Введение

Процесс присвоения чисел объектам или событиям.

Измерение – это количественное определение атрибутов объекта или события, которое позволяет сравнивать их с другими объектами или событиями. Иными словами, измерение – это процесс определения величины физической величины по отношению к базовой эталонной величине того же вида. Область применения и значимость измерений зависят от контекста и области знаний. В естественных науках и технике измерения не применяются к номинальным свойствам объектов или событий, что соответствует руководящим принципам Международного словаря метрологии, опубликованного Международным бюро мер и весов. Измерение является основой торговли, науки, технологий и количественных исследований во многих областях. Исторически для различных сфер человеческой деятельности существовало множество систем измерений, облегчающих сравнения в этих сферах. Зачастую это достигалось посредством местных соглашений между торговыми партнерами или участниками сотрудничества. Начиная с XVIII века, развитие шло по пути унификации и принятия общепризнанных стандартов, что привело к созданию современной Международной системы единиц (СИ). Эта система сводит все физические измерения к математической комбинации семи основных единиц. Наукой, изучающей измерения, является метрология. Измерение определяется как процесс сравнения неизвестной величины с известной или стандартной величиной.

Методология

Измерение свойства может быть классифицировано по следующим критериям: тип, величина, единица измерения и неопределенность. Они обеспечивают однозначные сравнения между результатами измерений. Уровень измерения представляет собой таксономию, определяющую методологический характер сравнения. Например, два состояния свойства могут быть сопоставлены по отношению, разности или порядковому предпочтению. Тип обычно не выражается явно, но подразумевается в определении процедуры измерения. Величина – это числовое значение характеристики, обычно получаемое с помощью соответствующего измерительного прибора. Единица измерения присваивает величине математический весовой коэффициент, который определяется как отношение к свойству эталона – артефакта, используемого в качестве стандарта, или к естественной физической величине. Неопределенность отражает случайные и систематические ошибки процедуры измерения и указывает на степень достоверности результата. Ошибки оцениваются путем методического повторения измерений с учетом точности и прецизионности измерительного прибора.

Стандартизация единиц измерения

В качестве основы для сравнения чаще всего используется Международная система единиц (СИ). Система определяет семь основных единиц: килограмм, метр, кандела, секунда, ампер, кельвин и моль. Все эти единицы определены без привязки к конкретному физическому объекту, служащему эталоном. Определения, не основанные на артефактах, фиксируют измерения в точном значении, связанном с физической константой или другими неизменными явлениями природы, в отличие от эталонных артефактов, подверженных износу или разрушению. Вместо этого, единица измерения может измениться только в результате повышения точности определения значения константы, с которой она связана. Первым предложением привязать базовую единицу СИ к экспериментальному стандарту, не зависящему от произвольного установления, выдвинул Чарльз Сандерс Пирс (1839–1914), который предложил определить метр через длину волны спектральной линии. Это оказало непосредственное влияние на эксперимент Майкельсона и Морли; Майкельсон и Морли ссылаются на Пирса и усовершенствовали его метод.

Стандарты

За исключением нескольких фундаментальных квантовых констант, единицы измерения происходят из исторических соглашений. Ничто в природе не предписывает, чтобы дюйм имел определенную длину или миля была лучшей мерой расстояния, чем километр. Однако на протяжении истории человечества, сначала из соображений удобства, а затем по мере необходимости, стандарты измерений развивались, чтобы у сообществ были общие эталоны. Законы, регулирующие измерения, изначально разрабатывались для предотвращения мошенничества в торговле. Единицы измерения обычно определяются на научной основе, контролируются государственными или независимыми организациями и устанавливаются международными договорами, наиболее важным из которых является Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM), учрежденная в 1875 году Метрической конвенцией и осуществляющая надзор за Международной системой единиц (СИ). Например, метр был переопределен CGPM в 1983 году на основе скорости света, килограмм – в 2019 году на основе постоянной Планка, а международный ярд был определен в 1960 году правительствами Соединенных Штатов, Соединенного Королевства, Австралии и Южной Африки как ровно 0,9144 метра. В Соединенных Штатах регулированием коммерческих измерений занимается Национальный институт стандартов и технологий (NIST) – подразделение Министерства торговли США. В Соединенном Королевстве эту функцию выполняет Национальная физическая лаборатория (NPL), в Австралии – Национальный институт измерений, в Южной Африке – Совет по научным и промышленным исследованиям, а в Индии – Национальная физическая лаборатория Индии.

