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空间长度的测量原理 两把靠在一起没有相对运动的刚体尺，如果它们的刻线对齐，那么相重合的任意两条刻线之间两把尺子具有相同的长度，与观察者的位置和运动速率无关。实际上，其中任何一把尺子的刻度可以由另一把尺子的刻度线延长得到，这是对长度进行计量最基本的公理。 如果把尺子做成圆形滚筒，在滚筒上装着能在路面上作出标记的刻度齿，由人推着滚筒沿着需要计量长度的路面前进，滚筒即在路面上形成一把尺。设定滚筒与路面之间没有滑动，滚筒与路面在接触点位置处二者相对速度永远为零。推车者无论以多大速度推着滚筒前进，或以不同速度重复计量工作，都将发现滚筒在路面上刻着同一把尺子。令滚筒外圆周长为L，转过圈数为N，则被测量的路段长度为NL，测量结果与测量速度无关。 为了获得准确的长度测量结果，人们必须规定出至少一把标准尺。原理上，人们把标准尺放在两个不同的地点A与B，根据标准尺，分别在A处制造出一根螺杆，在B处制造出一根螺套，螺杆与螺套的螺纹参数完全相同，没有任何误差。当把A处制造的螺杆放到B处，或把B处制造的螺套放到A处，螺杆都正好旋进螺套之中。既不会卡住，也不会松动。 由于现实之中的任何物体都不是假想出来的刚体物，它们所呈现出来的几何长度都会受到温度影响。在相同环境温度条件下制造出来的同尺寸螺杆与螺套，在温度发生改变之后，就会因为不同材料的变形量不一致导致它们的长度不再保持着相同，螺杆装不进螺套之中。即便是完全相同的材料，在温度发生改变之后，尽管它们的长度保持着相同，螺杆能够装进螺套之中，它们的长度也已经随着温度改变发生了相应改变。同长仍具有相对性。 实验表明，光在相同并且均匀的光传播媒介物质中传播时波长具有均等的特点。影响波长均等的因素是光传播媒介物质的同一性和均匀性，而光源发出的光子能量可否保持一致将导致波长可否保持稳定。人们可以利用均等的光波长来标定等分刻度，却并不因为使用或不使用光波长标定等分刻度，物质世界的本性就会发生改变。只要光源发出的光子能量不变，光波的传播快慢与使用光波长标定的长度单位无关。相比之下，在没有实物粒子的非实物粒子传播媒介物质之中，光波长的均等性最好。由于不受任何实物运动影响，把光在没有实物粒子的非实物粒子传播媒介中传播呈现出的波长作为长度计量标准尺可能最良好。1960年，第11届国际计量大会通过决议6，将氪-86原子的2p10和5d5能级之间的电子跃迁辐射到真空中传播的1650763.73个波长规定为1米标准长度，取代先前根据人为指定的地球0度纬线周长等分成约40000000个单位长度制定出的1米标准钢米尺长度。 注意，人们乃是依据运动不灭原理，相互影响因素越少，物质运动状况越稳恒的推理，把光在没有实物粒子的非实物粒子传播媒介物中传播呈现出的波长作为最良好的长度计量标准尺。实际上，进行任何长度测量，都必须接触实物。没有实物参与，发出的光线只能无限前进下去直到完全衰竭。当人们在所做的某个光学干涉实验中发现两路相干光的光程始终没有发生变化时，光波长与确定光路的实物长度其实已经完全处于相同的稳定水平状况中。人们只要找到某种控制手段使光学干涉实验所展示的达到几米的光程长期不发生任何变化，就表明采用这个控制手段，可以使确定光路的实物长度具有与光波长完全相同的稳定水平。这个控制手段实际上就是要使实物保持着恒定的温度。 换句话说，人们早期规定的标准钢米尺在恒定温度下与标准光波尺具有完全相同的稳定水平。这也正是人们在制定标准光波尺时，并没有将氪-86原子辐射在真空中传播的波长为0.60578μm的可见红色光的1650764个整数倍波长规定为1米标准长度的原因。当人们把氪-86原子的2p10和5d5能级之间的电子跃迁辐射到真空中传播的1650763.73个波长规定为1米标准长度时，它表明早期规定的标准钢米尺在恒定温度下长度变化量不大于±0.006个波长, 相对稳定性为±3.6×10-9。由于对钢米尺做微小均等细分受到制造技术上的限制，实际制造出的每一根钢米尺长度又存在微小相差，这使得仅采用钢米尺做长度计量传递基准容易产生较大的误差。改用光波尺做长度计量传递基准，则可以方便地利用长度小于1μm的光波长将微小的长度差别分辩出来，从而使测量误差显著减小。 随着实用数字电子技术的发展，到20世纪末，人们已经能够把光波尺复制成实物尺。以实例来说：人们可以在精密激光测长仪上安装间距为0.02mm的玻璃光栅尺，由于光栅间隔制造误差约为±0.5μm,50000条光栅间隔误差累计达到0.1mm, 相对于1m标准长度该误差明显太大。若利用光栅形成的莫尔条纹获得的体现为正弦、余弦函数关系的光电转换信号，对电信号作40倍移相电子细分，从而使可逆记数器纪录的每个脉冲变化值相当于滑动测量头移动0.125μm，只要把测量头在机械导轨上连续移动到各个位置处由光栅莫尔条纹获得的对应数值作为地址码，把激光干涉条纹移动获得的长度计量数值作为数据码存放到存储器中记忆下来。之后再用光栅形成的莫尔条纹计量长度，所显示出来的测量数值就与采用激光干涉原理计量长度是相同的准确度。由于测量头在导轨上重复对准同一位置的误差限定了测量的最高精度，精密测长仪测量头在导轨上重复对准同一位置的误差约为±0.03μm，它意味着长度显示数值的最小计量单位小于0.06μm就失去有效可靠性。无论是使用激光干涉方式进行测量，还是使用光栅或磁栅产生的莫尔条纹测量长度，测量结果都与测量速度无关。只是受到感应元件的工作响应极限速度限制，不能过快地移动测量头。 |