قياس

باستثناء بعض الثوابت الكمومية الأساسية ، تُستمد وحدات القياس من اتفاقيات تاريخية. لا يوجد في الطبيعة ما يُملي أن يكون للبوصة طولٌ مُحدد، ولا أن الميل مقياسٌ أفضل للمسافة من الكيلومتر . مع ذلك، وعلى مرّ التاريخ البشري، تطورت معايير القياس، أولًا بدافع التيسير ثم بدافع الضرورة، لتوفير معايير مشتركة للمجتمعات. وقد وُضعت القوانين المنظمة للقياس في الأصل لمنع الغش في التجارة.

تُعرَّف وحدات القياس عمومًا على أسس علمية، وتشرف عليها هيئات حكومية أو مستقلة، وتُرسى في معاهدات دولية، أبرزها المؤتمر العام للأوزان والمقاييس (CGPM)، الذي تأسس عام 1875 بموجب اتفاقية المتر ، ويشرف على النظام الدولي للوحدات (SI). فعلى سبيل المثال، أعاد المؤتمر العام للأوزان والمقاييس تعريف المتر عام 1983 بدلالة سرعة الضوء، وأعاد تعريف الكيلوغرام عام 2019 بدلالة ثابت بلانك ، وحددت حكومات الولايات المتحدة والمملكة المتحدة وأستراليا وجنوب إفريقيا الياردة الدولية عام 1960 بأنها تساوي 0.9144 مترًا بالضبط .

في الولايات المتحدة، يتولى المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا ( NIST )، التابع لوزارة التجارة الأمريكية ، تنظيم القياسات التجارية. أما في المملكة المتحدة، فيتولى المختبر الفيزيائي الوطني (NPL) هذه المهمة، وفي أستراليا يتولى المعهد الوطني للقياس هذه ^{المهمة ،} وفي جنوب أفريقيا يتولى مجلس البحوث العلمية والصناعية هذه المهمة ^، وفي الهند يتولى المختبر الفيزيائي الوطني الهندي هذه المهمة .

قبل أن تُعتمد وحدات النظام الدولي للوحدات (SI) على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم، كانت أنظمة الوحدات الإنجليزية البريطانية ، ثم الوحدات الإمبراطورية لاحقًا ، تُستخدم في بريطانيا ودول الكومنولث والولايات المتحدة. عُرف هذا النظام في الولايات المتحدة باسم "الوحدات الأمريكية التقليدية" ، ولا يزال مُستخدمًا هناك وفي بعض دول الكاريبي . وقد أُطلق على هذه الأنظمة المختلفة للقياس أحيانًا اسم " أنظمة القدم-الرطل-الثانية" نسبةً إلى الوحدات الإمبراطورية للطول والوزن والوقت، على الرغم من أن الأطنان، والهانديوات، والجالونات، والأميال البحرية، على سبيل المثال، لها قيم مختلفة في النظامين الأمريكي والإمبراطوري. لا تزال العديد من الوحدات الإمبراطورية مُستخدمة في بريطانيا، التي تحولت رسميًا إلى النظام الدولي للوحدات، مع بعض الاستثناءات، مثل إشارات المرور، حيث تُعرض مسافات الطرق بالأميال (أو بالياردات للمسافات القصيرة)، وتُحدد حدود السرعة بالأميال في الساعة. يجب بيع البيرة والنبيذ المُعبأ في براميل بالباينت الإمبراطوري، ويمكن بيع الحليب في زجاجات قابلة لإعادة التدوير بالباينت الإمبراطوري. يقيس الكثير من الناس طولهم بالأقدام والبوصات، ووزنهم بالحجر والباوند، على سبيل المثال لا الحصر. تُستخدم الوحدات الإمبراطورية في العديد من الأماكن الأخرى: على سبيل المثال، في العديد من دول الكومنولث التي تُعتبر دولًا مترية، تُقاس مساحة الأرض بالفدان ومساحة الأرضية بالقدم المربع، لا سيما في المعاملات التجارية (بدلاً من الإحصاءات الحكومية). وبالمثل، يُباع البنزين بالغالون في العديد من الدول التي تُعتبر دولًا مترية.

النظام المتري هو نظام قياس عشري يعتمد على وحدتي قياس الطول، المتر، والكيلوغرام، للكتلة. يوجد منه عدة صيغ، مع اختلاف وحداته الأساسية ، إلا أن هذا لا يؤثر على استخدامه اليومي. منذ ستينيات القرن الماضي، أصبح النظام الدولي للوحدات (SI) النظام المتري المعترف به دوليًا. تُستخدم وحدات القياس المترية للكتلة والطول والكهرباء على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم للأغراض اليومية والعلمية.

