物理学研究的对象从星系延伸到夸克，尺度跨越数十个数量级。当尺度缩小到原子乃至原子核级别时，肉眼和常规工具便失去了作用。物理学家为此发展出一系列精妙的测量技术，将"尺子"延伸到纳米乃至飞米量级。
光学显微镜受可见光波长（约5×10⁻⁷米）的限制，无法分辨更小的结构。电子显微镜利用电子束代替光线，将分辨率推进到10⁻⁸米量级。扫描电子显微镜（SEM）通过电子束扫描样品表面，生成具有强烈立体感的图像，适合测量细胞表面的微小突起和颗粒形貌。透射电子显微镜（TEM）则让电子束穿透超薄切片，呈现原子级别的内部结构，放大倍数可达百万倍，10纳米的颗粒经放大后变为肉眼可辨的2毫米图像。
当需要真正"触摸"原子时，扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM）应运而生。STM利用量子隧道效应，当探针逼近导电表面时，隧道电流对距离极度敏感，从而以0.1纳米的分辨率绘制表面原子排列。AFM则通过微悬臂探针与样品表面原子间的作用力变化来感知形貌，垂直分辨率可达0.01纳米，甚至适用于绝缘体表面的测量。这两项技术使人类首次"看见"了单个原子。
X射线的波长与原子间距相当，是探测晶体微观结构的理想探针。当X射线照射晶体时，会在特定方向产生衍射图样。通过分析衍射条纹的位置和强度，可以推算出原子在晶体中的相对位置和间距。借助这项技术，科学家测定出原子直径约为10⁻¹⁰米，并由此打开了分子生物学和材料科学的大门。
利用光的波动性，物理学家实现了亚纳米级的精密测量。迈克尔逊干涉仪中，反射镜移动半个波长（约数百纳米），干涉条纹便会变化一个周期，由此可测出极其微小的长度变化。单缝衍射法则通过测量衍射条纹间距来反推缝宽变化。白光干涉仪更是将纵向分辨率推进到0.1纳米，广泛用于半导体薄膜厚度和表面粗糙度的检测。
这是一种以光的波长为物理标尺的非接触测量技术。白光经色散透镜后，不同波长沿光轴展开，只有特定波长在样品表面聚焦。通过分析反射光的峰值波长，即可解码出表面的轴向位置。由于波长是物理学基本常数，测量结果不受表面颜色、反射率和倾斜角度的干扰，在工业检测中展现出极强的适应性。
对于原子核这一更深层次的微观结构，物理学家采用间接的"有效截面"法。将高能粒子射向薄靶，统计被原子核偏转的粒子比例，结合几何关系即可推算出原子核半径约为10⁻¹⁵米。这一方法虽不直接"看到"原子核，却以极高的精度揭示了它的尺寸。
近年来，利用量子特性的传感技术正成为微观测量的前沿。原子磁力计利用中性原子的量子态对磁场的敏感响应，测量精度可达地球磁场的十亿分之一，已应用于心脏磁图和脑磁图的无创诊断。量子干涉效应还被用于构建新一代"量子尺"，在引力探测和惯性导航领域展现出广阔前景。
从电子显微镜到量子传感器，物理学的微观测量技术不断突破人类感知的边界。
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