近日，《人民日?qǐng)?bào)》“開(kāi)卷知新”專(zhuān)欄刊發(fā)了哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器學(xué)院譚久彬院士署名科普文章，題目為《精密測(cè)量——科學(xué)探索的“眼睛” 高端制造的“尺子”》。

以下是文章全文。

精密測(cè)量——

科學(xué)探索的“眼睛”高端制造的“尺子”

譚久彬

哈爾濱工業(yè)大學(xué)儀器學(xué)院譚久彬院士

科學(xué)家門(mén)捷列夫說(shuō)：“科學(xué)是從測(cè)量開(kāi)始的?！薄艾F(xiàn)代熱力學(xué)之父”開(kāi)爾文有一條著名結(jié)論：“只有測(cè)量出來(lái)，才能制造出來(lái)?！比祟?lèi)科學(xué)研究的革命，工業(yè)制造的迭代升級(jí)，都離不開(kāi)測(cè)量技術(shù)的精進(jìn)。在當(dāng)代科技和工業(yè)領(lǐng)域，高水平的精密測(cè)量技術(shù)和精密儀器制造能力，是一個(gè)國(guó)家科學(xué)研究和整體工業(yè)領(lǐng)先程度的重要指標(biāo)，更是發(fā)展高端制造業(yè)的必備條件。隨著精密測(cè)量技術(shù)不斷進(jìn)步，其在科學(xué)研究、工程科技、現(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

精密測(cè)量是工業(yè)生產(chǎn)的倍增器

精密測(cè)量是一個(gè)大的泛指的范疇。凡是準(zhǔn)確度很高的各類(lèi)測(cè)量，都可稱(chēng)之為精密測(cè)量。在精密和超精密工程領(lǐng)域，精密測(cè)量有具體的數(shù)量級(jí)，是指測(cè)量準(zhǔn)確度在1微米至0.1微米量級(jí)的測(cè)量，超精密測(cè)量是指測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于100納米，如10納米、1納米，甚至皮米（千分之一納米）量級(jí)的測(cè)量。

精密測(cè)量興起于工業(yè)大生產(chǎn)。規(guī)?；笊a(chǎn)是現(xiàn)代工業(yè)的重要特征，產(chǎn)業(yè)分工與專(zhuān)業(yè)化配套越來(lái)越細(xì)化，地域分布越來(lái)越廣，產(chǎn)業(yè)鏈遍布全世界。也就是說(shuō)，一個(gè)產(chǎn)品由成百上千甚至成千上萬(wàn)個(gè)零部件組成，這些零部件不可能由一個(gè)廠家生產(chǎn)，需要聯(lián)合遍布各地的多個(gè)優(yōu)勢(shì)廠家。比如一部智能手機(jī)有1600多個(gè)零件和元器件，由分布在世界上10多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的150多家工廠提供。這樣做，能大批量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高、質(zhì)量高、成本低，優(yōu)勢(shì)明顯。但技術(shù)層面存在一個(gè)難題——面對(duì)如此多零件、元器件，其中任何一個(gè)的尺寸精度或其他技術(shù)指標(biāo)不合格，就無(wú)法集成到一起。

為解決這類(lèi)問(wèn)題，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）和國(guó)際計(jì)量局（BIPM）制定了一系列標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范。依據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，國(guó)際計(jì)量局將公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞給每一臺(tái)測(cè)量?jī)x器，以保證這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)量值在全世界范圍內(nèi)一致。之后，生產(chǎn)廠商使用測(cè)量?jī)x器，對(duì)產(chǎn)品的每一個(gè)零件和元器件的所有技術(shù)參數(shù)進(jìn)行精密測(cè)量。這樣才能保證所有的測(cè)量?jī)x器都是精確的，測(cè)量數(shù)據(jù)都是精準(zhǔn)的，進(jìn)而成千上萬(wàn)的零件或元器件具有互換性。通俗地說(shuō)，就是不同廠商的產(chǎn)品都是合格的、好用的。由此而來(lái)，精密測(cè)量已成為促進(jìn)科技發(fā)展的新興學(xué)科。

精密儀器助力科學(xué)新發(fā)現(xiàn)

怎樣進(jìn)行精密測(cè)量？這就需要實(shí)施精密測(cè)量的工具——精密儀器。精密儀器包括各類(lèi)高端測(cè)量?jī)x器、分析儀器、成像儀器、診療儀器和各類(lèi)實(shí)驗(yàn)儀器等。在幫助工業(yè)生產(chǎn)“把關(guān)”的同時(shí)，精密儀器也是科學(xué)研究的有力工具?？v觀各國(guó)科技發(fā)展歷史，不難發(fā)現(xiàn)，科技強(qiáng)國(guó)一定是基礎(chǔ)研究強(qiáng)國(guó)，基礎(chǔ)研究強(qiáng)國(guó)一定是測(cè)量與儀器強(qiáng)國(guó)。大多數(shù)現(xiàn)代科學(xué)發(fā)現(xiàn)和基礎(chǔ)研究突破，都是借助先進(jìn)的精密測(cè)量方法和尖端測(cè)量?jī)x器實(shí)現(xiàn)的。引力波探測(cè)就是一個(gè)典型例子。

引力波探測(cè)是直接驗(yàn)證愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論、探索宇宙起源和演變的實(shí)驗(yàn)，具有重大科學(xué)價(jià)值。但引力波信號(hào)極其微弱，探測(cè)難度極大，采用超高分辨率的遠(yuǎn)距離激光干涉測(cè)量方法探測(cè)，是目前最有優(yōu)勢(shì)的技術(shù)途徑。也就是說(shuō)，激光干涉測(cè)量?jī)x的測(cè)量準(zhǔn)確度，將直接決定探測(cè)引力波的極限能力。如果激光干涉測(cè)量?jī)x建立在地球上，其互為垂直的兩路激光測(cè)量臂長(zhǎng)至少要達(dá)到4000米。只有滿足這一條件，引力波引起的激光測(cè)量臂長(zhǎng)極其微小的變化（不超過(guò)質(zhì)子直徑的萬(wàn)分之一）才能被測(cè)量到。如果按比例放大，這一超高分辨率測(cè)量相當(dāng)于在繞地球1000億圈的長(zhǎng)度上，檢測(cè)出不超過(guò)一根頭發(fā)絲直徑的長(zhǎng)度變化。經(jīng)各國(guó)科學(xué)家共同努力，2016年人類(lèi)首次直接測(cè)量到高頻段引力波，3位相關(guān)科學(xué)家因此項(xiàng)成果獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。