Зигмунд Перля - О станках и калибрах
В обеих точках, расположенных по обеим сторонам освещенного участка, получается затемнение экрана — темная полоса.
Идя дальше в обе стороны от середины экрана, мы придем в такие два участка, до которых длины путей света от обеих исходных точек будут разниться на целую длину волны. Опять гребень одной волны совпадает с гребнем другой, провал одной — с провалом другой, и эти участки будут усиленно освещены. Далее мы придем к двум точкам, расстояния до каждой из которых от источников света будут разниться на 1,5 длины волны; снова получится затемнение и появится темная полоса. В результате мы получим освещенный экран, пересеченный рядом темных, равноотстоящих друг от друга полос, Расстояния между полосами зависят исключительно от длин волн.
Из этого опыта легко понять, что каждому промежутку между темной полосой и серединой светлого участка соответствует половина длины волны, а расстояние между двумя последовательными темными полосами или одинаково расположенными точками двух последовательных {116} световых участков соответствует полной длине волны и имеет неизменную величину.
На место экрана можно поместить любой измеряемый предмет и подсчитать, сколько на его длине уложится полос. Если мы определим таким путем длину волны, как долю этой длины, то две величины — проверяемая длина и волна данного одноцветного луча света — будут связаны неизменным соотношением. Благодаря этому длина волны может быть использована как точнейшая мера. Это и было сделано для выражения длины международного прототипа метра в длинах световых волн.
Метр — в длинах световых волн
Еще в первой половине XIX столетия ученые предлагали использовать длину световой волны какого-либо определенного цвета в качестве эталона линейных мер. Но требования, предъявляемые к точности, не вызывали тогда еще необходимости в таком эталоне.
Только в конце XIX века, когда бурно развивающееся машиностроение потребовало высокой точности измерительных средств, предложение ученых было осуществлено.
Чтобы получить четкое воспроизведение явления интерференции, необходимо соблюсти два условия.
1. Так как интерферируют не любые два луча одного цвета, а только взаимозависимые одноцветные лучи, то либо первоначальный луч должен быть разложен на два, либо два луча должны исходить из одного источника света.
2. Лучи должны иметь строго определенную длину волны. Большинство световых лучей не удовлетворяет этому требованию: они слагаются из лучей с различными, правда, весьма близкими друг к другу длинами волн. Каждый из этих лучей интерферирует по-своему, результаты накладываются друг на друга и на экране либо вовсе ничего не получается, либо получается очень нечеткая картина. Особенно важно это условие в тех случаях, когда длины путей двух интерферирующих лучей разнятся на много тысяч или миллионов длин волн. Существует очень немного источников света, лучи которых имеют настолько четкую длину волны, что ими можно пользоваться для точных измерений.
Ученые нашли такой источник света: это оказался свет гейслеровой трубки, наполненной парами металла кадмия (белый металл, химически сходный с цинком). {117}
Спектр кадмия состоит из четырех резко выделяющихся цветных линий: красной, которой соответствует длина волны, равная 0,044 микрона, зеленой — 0,509 микрона, синей — 0,480 микрона и фиолетовой — 0,468 микрона. Лучи, порождающие эти линии, правильно интерферируют на пространстве до 20 сантиметров. Позднее ученые нашли, что гейслерова трубка, наполненная газом неоном, позволяет получать четкий интерференционный эффект и на большем расстоянии.
В 1892 году был сконструирован специальный прибор — интерферометр, основанный на интерференции света. А в 1893 году в Международном бюро мер и весов была решена чрезвычайно трудная задача определения длины метра в длинах световых волн. Посредством исключительно точных, кропотливых исследований, измерений и сравнений удалось успешно закончить измерение метра в длинах волн красного света кадмия.
Длина одного метра равняется 1 553 163,5 длины волн красного света кадмия, а обратное соотношение такое: длина волны красного света кадмия равна 0,64 384 696 микрона.
Исключительное по своему значению для техники измерительного дела исследование потребовало невероятного упорства и настойчивости в преодолении больших трудностей. Зато работа была исполнена настолько точно, что повторное измерение метра, произведенное через семь лет уже другим способом, дало те же результаты.
