О станках и калибрах - Зигмунд Перля

Мы все время толкуем о величине метра, приводим данные его сравнительных измерений и при этом оперируем даже долями микрона. Как же производится измерение длины какого-либо эталона метра? Проверка производится способом сравнения проверяемого эталона с одним из образцовых и осуществляется с помощью очень точного прибора.

Два сравниваемых эталона помещаются рядом и подводятся под окуляры двух микроскопов, неподвижно укрепленных на таком расстоянии друг от друга, которое равно номинальному размеру длины между штрихами метра. Разность, подлежащая проверке, улавливается путем регистрации отклонения штриха сличаемого эталона от штриха образца. При этом необходимо соблюсти одинаковую температуру обоих эталонов с точностью до 0,1 градуса. Даже человеческое дыхание, повышающее температуру на 0,1 градуса, способно повлиять на точность измерения.

Ванна с двойными стенками наполнена дестиллированной водой. Пространство между стенками также наполнено водой, которая служит для регулирования температуры воды в ванне. Внутри на специальных опорах покоятся оба сличаемых эталона. Ванна укреплена на тележке, позволяющей осуществлять передвижения в направлении, перпендикулярном длине сличаемых мер. По обеим сторонам ванны на каменных опорах укреплены в вертикальном положении два микроскопа. Оба эталона по очереди подводят под окуляры этих микроскопов и производят два отсчета для двух штрихов образцового метра. Затем подводят проверяемый метр и производят такие же два отсчета для его штрихов. Результаты сравнивают и определяют фактическую длину проверяемого метра. {112}

На протяжении нескольких десятилетий усилия науки направлены были к тому, чтобы добиться предельной точности в установлении величины метра — этой всеобщей международной единицы длины.

Но лишь в конце XIX века ученые получили возможность, используя длину световых волн, производить измерения с настолько высокой степенью точности, что многократные измерения одной и той же величины не показали какого-либо существенного различия. Метр, выраженный в длинах этих волн, получил ту устойчивость, к которой стремились ученые на протяжении многих лет.

Глава II. НЕИЗМЕННАЯ МЕРА

Немного физики

Чтобы понять, в чем состоит способ измерения с помощью длины световых волн, кратко напомним некоторые сведения из физики света.

Представим себе темную комнату с небольшим круглым отверстием в одной стене и белым экраном на противоположной. Если в отверстие направить пучок параллельных солнечных лучей, то на экране появится световое круглое пятно. На пути этого пучка лучей поместим стеклянную призму. Лучи, проходя через призму, изменят свой путь и упадут на стену уже в другом месте. Это явление носит название преломления лучей света. Призму следует поставить так, чтобы преломившиеся лучи шли внутри призмы параллельно ее основанию. На экране мы отметим еще одну странность — на нем не будет уже белого круглого пятна; вместо него появится разноцветная полоса. Верхний край полосы будет фиолетового цвета, нижний — тёмнокрасного. Между этими цветами будет еще много разных цветов, но главных, наиболее резко отличимых будет еще шесть: синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный. Вся разноцветная полоса носит название солнечного спектра; его появление вызвано разложением луча белого солнечного света на составляющие его разноцветные лучи.

Для более четкого воспроизведения спектра существуют специальные приборы — спектроскопы. С помощью такого прибора ученый Фраунгофер открыл в 1814 году, что солнечный спектр пересечен множеством темных линий. Они получили название фраунгоферовых линий. Их положение в спектре неизменно. Наиболее заметные из {113} фраунгоферовых линий (всего их насчитывают несколько тысяч) разделяют спектр на уже известные восемь частей: тёмнокрасную, светлокрасную, оранжевую, желтую, зеленую, голубую, синюю, фиолетовую.

Отдельные, четко окрашенные полосы порождаются одноцветными лучами, которые в физике света называются монохроматическими. Это слово составлено из двух греческих слов: «монос» — один и «хрома» — цвет.