المسطرة أداة تُستخدم في مجالاتٍ مثل الهندسة ، والرسم الفني ، والهندسة، والنجارة، لقياس الأطوال أو المسافات أو لرسم خطوط مستقيمة. وبالمعنى الدقيق، تُعرف المسطرة بأنها الأداة المستخدمة لرسم الخطوط المستقيمة، بينما تُسمى الأداة المُعايرة المستخدمة لتحديد الطول "مقياسًا" . إلا أن الاستخدام الشائع يُطلق على كلتا الأداتين اسم "مسطرة" ، ويُستخدم مصطلح " حافة مستقيمة" للإشارة إلى المسطرة غير المُدرجة. أما استخدام كلمة " مقياس " بمعنى أداة قياس، فيقتصر على عبارة "شريط القياس" ، وهي أداة تُستخدم للقياس ولكن لا تُستخدم لرسم خطوط مستقيمة. وكما هو موضح في الصور على هذه الصفحة، يمكن طي مسطرة النجارة التي يبلغ طولها مترين إلى 20 سنتيمترًا فقط، ليسهل وضعها في الجيب، كما يمكن طي شريط القياس الذي يبلغ طوله خمسة أمتار بسهولة ليناسب علبة صغيرة.

الزمن هو قياس مجرد للتغيرات الأساسية على امتداد متصل غير مكاني. يُرمز إليه بالأرقام و/أو فترات زمنية محددة مثل الساعات والأيام والأسابيع والشهور والسنوات . وهو سلسلة من الأحداث تبدو غير قابلة للعكس ضمن هذا الامتداد المتصل غير المكاني. كما يُستخدم للدلالة على الفاصل الزمني بين نقطتين نسبيتين على هذا الامتداد.

الكتلة هي خاصية جوهرية لجميع الأجسام المادية، وهي مقاومتها لتغيرات زخمها. أما الوزن ، فهو القوة المؤثرة لأسفل عندما يكون الجسم في مجال جاذبية. في حالة السقوط الحر (انعدام محصلة قوى الجاذبية)، تفقد الأجسام وزنها لكنها تحتفظ بكتلتها. تشمل وحدات الكتلة في النظام الإمبراطوري الأونصة والرطل والطن . أما وحدات الكتلة في النظام المتري ، فهي الغرام والكيلوغرام .

يُطلق على أحد أجهزة قياس الوزن أو الكتلة اسم الميزان، أو ببساطة "الميزان". يقيس الميزان الزنبركي القوة فقط، بينما يقارن الميزان الوزن؛ وكلاهما يتطلب مجال جاذبية ليعمل. تعتمد بعض أدق أجهزة قياس الوزن أو الكتلة على خلايا قياس الحمل المزودة بشاشة عرض رقمية، ولكنها تتطلب مجال جاذبية لتعمل، ولن تعمل في حالة السقوط الحر.

تتضمن المقاييس المستخدمة في علم الاقتصاد المقاييس المادية، ومقاييس القيمة السعرية الاسمية ، ومقاييس القيمة السعرية الحقيقية . وتختلف هذه المقاييس فيما بينها من حيث المتغيرات التي تقيسها، ومن حيث المتغيرات المستبعدة من القياسات.

في مجال البحوث الاستقصائية، تُقاس المواقف والقيم والسلوكيات الفردية باستخدام الاستبيانات كأداة قياس. وكما هو الحال في جميع القياسات الأخرى، فإن القياس في البحوث الاستقصائية عرضة لخطأ القياس ، أي الانحراف بين القيمة الحقيقية للقياس والقيمة المُقدمة باستخدام أداة القياس. ^{[ 11 ]} في البحوث الاستقصائية الموضوعية، قد يؤدي خطأ القياس إلى استنتاجات متحيزة وتقديرات خاطئة للتأثيرات. وللحصول على نتائج دقيقة، عند ظهور أخطاء القياس، يجب تصحيح النتائج .

تنطبق القواعد التالية بشكل عام لعرض دقة القياسات: ^{[ 12 ]}

• جميع الأرقام غير الصفرية وأي أصفار تظهر بينها تُعدّ مهمة لدقة أي عدد. على سبيل المثال، العدد 12000 له رقمان معنويان، وله حدود ضمنية هي 11500 و12500.
• يمكن إضافة أصفار إضافية بعد الفاصلة العشرية للدلالة على دقة أكبر، مما يزيد من عدد المنازل العشرية. على سبيل المثال، الرقم 1 له حدود ضمنية بين 0.5 و1.5، بينما الرقم 1.0 له حدود ضمنية بين 0.95 و1.05.