С тех пор, с 1893 года, длина прототипа метра из произвольной меры, только приблизительно равной 1/40 000 000 длины земного меридиана, превратилась в величину, которую всегда можно восстановить с достаточной степенью точности, зная число укладывающихся на ней длин волн одноцветного луча света.
* * *
Научно устанавливаемая и научно проверяемая точность линейных измерений понадобилась не потому, что ученые поставили перед собой теоретически отвлеченную задачу, а потому что машинное производство, основанное на взаимозаменяемости, с определенного момента не могло развиваться без единой международной базы точных измерений.
{118}
Глава III. ЗАВОДСКИЕ «ПРЕДСТАВИТЕЛИ» МЕТРА
«Лестница» точности
Основной эталон метра признан безусловно точной мерой.
Можно понять это так, что все «ниже стоящие» меры должны проверяться по эталону, сравниваться с ним. Но такой порядок проверки разрушил бы всю систему точности. Самые ничтожные воздействия на эталон, если бы они повторялись часто, меняли бы его — пусть на столь же ничтожно малые величины. Накладываясь друг на друга, эти изменения довольно быстро исказили бы первоначальную степень точности основной меры и нарушили бы всю строгость системы мер.
Чтобы только изредка привлекать самый эталон к проверкам, изготовлены еще его копии — вот их-то очень редко и проверяют по основному эталону. Но ведь и копий не может быть много — слишком часто приходилось бы «беспокоить» основной эталон для проверки. Копий всего несколько и степень их точности также приходится очень и очень беречь. Поэтому существует еще одна группа образцовых мер — «рабочие эталоны». Их сверяют с копиями, но не со всеми. Копии делятся в свою очередь на две группы. Одна из них служит для проверки рабочих эталонов, а другая, особая, в таких проверках не применяется — она как бы выжидает своего «часа». А этот час наступает тогда, когда почему-либо одну из действующих копий «заподозривают» в потере должной степени точности. Тогда эту копию сравнивают с одной из особой группы. Копии, входящие в нее, называются «свидетелями» эталона.
Значит ли это, что рабочих эталонов так много, что по ним можно проверять измерительные приборы и инструменты на каждом заводе? Конечно нет. Если бы их было много, как бы точно они ни были изготовлены и измерены, был бы неизбежен разнобой в степени точности между отдельными эталонами. Поэтому существуют следующие по точности образцовые меры первого разряда — их проверяют по рабочим эталонам. Затем — образцовые меры второго и третьего разряда.
Все это — образцы меры, хранящиеся в научно-метрологических учреждениях страны, ведающих важнейшим {119} делом хранения и соблюдения точности. Они, эти меры, образуют, по выражению одного советского научного работника-метролога, как бы лестницу точности, спускающуюся от основного эталона до тех измерительных приборов, которые служат для лабораторных и технических измерений вне метрологических учреждений — на предприятиях промышленности. Эти приборы занимают последние ступени лестницы точности.
Замечательные плитки
Представители метра на заводе, заводские эталоны для линейных измерений, — это измерительные плитки. Именно с их помощью улавливаются разности между двумя размерами, выражаемые иной раз несколькими микронами. Эти же плитки помогают «уличить в неточности» и отрегулировать износившийся заводской измерительный инструмент или прибор.
Еще пятьдесят лет назад, в поисках таких мер длины, которые в условиях заводских лабораторий и даже в цеховой обстановке служили бы в качестве образцовых, ученые пришли к следующему выводу: если бы удалось изготовить набор различных стальных плиток с очень точными размерами между мерительными плоскостями, обеспечить относительную неизменность этих размеров и, наконец, путем комбинирования плиток получать любые размеры в пределах определенного размерного промежутка (например, от 1 до 100 миллиметров), то такой набор мог бы служить достаточно точным заводским эталоном длин.
Но создать такой набор было трудной задачей. Прежде всего надо было найти подходящий материал для плиток, такую сталь, высокие качества которой обеспечили бы неизменность размеров после тепловой обработки и в то же время большую износоупорность. Надо было далее найти способы изготовления плиток с идеально плоскими зеркальными мерительными поверхностями. Наконец, надо было установить, каковы должны быть размеры отдельных плиток набора, чтобы с их помощью получать любые размеры внутри заданного размерного промежутка.
