到的精细结构常数(Fine-structure Constant)。约等号意指本等式在一阶近似下成立,在高阶下需要修正。感谢@Octolet 指正。
所以,QED胜出。

最后补充一句,题目中所说的「量子力学」和「相对论」不是互斥的对象。实际上「量子场论」,也叫「相对论量子力学」,QED也就是「相对论电动量子力学」。场论就是结合了相对论的量子力学,因此题目问得有点啼笑皆非。再扯远一点,我不知道是不是科普读物的不准确造就了这么一个刻板印象:相对论和量子理论是不相容的两个学科。实际上不是。准确来讲,当今认为的四大基本作用(强相互作用,弱相互作用,电磁相互作用,引力作用)中,头三种已经被量子化,分别形成了QCD(量子色动力学)和Electroweak Theory(弱电统一理论,统一了弱和电磁相互作用),如果QCD和EWT统一,则被称为GUT(Grand Unify Theory,也就是「大统一理论」)。但是,引力迄今没有被成功量子化,能描述引力的理论依然是广义相对论。如果认为引力最终是可以被量子化的,那么广义相对论就是量子场论的某个等效理论,量子化后的引力理论必须包含广义相对论的内容,就像狭义相对论必须包含牛顿力学的内容一样。

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