什么是精密测量？人民日报刊发哈工大仪器学院谭久彬院士科普文章

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近日，《人民日报》“开卷知新”专栏刊发了哈尔滨工业大学仪器学院谭久彬院士署名科普文章，题目为《精密测量——科学探索的“眼睛” 高端制造的“尺子”》。

以下是文章全文。

精密测量——

科学探索的“眼睛”高端制造的“尺子”

谭久彬

哈尔滨工业大学仪器学院谭久彬院士

科学家门捷列夫说：“科学是从测量开始的。”“现代热力学之父”开尔文有一条著名结论：“只有测量出来，才能制造出来。”人类科学研究的革命，工业制造的迭代升级，都离不开测量技术的精进。在当代科技和工业领域，高水平的精密测量技术和精密仪器制造能力，是一个国家科学研究和整体工业领先程度的重要指标，更是发展高端制造业的必备条件。随着精密测量技术不断进步，其在科学研究、工程科技、现代工业、现代农业、医疗卫生和环境保护等领域发挥着越来越重要的作用。

精密测量是工业生产的倍增器

精密测量是一个大的泛指的范畴。凡是准确度很高的各类测量，都可称之为精密测量。在精密和超精密工程领域，精密测量有具体的数量级，是指测量准确度在1微米至0.1微米量级的测量，超精密测量是指测量准确度优于100纳米，如10纳米、1纳米，甚至皮米（千分之一纳米）量级的测量。

精密测量兴起于工业大生产。规模化大生产是现代工业的重要特征，产业分工与专业化配套越来越细化，地域分布越来越广，产业链遍布全世界。也就是说，一个产品由成百上千甚至成千上万个零部件组成，这些零部件不可能由一个厂家生产，需要联合遍布各地的多个优势厂家。比如一部智能手机有1600多个零件和元器件，由分布在世界上10多个国家和地区的150多家工厂提供。这样做，能大批量标准化生产，生产效率高、质量高、成本低，优势明显。但技术层面存在一个难题——面对如此多零件、元器件，其中任何一个的尺寸精度或其他技术指标不合格，就无法集成到一起。

为解决这类问题，国际标准化组织（ISO）和国际计量局（BIPM）制定了一系列标准与规范。依据这些标准与规范，国际计量局将公认的标准量值传递给每一台测量仪器，以保证这个标准量值在全世界范围内一致。之后，生产厂商使用测量仪器，对产品的每一个零件和元器件的所有技术参数进行精密测量。这样才能保证所有的测量仪器都是精确的，测量数据都是精准的，进而成千上万的零件或元器件具有互换性。通俗地说，就是不同厂商的产品都是合格的、好用的。由此而来，精密测量已成为促进科技发展的新兴学科。

精密仪器助力科学新发现

怎样进行精密测量？这就需要实施精密测量的工具——精密仪器。精密仪器包括各类高端测量仪器、分析仪器、成像仪器、诊疗仪器和各类实验仪器等。在帮助工业生产“把关”的同时，精密仪器也是科学研究的有力工具。纵观各国科技发展历史，不难发现，科技强国一定是基础研究强国，基础研究强国一定是测量与仪器强国。大多数现代科学发现和基础研究突破，都是借助先进的精密测量方法和尖端测量仪器实现的。引力波探测就是一个典型例子。

引力波探测是直接验证爱因斯坦广义相对论、探索宇宙起源和演变的实验，具有重大科学价值。但引力波信号极其微弱，探测难度极大，采用超高分辨率的远距离激光干涉测量方法探测，是目前最有优势的技术途径。也就是说，激光干涉测量仪的测量准确度，将直接决定探测引力波的极限能力。如果激光干涉测量仪建立在地球上，其互为垂直的两路激光测量臂长至少要达到4000米。只有满足这一条件，引力波引起的激光测量臂长极其微小的变化（不超过质子直径的万分之一）才能被测量到。如果按比例放大，这一超高分辨率测量相当于在绕地球1000亿圈的长度上，检测出不超过一根头发丝直径的长度变化。经各国科学家共同努力，2016年人类首次直接测量到高频段引力波，3位相关科学家因此项成果获得诺贝尔物理学奖。