近日，《人民日報》“開卷知新”專欄刊發了哈爾濱工業大學儀器學院譚久彬院士署名科普文章，題目為《精密測量——科學探索的“眼睛” 高端制造的“尺子”》。

以下是文章全文。

精密測量——

科學探索的“眼睛”高端制造的“尺子”

譚久彬

哈爾濱工業大學儀器學院譚久彬院士

科學家門捷列夫說：“科學是從測量開始的。”“現代熱力學之父”開爾文有一條著名結論：“只有測量出來，才能制造出來。”人類科學研究的革命，工業制造的迭代升級，都離不開測量技術的精進。在當代科技和工業領域，高水平的精密測量技術和精密儀器制造能力，是一個國家科學研究和整體工業領先程度的重要指標，更是發展高端制造業的必備條件。隨著精密測量技術不斷進步，其在科學研究、工程科技、現代工業、現代農業、醫療衛生和環境保護等領域發揮著越來越重要的作用。

精密測量是工業生產的倍增器

精密測量是一個大的泛指的范疇。凡是準確度很高的各類測量，都可稱之為精密測量。在精密和超精密工程領域，精密測量有具體的數量級，是指測量準確度在1微米至0.1微米量級的測量，超精密測量是指測量準確度優于100納米，如10納米、1納米，甚至皮米（千分之一納米）量級的測量。

精密測量興起于工業大生產。規模化大生產是現代工業的重要特征，產業分工與專業化配套越來越細化，地域分布越來越廣，產業鏈遍布全世界。也就是說，一個產品由成百上千甚至成千上萬個零部件組成，這些零部件不可能由一個廠家生產，需要聯合遍布各地的多個優勢廠家。比如一部智能手機有1600多個零件和元器件，由分布在世界上10多個國家和地區的150多家工廠提供。這樣做，能大批量標準化生產，生產效率高、質量高、成本低，優勢明顯。但技術層面存在一個難題——面對如此多零件、元器件，其中任何一個的尺寸精度或其他技術指標不合格，就無法集成到一起。

為解決這類問題，國際標準化組織（ISO）和國際計量局（BIPM）制定了一系列標準與規范。依據這些標準與規范，國際計量局將公認的標準量值傳遞給每一臺測量儀器，以保證這個標準量值在全世界范圍內一致。之后，生產廠商使用測量儀器，對產品的每一個零件和元器件的所有技術參數進行精密測量。這樣才能保證所有的測量儀器都是精確的，測量數據都是精準的，進而成千上萬的零件或元器件具有互換性。通俗地說，就是不同廠商的產品都是合格的、好用的。由此而來，精密測量已成為促進科技發展的新興學科。

精密儀器助力科學新發現

怎樣進行精密測量？這就需要實施精密測量的工具——精密儀器。精密儀器包括各類高端測量儀器、分析儀器、成像儀器、診療儀器和各類實驗儀器等。在幫助工業生產“把關”的同時，精密儀器也是科學研究的有力工具。縱觀各國科技發展歷史，不難發現，科技強國一定是基礎研究強國，基礎研究強國一定是測量與儀器強國。大多數現代科學發現和基礎研究突破，都是借助先進的精密測量方法和尖端測量儀器實現的。引力波探測就是一個典型例子。

引力波探測是直接驗證愛因斯坦廣義相對論、探索宇宙起源和演變的實驗，具有重大科學價值。但引力波信號極其微弱，探測難度極大，采用超高分辨率的遠距離激光干涉測量方法探測，是目前最有優勢的技術途徑。也就是說，激光干涉測量儀的測量準確度，將直接決定探測引力波的極限能力。如果激光干涉測量儀建立在地球上，其互為垂直的兩路激光測量臂長至少要達到4000米。只有滿足這一條件，引力波引起的激光測量臂長極其微小的變化（不超過質子直徑的萬分之一）才能被測量到。如果按比例放大，這一超高分辨率測量相當于在繞地球1000億圈的長度上，檢測出不超過一根頭發絲直徑的長度變化。經各國科學家共同努力，2016年人類首次直接測量到高頻段引力波，3位相關科學家因此項成果獲得諾貝爾物理學獎。