什么是測(cè)量結(jié)果
史錦順
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(一)測(cè)量結(jié)果的正解
測(cè)量,總會(huì)有結(jié)果。或說(shuō):測(cè)量的結(jié)果,就是測(cè)量結(jié)果。這樣說(shuō),在通常的意義下,并無(wú)語(yǔ)病。在學(xué)術(shù)問(wèn)題上,這樣是不夠的,而且已經(jīng)造成很大的誤解,我指的是世界性的話題,即關(guān)于不確定度理論的產(chǎn)生與爭(zhēng)論。當(dāng)然,不確定度論之誕生與推廣,有復(fù)雜的哲學(xué)的、社會(huì)的、認(rèn)識(shí)的背景,但與一點(diǎn)有密切關(guān)系,這一點(diǎn)就是:計(jì)量界許多人不明確測(cè)量結(jié)果的完整的含義。
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測(cè)量得到測(cè)得值,這一點(diǎn)誰(shuí)都知道。測(cè)量的同時(shí),也知道了誤差范圍,這個(gè)必然的事實(shí),常被忽略;教科書(shū)、專(zhuān)著、計(jì)量規(guī)范、計(jì)量規(guī)程也強(qiáng)調(diào)得不夠,而且許多資料把測(cè)得值稱(chēng)為測(cè)量結(jié)果,客觀上,忽視、抹煞了必然該知道的誤差范圍。
測(cè)量得到測(cè)得值,同時(shí)得到誤差范圍。測(cè)量結(jié)果就是測(cè)得值加減誤差范圍:
測(cè)量結(jié)果=測(cè)得值±誤差范圍
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測(cè)量結(jié)果的正解就是測(cè)量結(jié)果等于測(cè)得值加減誤差范圍。VIM有時(shí)把測(cè)量結(jié)果說(shuō)成是測(cè)得值,這是片面的,漏掉了誤差范圍。VIM有時(shí)又說(shuō)測(cè)量結(jié)果包括測(cè)得值與測(cè)量的性能指標(biāo),這是對(duì)的。但把性能指標(biāo)說(shuō)成是不確定度,不對(duì);應(yīng)該是誤差范圍,因?yàn)椴淮_定度是個(gè)定義多變、含混其詞的概念,測(cè)量的性能應(yīng)該是準(zhǔn)確度,即誤差范圍。有人說(shuō)不確定度就是誤差范圍。那樣,不確定度成為誤差范圍的別名,如是,不確定度理論也就自行消亡了。
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誤差范圍是測(cè)量準(zhǔn)確性的定量表達(dá),誤差范圍就是準(zhǔn)確度。
誤差范圍是測(cè)量?jī)x器性能的特征性指標(biāo),有此指標(biāo),并經(jīng)計(jì)量公證,此儀器才可出售,才能使用(計(jì)量法)。測(cè)量者使用測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量,必然已知此測(cè)量?jī)x器的性能指標(biāo)(看過(guò)說(shuō)明書(shū),或由口頭相傳得知),已知此儀器合格(驗(yàn)過(guò)合格證)。不看說(shuō)明書(shū),不驗(yàn)合格證,那是不懂測(cè)量知識(shí),要告訴他;他不理,那是他的錯(cuò)。
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熟讀說(shuō)明書(shū),是一個(gè)測(cè)量計(jì)量工作者的必要基礎(chǔ),由此才能正確使用儀器(包括滿(mǎn)足儀器使用條件與正確操作);查看合格證,檢查是否過(guò)期。明確測(cè)量?jī)x器的性能及其合格性,這些是選用此儀器的依據(jù)。儀器的準(zhǔn)確度指標(biāo),必須滿(mǎn)足測(cè)量目的的要求。這里特別指出:測(cè)量時(shí)正確選用測(cè)量?jī)x器,是測(cè)量者水平的標(biāo)志;計(jì)量中正確選用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)與輔助測(cè)量?jī)x器,是計(jì)量工作者的必備的素質(zhì)。誤差理論派不搞什么表面的評(píng)定,但要求必須正確選用工作的手段,測(cè)量是選測(cè)量?jī)x器,計(jì)量是選用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。既要正確選擇,又要正確使用,還要正確表達(dá)測(cè)量結(jié)果。