في التعريف الكلاسيكي، وهو التعريف المتعارف عليه في جميع العلوم الفيزيائية، يُعرَّف القياس بأنه تحديد أو تقدير نسب الكميات. ^{[ 14 ]} الكمية والقياس مُرتبطان ارتباطًا وثيقًا: فالصفات الكمية هي تلك التي يُمكن قياسها، من حيث المبدأ على الأقل. يُمكن تتبع المفهوم الكلاسيكي للكمية إلى جون واليس وإسحاق نيوتن ، وقد أُشير إليه في كتاب الأصول لإقليدس . ^{[ 14 ]}

في نظرية التمثيل، يُعرَّف القياس بأنه "ارتباط الأعداد بكيانات ليست أعدادًا". ^{[ 15 ]} يُعرف الشكل الأكثر تفصيلًا من الناحية التقنية لنظرية التمثيل أيضًا باسم القياس التجميعي المشترك . في هذا الشكل، تُسند الأعداد بناءً على أوجه التطابق أو التشابه بين بنية أنظمة الأعداد وبنية الأنظمة النوعية. وتُعتبر الخاصية كمية إذا أمكن إثبات هذه التشابهات البنيوية. أما في الأشكال الأضعف لنظرية التمثيل، مثل تلك الضمنية في أعمال ستانلي سميث ستيفنز ، ^{[ 16 ]} فيكفي إسناد الأعداد وفقًا لقاعدة محددة.

كثيرًا ما يُساء فهم مفهوم القياس على أنه مجرد إسناد قيمة، ولكن من الممكن إسناد قيمة بطريقة لا تُعدّ قياسًا وفقًا لمتطلبات القياس التجميعي المشترك. فعلى سبيل المثال، يمكن إسناد قيمة لطول شخص ما، ولكن ما لم يُثبت وجود ارتباط بين قياسات الطول والعلاقات التجريبية، فإن ذلك لا يُعدّ قياسًا وفقًا لنظرية القياس التجميعي المشترك. وبالمثل، فإن حساب وإسناد قيم اعتباطية، مثل "القيمة الدفترية" للأصل في المحاسبة، لا يُعدّ قياسًا لأنه لا يستوفي المعايير اللازمة.

ثلاثة أنواع من نظرية التمثيل

1. العلاقة التجريبية

   في العلوم، تُعرَّف العلاقة التجريبية بأنها علاقة أو ارتباط قائم على الملاحظة فقط دون الاستناد إلى النظرية. ولا تتطلب العلاقة التجريبية سوى بيانات تأكيدية بغض النظر عن الأساس النظري.

   قاعدة رسم الخرائط

   العالم الحقيقي هو مجال الربط، والعالم الرياضي هو المدى. عندما يتم ربط سمة ما بنظام رياضي، تتوفر خيارات متعددة للربط والمدى.

   شرط تمثيل القياس

جميع البيانات غير دقيقة وإحصائية بطبيعتها. لذا، يُعرَّف القياس بأنه: "مجموعة من الملاحظات التي تُقلل من عدم اليقين، حيث تُعبَّر النتيجة كميًا". ^{[ 17 ]} هذا التعريف مُضمَّن في ما يفعله العلماء فعليًا عند قياس شيء ما والإبلاغ عن كلٍّ من المتوسط ​​والإحصاءات الخاصة بالقياسات. عمليًا، يبدأ المرء بتخمين أولي للقيمة المتوقعة لكمية ما، ثم، باستخدام طرق وأدوات مختلفة، يُقلل من عدم اليقين في هذه القيمة. من هذا المنظور، وخلافًا لنظرية التمثيل الوضعية ، فإن جميع القياسات غير مؤكدة، لذا بدلًا من إسناد قيمة واحدة، يُسند نطاق من القيم إلى القياس. وهذا يعني أيضًا أنه لا يوجد تمييز واضح أو دقيق بين التقدير والقياس.

في ميكانيكا الكم ، يُعرَّف القياس بأنه فعل يُحدد خاصية معينة (مثل الموضع أو الزخم أو الطاقة) لنظام كمومي. وتُمثل القياسات الكمومية دائمًا عينات إحصائية من توزيع احتمالي ؛ إذ يكون التوزيع في العديد من الظواهر الكمومية منفصلًا، وليس متصلًا. ^{[ 18 ] : 197} تُغير القياسات الكمومية الحالات الكمومية ، ومع ذلك، فإن القياسات المتكررة على حالة كمومية واحدة قابلة للتكرار. ويبدو أن القياس يعمل كمرشح، يُغير الحالة الكمومية إلى حالة ذات قيمة كمومية واحدة مُقاسة. ^{[ 18 ]} يُعد المعنى الواضح للقياس الكمومي مشكلة أساسية لم تُحل بعد في ميكانيكا الكم ؛ والتفسير الأكثر شيوعًا هو أنه عند إجراء القياس، فإن الدالة الموجية للنظام الكمومي " تنهار " إلى قيمة واحدة محددة. ^{[ 19 ]}

في علم الأحياء، لا توجد عمومًا نظرية قياس راسخة. ومع ذلك، يُشدد على أهمية السياق النظري. ^{[ 20 ]} علاوة على ذلك، يُسهم السياق النظري المستمد من نظرية التطور في صياغة نظرية القياس والتاريخية كمفهوم أساسي. ^{[ 21 ]} ومن بين أكثر مجالات القياس تطورًا في علم الأحياء قياس التنوع الجيني وتنوع الأنواع. ^{[ 22 ]}