测量看不见的长度：光学精密计量

    日常生活中，人们已经习惯利用各种工具去测量不同长度的物体，4.588千米长的南京长江大桥，2.26米身高的姚明，4.25毫米窄边框的iPhone6……这些都是人眼所能直接感受到的长度，但那些看不到的长度该如何测量？如何去定义百分之一头发丝的厚度？早在一个世纪以前，这些问题就已经被一位名叫阿尔伯特·亚伯拉罕·迈克尔逊的科学家解决了。

    1883年，迈克尔逊为了研究当时著名的“以太”问题，利用光的干涉特性，设计并发明了第一台迈克尔逊干涉仪。它原理很简单，将一束光分成两束，这两束光经过相同距离传播后又合到一起，这时在某些地方就会看到亮条纹，即强度是两束光的强度之和，但也会发现有些地方观察到暗条纹，即出现1+1=0，没有强度，这样就形成了条纹相间的图案，当其中一条光束传播距离发生变化，条纹图案便会发生变化，当这两束光传播距离的差值达到光的一个波长时，图案正好变化一次，这样就可以用光的波长来丈量物体的长度。

    不同颜色的光的波长是不一样的，其中红光波长约625纳米，大概就是百分之一头发丝的厚度，而绿光波长约是520纳米，蓝光波长约是470纳米。利用这些光的波长去丈量物体的长度或物体运动的距离，正是光学精密机械的开端。后来，迈克尔逊利用自己设计的干涉仪对存放在舍夫勒（Sevres）的国际标准米尺进行测算，确定了巴黎的米尺等于1553163.5个镉红线的波长长度，这是人类首次获得一种永远不变且毁坏不了的长度基准，如此精确的测算使得迈克尔逊闻名于全球。

    迈克尔逊干涉仪由于结构简单、精度高，因而被广泛应用于各个领域。1920年，迈克尔逊与天文学家F·G·皮斯合作，把一台20英尺的干涉仪放在100英寸反射望远镜后面，制成了第一台恒星干涉仪，用它测量猎户座α（参宿四）的惊人的角直径，计算出其直径约为3.86×108千米，约30000个地球那么大，引起了科学界和媒体的关注。同时它可以制成地震检波器，利用人工地震波，检测油气矿藏；可以制成光学相干层析成像仪，扫描人眼底的形貌，从而用于检测青光眼、白内障等眼科疾病；甚至我们手中的智能手机屏幕，也可以用它来进行平面度的检测。

    1907年，迈克尔逊因“发明精密光学仪器及应用这些仪器所进行的光谱学和计量学研究”获得诺贝尔物理学奖，他所完成的实验都以设计精巧、精确度高而闻名，就连爱因斯坦也忍不住称赞他为“科学中的艺术家”。

    （作者单位：中科院上海光机所）