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任何測(cè)量,都應(yīng)該給出完成的測(cè)量結(jié)果。就是說(shuō),不僅要給出測(cè)得值,還要給出誤差范圍。要明確,在正確使用測(cè)量?jī)x器的條件下(包括滿(mǎn)足儀器使用條件),測(cè)得值的誤差范圍,就是測(cè)量?jī)x器的誤差范圍,因此,已知測(cè)量?jī)x器的誤差范圍,就知道了測(cè)得值的誤差范圍。不需要什么評(píng)定,更不需要“測(cè)得值減真值”的操作。因?yàn)椋瑴y(cè)量?jī)x器的誤差范圍,就是在一定條件下(例如溫度范圍等條件,在說(shuō)明書(shū)中必然有規(guī)定)進(jìn)行測(cè)量時(shí)的測(cè)得值的誤差范圍。測(cè)量?jī)x器的誤差范圍是針對(duì)一般的、通常的使用而設(shè)計(jì)、又通過(guò)一定設(shè)置與工藝去實(shí)現(xiàn)、又經(jīng)檢驗(yàn)而達(dá)標(biāo)的,又必須經(jīng)計(jì)量向社會(huì)公證。測(cè)量?jī)x器的誤差范圍就是測(cè)得值的誤差范圍,這一點(diǎn),是有理論與技術(shù)根據(jù)和法律保障的。
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誤差范圍,通常由系統(tǒng)誤差范圍與隨機(jī)誤差范圍(取3σ,可信性99.73%)構(gòu)成。
有時(shí)不寫(xiě)誤差范圍,但要標(biāo)明所用測(cè)量?jī)x器或量具。這樣,已實(shí)際上表明了測(cè)量的誤差情況。因?yàn)椋ㄓ玫臏y(cè)量?jī)x器,性能指標(biāo)是人們公認(rèn)的。但精密測(cè)量、計(jì)量,一定要標(biāo)明誤差范圍。
測(cè)量長(zhǎng)度,用鋼卷尺,測(cè)量400毫米長(zhǎng)度,誤差范圍大概是0.5毫米;用卡尺,誤差范圍大概是0.10毫米。因?yàn)殇摼沓摺⒖ǔ呷藗兒苁煜ぁ_@些通用量具不標(biāo)誤差范圍是習(xí)俗;但精密的、復(fù)雜的測(cè)量必須標(biāo)明誤差范圍。
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歷史上,但凡重要的、有歷史記載的測(cè)量,都標(biāo)有測(cè)量的性能指標(biāo)。測(cè)得值是必有的;而相當(dāng)于現(xiàn)在的誤差范圍的地位的量,出現(xiàn)過(guò)多種,有或然誤差γ(又稱(chēng)最可幾值,γ=0.6745σ),標(biāo)準(zhǔn)誤差σ(又稱(chēng)均方根誤差)等。
我國(guó)2005年珠穆朗瑪高度測(cè)量的測(cè)量結(jié)果是:
8844.43m±0.21m (1)
0.21m標(biāo)明是RMS,即均方根誤差,就是計(jì)量界稱(chēng)呼的標(biāo)準(zhǔn)誤差σ。如用通常的說(shuō)法,即通用測(cè)量?jī)x器的性能指標(biāo)的標(biāo)法,就是誤差范圍為0.63m(3σ)。-
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(二)不確定度論對(duì)誤差理論的攻擊
不確定度論攻擊誤差理論的說(shuō)詞是:
(1)誤差定義為測(cè)得值減真值;
(2) 測(cè)量可得測(cè)得值,但被測(cè)量真值不知道;如果你知道,就用那個(gè)值了,何必去測(cè)量;
(3)誤差等于測(cè)得值減真值,被測(cè)量真值未知,故誤差不可求。
(4)測(cè)量必須標(biāo)明測(cè)量質(zhì)量,誤差不能求,但可以根據(jù)測(cè)量時(shí)示值的變化進(jìn)行A類(lèi)評(píng)定;根據(jù)有關(guān)信息,進(jìn)行B類(lèi)評(píng)定。A類(lèi)評(píng)定、B類(lèi)評(píng)定共同構(gòu)成不確定度評(píng)定。通過(guò)兩類(lèi)評(píng)定,得到不確定度。不確定度可求;誤差不可求。因此,要用不確定度理論代替誤差理論。
