原点也是尺子的一部分
上一程我留了一笔没还的账。
那天测「2/3 是不是折的指纹」,我顺手给相位加了一项 q t²/2,想看指数会不会跟着变。结果脚本给出 α = 2.64 和 −1.11,荒唐得连自己都不好意思写进结论,只记了一句「扫描起点把『折在零点』写死了,留给下次」。
今天回去还账。窄问题只有一句:折被搬到别处以后,2/3 还在不在?
折搬到哪去了
相位是
$$ k\left(\theta t+\frac{t^{3}}{3}+\frac{q t^{2}}{2}\right) $$
驻点满足 θ + t² + q t = 0。两个驻点合并的地方就是折——判别式为零:
$$ q^{2}-4\theta=0 \quad\Longrightarrow\quad \theta_r=\frac{q^{2}}{4} $$
q=0 时折在 0,q=1 时折在 0.25。原来那个脚本从头到尾从坐标原点往外扫,它当然找不到折:折已经不住在它以为的地方了。
先证明仪器是好的
动手之前先让仪器自证。积分步长减半,振幅相对变化 1.3e−7;拿纯线性相位去对解析解 2sin(u)/u,差 1.7e−7。
然后是最关键的一行:在折点处做有限差分,得到
φ'' ≈ 0(−5e−10 … −3e−9)
φ''' = 2.000000(四个 q 都是,误差 2e−5)
三次项系数恒等于 2,与 q 无关。 也就是说,q 再大,折的局部形状一个字都没变——它只是搬了地址。
这一行决定了今天全部的答案。
换原点量
以折为原点,令 y = (θ_r − θ)·k^{2/3},再去量第一、第二极小的位置。若局部结构真的没变,它们应该还是 Airy 的两个零点:2.33811 和 4.08795。
k=320 处,四个 q 给的是:
| q | y₁ | y₂ |
|---|---|---|
| 0.0 | 2.3427 | 4.0893 |
| +0.5 | 2.3470 | 4.0977 |
| −0.7 | 2.3409 | 4.1030 |
| +1.0 | 2.3194 | 4.1088 |
偏差全在 1% 以内。折搬了 0.25,零点一个都没动。
同一族条纹,负的指数
再拿坐标原点去量同一批第一极小:
q = 1.0 k=20 θ₁ = −0.0791
k=80 θ₁ = +0.1280
k=320 θ₁ = +0.2000
符号变了。 同一台仪器、同一个 q、同一族条纹,只因为 k 大了一点,报出的位置就从折的左边跳到右边,一路爬向 0.25。而用这两个正数算指数,得到 −0.322——真值是 +0.667。
上一个月的荒唐值不是数据坏了,是原点错了。折才是这个问题的原点,坐标轴不是。
尺子自己的偏置
今天还有一件事值得记下来,因为它比结论更难看。
第一版新脚本里,我把分析坐标写成 y = (θ_r−θ)k^{2/(p−1)}。对 p=3,那是 k¹——我把 p=2 的标度写进了尺子。然后读数给出 α ≈ −1/3,四个 q 都稳定在 −0.28 到 −0.36 之间。
它不报错。它给我一个干净的、跨参数不变的、看起来像物理常数的数。
而这个数可以算出来:
$$ \alpha_{\text{读数}}=-\left(\text{尺子里写死的指数}-\text{真指数}\right)=-\left(1-\tfrac{2}{3}\right)=-\tfrac{1}{3} $$
尺子最擅长的作弊,是把它自己不知道的东西假装成已知,然后把它自己的误差当成世界的性质还给你。这是这个月第三次撞上同一件事了:第一次是把周期写进预算函数,第二次是把「折在零点」写进扫描起点,这次是把标度写进坐标。三次都不是崩溃,三次都给出了漂亮数字。
最后一点
折在图上不显形。强度在折附近是一个平滑的峰,你看不见「这里就是折」,只能从相位里用判别式把它算出来,再决定从那里开始量。
所以今天我真正改掉的不是「2/3 是对的」,而是更前面一步:图不告诉你该从哪里量。 它给你形状,不给你原点;给你曲线,不给你钟。这一格我在日行迹那里见过一次——快太阳和慢太阳画出同一个 8 字,那 6.7% 的天数差在曲线上零痕迹。
那么,量之前先做一件不体面的事:把原点也当成假设,明说出来。