作者：譚久彬，中國工程院院士，哈爾濱工業(yè)大學精密儀器工程研究院院長

精密測量——科學探索的“眼睛” 高端制造的“尺子”

科學家門捷列夫說：“科學是從測量開始的。”“現(xiàn)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?！比祟惪茖W研究的革命，工業(yè)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(yè)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(yè)領先程度的重要指標，更是發(fā)展高端制造業(yè)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(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生和環(huán)境保護等領域發(fā)揮著越來越重要的作用。

精密測量是工業(yè)生產(chǎn)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(shù)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(yōu)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(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)分工與專業(yè)化配套越來越細化，地域分布越來越廣，產(chǎn)業(yè)鏈遍布全世界。也就是說，一個產(chǎn)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(chǎn)，需要聯(lián)合遍布各地的多個優(yōu)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(qū)的150多家工廠提供。這樣做，能大批量標準化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率高、質量高、成本低，優(yōu)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(guī)范。依據(jù)這些標準與規(guī)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(nèi)一致。之后，生產(chǎn)廠商使用測量儀器，對產(chǎn)品的每一個零件和元器件的所有技術參數(shù)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(shù)據(jù)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(chǎn)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(fā)展的新興學科。

精密儀器助力科學新發(fā)現(xiàn)

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(yè)生產(chǎn)“把關”的同時，精密儀器也是科學研究的有力工具?？v觀各國科技發(fā)展歷史，不難發(fā)現(xiàn)，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(shù)現(xiàn)代科學發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(yōu)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(fā)絲直徑的長度變化。經(jīng)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。

就科學研究而言，這樣的探測還遠遠不夠。為測量到低頻段引力波，必須將激光干涉測量儀建立在太空環(huán)境中。這樣，其互為垂直的兩路激光測量臂長才能夠達到數(shù)十萬千米到數(shù)百萬千米，激光干涉測量儀的測量準確度才有望達到1皮米。

引力波的例子很好地證明了，測量技術有多精密，科學探索就能走多遠。

只有測量出來，才能制造出來