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不確定度論的上述說(shuō)教,騙了世界上許多人,中國(guó)科學(xué)院院士陳芳允先生就是其中的一位。陳先生在《測(cè)量不確定度》一書(shū)的序言中寫(xiě)道:
“對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,過(guò)去長(zhǎng)期以來(lái)系用測(cè)量值相對(duì)于被測(cè)量值的誤差來(lái)表示,但是由于被測(cè)量的真值是個(gè)未知數(shù),因此使過(guò)去的表示法產(chǎn)生了定量的困難”,而不確定度能“在當(dāng)前認(rèn)識(shí)條件和某個(gè)置信水平下定量給出被測(cè)量值在測(cè)量結(jié)果的某一范圍之內(nèi),這一原則澄清了一系列模糊概念”,“這一概念上的革新將使測(cè)量技術(shù)對(duì)科技和工業(yè)生產(chǎn)起到更實(shí)際和積極的作用。”
陳先生是我國(guó)計(jì)量界、特別是國(guó)防計(jì)量界的重要人物,學(xué)術(shù)地位高,是領(lǐng)導(dǎo)又是是資深院士,說(shuō)話影響大。我們?cè)撜J(rèn)真對(duì)待他的話。本人在多年認(rèn)真思考之后,這里再認(rèn)真地多說(shuō)幾句。兩套理論的爭(zhēng)論,是大事。對(duì)大是大非,必須辯論清楚。況且,這段話的思路,是GUM的思路,類(lèi)似的話,GUM多次說(shuō)過(guò)。這個(gè)意思,不是陳先生的創(chuàng)意。筆者駁的是不確定度論,這并不影響我個(gè)人對(duì)陳先生的尊重。
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(三)駁斥不確定度論的攻擊
不確定度論對(duì)誤差理論的攻擊,聲勢(shì)浩大,其影響不得了。在國(guó)際上,有七個(gè)(現(xiàn)為八個(gè))權(quán)威國(guó)際學(xué)術(shù)組織的GUM(1993、1995、2008三個(gè)版本)與VIM(第一版1984;第二版1993;第三版包括2004版、2008版與2012版)。在我國(guó),國(guó)家計(jì)量領(lǐng)導(dǎo)部門(mén)大力提倡,各種學(xué)習(xí)班如雨后春筍,好不熱鬧;宣貫、督導(dǎo)、檢查,乃至考試,總之大有順之者昌,逆之者亡的氣勢(shì)。一些人也跟著起哄,似乎不確定度論不可一世。
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然而,在歷史上,這不過(guò)是曇花一現(xiàn)。虛張聲勢(shì)的本身,正說(shuō)明自身的根基不牢。不然,不必這樣費(fèi)力氣,這樣忽悠。你正確,人們會(huì)相信。你錯(cuò)誤,再喊叫也白搭。你騙得了一些人,你騙不了所有人;你能忽悠一時(shí),你不可能永遠(yuǎn)忽悠下去,因?yàn)槟悴徽_。騙局遲早要被揭穿。
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不確定度論的立足點(diǎn)是“真值不可知”,在哲學(xué)上,這叫“不可知論”。如果客觀世界不可知,哪會(huì)有物理學(xué)、化學(xué)等近代自然科學(xué)?真值是客觀存在,客觀是可以認(rèn)識(shí)的,真值是可知的,由是,人們才能測(cè)量。如果真值不可知,你還測(cè)量什么?“真值不可知”的觀點(diǎn),大量出現(xiàn)在GUM與VIM的各種版本中,但它只是與客觀事實(shí)相違背的一種信仰,是反科學(xué)的,是反歷史的,是錯(cuò)誤的。
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有人反感在學(xué)術(shù)討論中談?wù)軐W(xué)。其實(shí),張口閉口說(shuō)“真值不可知”的不確定度論,難道不是在宣揚(yáng)不可知論嗎?當(dāng)然,除極個(gè)別人是在宣傳不可知論的哲學(xué)思想外,大多數(shù)人是對(duì)問(wèn)題本身不夠理解,是上當(dāng)受騙。不過(guò),老史這里提醒一句:哲學(xué)是回避不了的。自覺(jué)的學(xué)習(xí)應(yīng)用哲學(xué)與邏輯,就會(huì)提高識(shí)別水平,少上當(dāng);進(jìn)行學(xué)術(shù)爭(zhēng)論,就有底氣,有力量;反感哲學(xué),就難免受錯(cuò)誤哲學(xué)觀點(diǎn)的影響,乃至受騙上當(dāng)。通常是認(rèn)識(shí)膚淺,說(shuō)話沒(méi)條理,不能自圓其說(shuō)。
