从微观到宏观来说说距离测量中的知识点

春秋时期，管仲就是对“距离”估算出现了一点误差，导致没射死公子小白，成就了后来的齐桓公；玩吃鸡游戏时，远程射击需要对“距离”进行一定的目测和估算，这样才能提高命中率；即便是超级英雄，两只眼的索尔也是因为对“距离”没估算好，没砸中灭霸的脑袋，以至于后者一个响指，咔嚓，复联三就结束了~~~~

从常用的直尺、卷尺，到量子力学使用的激光光栅，再到天文学中光年的换算，对距离的测量覆盖了我们生活的各个方面。今天咱们就从微观到宏观来说说距离测量中的知识点，这里主要以纳米、米到光年三个方面来进行描述。

一、纳米：没有最小，只有更小

把1米等分为十的九次方份，一份就是1纳米。而且涉及到微观界的单位，人们对纳米接触的最多，因为咱们用到的手机中CPU都是宣传多少纳米工艺。那么，纳米是怎么测量的呢？我们先看看下面的发展历程：

1982年，宾宁和罗尔发明了扫描隧道显微镜（STM）并于1986年获得物理学诺贝尔奖；

1986年宾宁发明了原子力显微镜，达到横向精度3nm和垂直方向0．1nm的分辨率；

英国国家物理研究所对各种纳米测量仪器与被测对象之间的几何与物理间的相互作用进行了详尽的研究，其研制的微形貌纳米测量仪器测量范围是0．01nm～3nm和0．3nm～100nm。

德国科学家德赫李赫等研制了电容式位移控制微悬臂原子力显微镜，并进行了一系列称为1nm级尺寸精度的计划项目，已完成亚纳米级的一维位移和微形貌的测量。

在纳米级的测量中，我们看的是“没有最小，只有更小”。抛开一堆我们平时接触不到的高精尖设备，有一种仪器在日常应用中比较广泛，那就是激光干涉仪。没有，就是激光。在这里希望大家去回顾一下波的反射和干涉，激光在米级和纳米级的不同应用就是使用了这两种特性。

激光干涉仪

二、米：其实它是法制单位，而不是英制

一米的长度现在定义为“光在真空中行进1/299792458秒的距离”，那么这个299792458是怎么确定的，为什么不是1/300000000，也不是1/299000000，却偏偏是那么奇怪的数值？

国际单位制的长度单位“米”其实是法制单位。1790年5月由法国科学家组成的特别委员会，建议以通过巴黎的地球子午线全长的四千万分之一作为长度单位，选取古希腊文中“metron”一词作为这个单位的名称，后来演变为“meter”，中文译成“米突”或“米”。

为了制造出表征米的量值的基准器，在法国天文学家捷梁布尔和密伸的领导下，于1792～1799年，对法国敦克尔克至西班牙的巴塞罗那进行了测量。1799年根据测量结果制成一根3.5毫米×25毫米短形截面的铂质原器：铂杆，以此杆两端之间的距离定为1米，并交法国档案局保管，所以也称为“档案米”。这就是最早的米定义，而这支米原器一直保存在巴黎档案局里。

简而言之，1/299792458，是用来凑“米”的长度的。米原器作为第一个全球普遍公认的关于长度的仪器，也有它的缺陷，比如说自身的损坏等等。为了避免这一情况发生，科学家又使用了诸如其他类型的、更加稳定的参考物，但是万变不离其宗，他们的本质就是给出了“米”这一标准长度。

这就是“米”

三、光年：其实它都不是测出来的

光年是一种距离，也是一种无法“测量”或“计算”的距离；在一定意义上说，光年只是为了科普而进行的换算，天文学上是使用秒差距来进行天体的距离估算的，然后再把结果转换成光年来进行说明。关于光年的“计算”方法，大概有一下几种：

（1）近距离的用视差测量法。秒差距是一种最古老的，同时也是最标准的测量恒星距离的方法。它是建立在三角视差的基础上的。从地球公转轨道的平均半径（一个天文单位，AU）为底边所对应的三角形内角称为视差。当这个角的大小为1秒时，这个三角形（由于1秒的角的所对应的两条边的长度差异完全可以忽略，因此，这个三角形可以想象成锐角三角形，也可以想象成等腰三角形）的一条边的长度（地球到这个恒星的距离）就称为1秒差距。

秒差距示意图

（2）再远的靠造父变星。一个光源的距离变成两倍，亮度就降到四分之一。因此只要知道恒星的实际亮度，再与视亮度对比，就能得出距离。问题是怎么能知道实际亮度呢？

造父变星是一大类亮度会周期性变化的恒星。观测大量造父变星发现，它们的真实亮度和亮度变化周期有确定的关系，测出它们的光变周期就能得到真实亮度，进一步测出距离。用造父变星可以测出几百万到上亿光年以外星系的距离。

（3）更远的靠Ia超新星。白矮星的质量有理论上限，大约1.44倍太阳质量。如果一个白矮星有个距离足够近的伴星，它就会从伴星上吸取物质，质量逐渐增加。达到质量上限时就会爆炸，成为Ia型超新星。因此大部分Ia超新星爆发时的质量都相近，它们的亮度和光变曲线也有确定的关系。靠Ia型新星可以测出几十亿光年以外星系的距离。