Арифметика световых волн

Всякое вещество, находящееся в раскаленном состоянии, излучает в окружающее пространство энергию. Распространение энергии происходит волнообразно со скоростью 299 800 километров в секунду. Эти волнообразные колебания создают в человеческом глазу ощущение света.

Установлено, что каждый одноцветный луч имеет постоянную, только ему свойственную длину волны. Именно от длины волны и зависит восприятие глазом того или иного цвета.

Внутри каждого из восьми основных участков спектра, разделенных линиями, существует огромное количество оттенков данного цвета со свойственной каждому оттенку характерной длиной волны. Но так как внутри одного цвета разница между длинами волн различных оттенков ничтожно мала, то для практических целей ею пренебрегают и принимают для каждого из восьми цветных участков по одной характерной длине волны, выраженной в метрических единицах.

Длина волн очень незначительна и для средних светлых линий (желтый, зеленый) ее величина равна приблизительно 0,0005 миллиметра.

Всякое физическое тело дает особый спектр, состоящий из свойственных только этому телу линий, всегда одинаково расположенных. Длина волн, соответствующая каждой линии спектра определенного физического тела, есть величина постоянная, не изменяющаяся со временем и не зависящая от каких-либо условий. Эти свойства световых волн и натолкнули на мысль использовать их длину в качестве природного эталона линейных мер. Но световые волны невидимы! Как же можно с их помощью производить измерения? Ученые сделали их видимыми, воспользовавшись явлением интерференции света.

В чем это явление заключается? {114}

Представим себе, что два одноцветных (следовательно, имеющих одинаковую длину волны) луча действуют одновременно. Из возможных в данном случае положений обоих лучей нас интересуют два: первый — когда одинаковые по длине волны таких двух лучей как бы налагаются друг на друга, совпадая началом и концом волны. Такие два луча дают увеличенную яркость; второй — когда волны как бы направлены друг против друга. Если проследить одинаково расположенные точки этих волн (например, высшие точки верхних гребешков каждой волны), то видно, что они взаимно смещены на половину длины волны. (Стоит «передвинуть» один луч на половину волны, и они снова будут как бы наложены один на другой.) Такие два луча дают пониженную яркость и даже ощущение темноты, если величины колебаний волны одинаковы. Волны как бы уничтожают друг друга. В физике это явление называется интерференцией. Практически оно может дать следующий очень интересный эффект. {115}

Одинаковые по длине волны как бы налагаются друг на друга и дают увеличенную яркость (слева на рисунке); их „работу” можно сравнить с работой пильщиков, — в то время, как один из них тянет пилу на себя, другой „позволяет” ей уйти и этим как бы усиливает ее движение. Те же волны, смещенные одна относительно другой на половину своей длины, как бы противостоят друг другу (справа на рисунке) и дают поэтому затемнение; такой эффект можно сравнить с работой тех же пильщиков, если оба они одновременно тянут пилу на себя.

Из двух исходных точек начинается волновое движение двух пучков лучей, направленных на экран

Два плоских зеркала поставлены под весьма малым углом друг к другу. На расстоянии нескольких сантиметров от линии соприкосновения зеркал расположена узкая щель, которая освещается сзади сильным источником света (солнце, вольтова дуга). Пучок света падает на зеркала и отражается вниз на экран.

Каждое зеркало можно рассматривать как отдельный источник того же света. Из этих двух исходных точек как бы начинается волновое движение двух пучков лучей, направленных на экран, на котором можно наблюдать следующее явление.

В середине экрана расположена точка, по которой волны обеих исходных точек проходят одинаковый путь. Длины этих волн одинаковы, и гребень одной волны накладывается на гребень другой; провалы обеих волн также совпадают. Поэтому участок будет усиленно освещен. По обеим сторонам от него расположены две точки, расстояние до которых от исходных точек будет таким, что гребень одной волны совпадает с провалом другой. Это значит, что в данном случае длина пути, проходимого светом от одной исходной точки, на половину длины волны короче, чем длина пути от второй исходной точки.

В обеих точках, расположенных по обеим сторонам освещенного участка, получается затемнение экрана — темная полоса.