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1 “誤差等于測(cè)得值減真值”,這句話,對(duì),但不全面。誤差一詞,在實(shí)用中,在歷史上,都是個(gè)泛指的概念,意思是測(cè)得值與真值的差距。誤差一方面指誤差元。誤差元是誤差理論的基本單元,誤差元等于測(cè)得值減真值。通常講的誤差分析,主要是對(duì)誤差元的分析,此處“誤差”一詞指誤差元。當(dāng)說(shuō)測(cè)量結(jié)果的誤差或處理儀器的誤差時(shí),誤差一詞指的是誤差范圍。誤差范圍是誤差元的絕對(duì)值的在一定概率意義下的最大可能值。在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院,從1955年到1993年,誤差范圍稱(chēng)為極限誤差;對(duì)電表指標(biāo),稱(chēng)準(zhǔn)確度等級(jí);對(duì)許多測(cè)量?jī)x器與量具,稱(chēng)最大允許誤差。在美國(guó),安捷倫公司與福祿克公司,誤差范圍就稱(chēng)準(zhǔn)確度。(注意:不確定度論說(shuō)準(zhǔn)確度是定性的,不許給出數(shù)量;這兩大公司到2012年還一直給出準(zhǔn)確度的數(shù)量。美國(guó)人對(duì)抗著美國(guó)人的不確定度論。)
承認(rèn)誤差元又承認(rèn)誤差范圍,才是承認(rèn)誤差理論。不確定度論以誤差元的定義來(lái)攻擊誤差理論,是斷章取義。
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2 測(cè)量的目的是得到被測(cè)量的量值。對(duì)常量測(cè)量來(lái)說(shuō),被測(cè)量的量值,只有一個(gè),稱(chēng)為被測(cè)量的真值。因此,常量測(cè)量的目的,就是得到真值。
什么是真值?真值是量與測(cè)量單位的比值與單位的乘積。復(fù)現(xiàn)單位的是基準(zhǔn),基準(zhǔn)的值最接近單位的值。因此,要得到極準(zhǔn)確的值,要將被測(cè)量同基準(zhǔn)去比,但有資格與基準(zhǔn)比的只有工作基準(zhǔn)及一等標(biāo)準(zhǔn),其他標(biāo)準(zhǔn)與儀器(更不要說(shuō)實(shí)物)沒(méi)有資格同基準(zhǔn)去比。實(shí)際上沒(méi)必要去攀高;滿(mǎn)足實(shí)用要求就可以了。測(cè)量的實(shí)際目的是得到準(zhǔn)確度夠格的測(cè)得值。
通常,是用測(cè)量?jī)x器測(cè)量,其本質(zhì)是將待測(cè)量與低檔的標(biāo)準(zhǔn)比。過(guò)去的桿秤,比較標(biāo)準(zhǔn)是秤砣。秤砣是五等砝碼。
測(cè)量時(shí)將待測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較,以確定被測(cè)量與選定單位的比值,此比值與單位的乘積就是測(cè)得值。
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注意,測(cè)量必用測(cè)量?jī)x器,而測(cè)量?jī)x器是必須經(jīng)過(guò)計(jì)量且合格的。我國(guó)計(jì)量法明文規(guī)定,測(cè)量?jī)x器(示教儀器除外)必須計(jì)量合格才能出廠,才能出售。任何人使用測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量,是在選用測(cè)量?jī)x器時(shí)就知道測(cè)量?jī)x器的指標(biāo)的,也就是知道測(cè)量?jī)x器的誤差范圍的。這個(gè)現(xiàn)實(shí)表明,測(cè)量前,人們已知測(cè)量?jī)x器的誤差范圍,而只要正確使用測(cè)量?jī)x器(包括滿(mǎn)足測(cè)量?jī)x器的使用條件),測(cè)量?jī)x器的誤差范圍就是測(cè)得值的誤差范圍。因此,不經(jīng)過(guò)測(cè)得值減真值的操作,測(cè)量者在得到測(cè)得值的同時(shí),已經(jīng)知道了誤差范圍。
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測(cè)量,人們得到了完整的測(cè)量結(jié)果,既有了測(cè)得值,也知道了誤差范圍。
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不經(jīng)過(guò)測(cè)得值減真值的操作,就知道測(cè)量的誤差范圍,這是人類(lèi)社會(huì)的分工的結(jié)果,是社會(huì)發(fā)展的成就。
脫離社會(huì)而生活在孤島上的魯濱孫,不可能知道星期五造的秤的誤差范圍。
人們生活在社會(huì)中,而不是生活在孤島上。社會(huì)的構(gòu)成中,有一種部門(mén)叫計(jì)量部門(mén),計(jì)量部門(mén)的核心職責(zé)是管理測(cè)量?jī)x器、量具的合格性。所謂合格,就是測(cè)量?jī)x器的實(shí)際誤差,要在廠家標(biāo)注的測(cè)量?jī)x器的誤差范圍指標(biāo)內(nèi)。在計(jì)量中,是抽樣測(cè)量,就是比較測(cè)得值與真值。真值是標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際值,用標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)稱(chēng)值來(lái)代換。此代換引入的誤差是標(biāo)準(zhǔn)的誤差范圍,即計(jì)量的誤差范圍。計(jì)量的誤差范圍比被檢儀器的誤差范圍要足夠小,小到1/4以下(過(guò)去有的取1/3,大了些。頻率界取此值為1/10)。
在計(jì)量部門(mén),是有標(biāo)準(zhǔn)的,標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)稱(chēng)值可以當(dāng)真值用。因此,誤差元定義的測(cè)得值減真值,在計(jì)量部門(mén)實(shí)現(xiàn)。
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那么,計(jì)量部門(mén)的真值,能夠代替實(shí)際測(cè)量時(shí)的被測(cè)量的真值嗎?可以的。儀器設(shè)計(jì)原理中,要保證能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),儀器才能實(shí)際應(yīng)用。原來(lái),儀器的設(shè)計(jì)方案,不是針對(duì)一個(gè)量值,而必須針對(duì)量值的函數(shù)。這個(gè)量值函數(shù)的可實(shí)現(xiàn)范圍,就是量程。量值函數(shù)的實(shí)現(xiàn),伴隨有確定的誤差函數(shù)。檢查若干點(diǎn),就可以體現(xiàn)、代表誤差函數(shù),即得知誤差函數(shù)的可能取值。
從計(jì)量到測(cè)量,有幾層代換關(guān)系。計(jì)量時(shí),用測(cè)量?jī)x器測(cè)量 標(biāo)準(zhǔn)器,測(cè)得值減標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)稱(chēng)值是一個(gè)誤差元,這里是以標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)稱(chēng)值代換標(biāo)準(zhǔn)的真值;代換的代價(jià)是引入計(jì)量的誤差,它等于標(biāo)準(zhǔn)的誤差范圍。
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測(cè)量的本質(zhì)是實(shí)行被測(cè)量與機(jī)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的比較。滿(mǎn)足相等條件(平衡條件),給出示值。相等或平衡,是物理意義上的相等,即被測(cè)量的真值等于機(jī)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的真值(如天平)或等于機(jī)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)(如桿秤),或等于機(jī)內(nèi)的量值函數(shù)的某值(如電子秤)。平衡后給出示值。示值是機(jī)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)稱(chēng)值(天平),機(jī)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)稱(chēng)值的倍數(shù)(桿秤)或機(jī)內(nèi)量值函數(shù)的某點(diǎn)的標(biāo)度值。總之,測(cè)量實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)被測(cè)量真值的代換。
通過(guò)測(cè)量,被測(cè)量的真值被測(cè)量?jī)x器的標(biāo)準(zhǔn)值及比較器所構(gòu)成的儀器的示值所代替,儀器的示值就是測(cè)得值。因此,是測(cè)得值代換了被測(cè)量的真值。這個(gè)代換是有代價(jià)的,那就是有個(gè)誤差范圍:得知的是真值在測(cè)得值加減誤差范圍的區(qū)間中。測(cè)量?jī)x器的示值誤差范圍,就是測(cè)得值的誤差范圍。測(cè)得值必須在現(xiàn)場(chǎng)確定,有被測(cè)量才有被測(cè)量的測(cè)得值;但測(cè)得值的誤差范圍,是測(cè)量?jī)x器制造時(shí)造就的、又經(jīng)計(jì)量公證的,是測(cè)量前就有的。
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得到測(cè)得值,又得到了誤差范圍(準(zhǔn)確度)就完成了測(cè)量。此結(jié)果能否滿(mǎn)足要求,取決于測(cè)量前對(duì)測(cè)量?jī)x器的選取。要求低,用普通測(cè)量?jī)x器;要求高,用高檔的測(cè)量?jī)x器。
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由以上對(duì)測(cè)量計(jì)量的過(guò)程的分析可知,被測(cè)量的真值,是個(gè)不可回避的概念,測(cè)量的目的就是知道被測(cè)量的真值。
真值是可知的,是可以認(rèn)識(shí)的。由于測(cè)量必用測(cè)量?jī)x器,而測(cè)量?jī)x器又必有誤差,因此對(duì)真值的認(rèn)識(shí),是個(gè)有層次的、逐漸逼近的過(guò)程。量子理論的不確定性原理(海森堡,1927)指出,同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)有共軛關(guān)系的兩個(gè)量(如時(shí)間與能量、動(dòng)量與坐標(biāo)),準(zhǔn)確度有門(mén)限。但單獨(dú)測(cè)量一個(gè)量,準(zhǔn)確度并沒(méi)有門(mén)限。測(cè)量計(jì)量都是測(cè)量單個(gè)量,所以沒(méi)有準(zhǔn)確度門(mén)限。
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就人類(lèi)的實(shí)用來(lái)說(shuō),只要測(cè)得值的誤差范圍滿(mǎn)足要求就可以了。
有人說(shuō),你沒(méi)有得到真正的真值,你也沒(méi)得到真正的誤差。是的,先生。我們生活在現(xiàn)實(shí)的條件下,也只能干我們能干的事情。滿(mǎn)足實(shí)際需要是根本的原則。現(xiàn)有的、誤差理論指導(dǎo)下的測(cè)量計(jì)量方法,是有層次地滿(mǎn)足各種需要。這是足夠的,也是很好的。誤差理論能解決它該解決的問(wèn)題。我們已有的認(rèn)識(shí)是相對(duì)的,也是正確的,夠用的。
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不確定度論攻擊誤差理論這也不是那也不是,其實(shí)是誣陷。只要說(shuō)清測(cè)量結(jié)果的完整表達(dá),既包括測(cè)得值也包括誤差范圍,易見(jiàn),所謂“真值未知,誤差不可求”的測(cè)量佯謬,也就破解了。
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不確定度理論能不能取代誤差理論?不確定度理論到底能不能用?應(yīng)怎樣發(fā)展測(cè)量計(jì)量學(xué)?另文再議。
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