Единицы и системы

Единица измерения — известная или стандартная величина, относительно которой измеряются другие физические величины.

Имперская и американская обычные системы

До того, как единицы СИ получили широкое распространение во всем мире, в Великобритании, странах Содружества и Соединенных Штатах использовались британские системы английских единиц, а затем и имперские единицы. В Соединенных Штатах эта система стала известна как американская система мер и до сих пор используется там и в нескольких странах Карибского бассейна. Эти различные системы измерения иногда назывались системами «фут-фунт-секунда» по аналогии с имперскими единицами длины, веса и времени, хотя такие величины, как тонны, центнеры, галлоны и морские мили, различаются для американских единиц. Многие имперские единицы до сих пор используются в Великобритании, которая официально перешла на систему СИ, за исключением некоторых случаев, например, дорожные знаки, которые по-прежнему указываются в милях. Пиво и сидр должны продаваться по имперской пинте, а молоко в возвратной таре – также по имперской пинте. Многие люди измеряют свой рост в футах и дюймах, а вес – в стоунах и фунтах, это лишь несколько примеров. Имперские единицы используются и в других странах, например, во многих странах Содружества, которые считаются метрическими: площадь земли измеряется в акрах, а площадь помещений – в квадратных футах, особенно при коммерческих сделках (в отличие от государственной статистики). Точно так же бензин продается по галлонам во многих странах, которые считаются метрическими.

Метрическая система

Метрическая система — это десятичная система измерений, основанная на единицах длины — метре и массы — килограмме. Она существует в нескольких вариантах, с различным выбором основных единиц, однако это не влияет на её повседневное применение. С 1960-х годов Международная система единиц (СИ) является общепризнанной метрической системой. Метрические единицы массы, длины и электричества широко используются во всем мире как в быту, так и в науке.

Префиксы

СИ облегчает умножение при переходе между единицами измерения, имеющими одну и ту же базовую единицу, но разные приставки. Для преобразования метров в сантиметры достаточно умножить количество метров на 100, поскольку в одном метре содержится 100 сантиметров. Обратно, для перехода от сантиметров к метрам необходимо умножить количество сантиметров на 0,01 или разделить количество сантиметров на 100.

Длина

Линейка — это инструмент, используемый, например, в геометрии, техническом черчении, инженерии и столярном деле для измерения длин или расстояний или для проведения прямых линий. Строго говоря, линейка — это инструмент для проведения прямых линий, а прибор с градуировкой, используемый для определения длины, называется мерой, однако в обычной практике оба прибора называют линейками, а для неоградуированной линейки используется специальное название — рейсмус. Использование слова "мера" в значении измерительного прибора сохранилось только в словосочетании "рулетка", прибор, который можно использовать для измерения, но не для проведения прямых линий. Как видно на фотографиях на этой странице, двухметровая плотницкая линейка может складываться до длины всего 20 сантиметров, чтобы легко поместиться в карман, а пятиметровая рулетка легко втягивается, чтобы поместиться в небольшой корпус.

Время

Время — это абстрактная мера элементарных изменений, происходящих в не пространственном континууме. Оно обозначается числами и/или именованными периодами, такими как часы, дни, недели, месяцы и годы. Это, по всей видимости, необратимая последовательность событий в этом не пространственном континууме. Оно также используется для обозначения интервала между двумя точками отсчета в этом континууме.

Масса

Масса – это внутреннее свойство всех материальных объектов сопротивляться изменению их импульса. Вес же – это сила, действующая вниз на объект, находящийся в гравитационном поле. В свободном падении (при отсутствии результирующей силы тяжести) объекты не имеют веса, но сохраняют свою массу. К имперским единицам массы относятся унция, фунт и тонна. Грамм и килограмм – это метрические единицы массы. Для измерения веса или массы используется весовой прибор, часто называемый просто весами. Пружинные весы измеряют силу, а не массу, равноплечие весы сравнивают вес, и для работы обоих типов требуется гравитационное поле. Одни из самых точных приборов для измерения веса или массы основаны на тензодатчиках с цифровым отображением, но они также требуют гравитационного поля для функционирования и не будут работать в свободном падении.

Экономика

В экономике используются натуральные показатели, показатели в номинальных ценах и показатели в реальных ценах. Эти показатели различаются друг с другом по измеряемым величинам и по величинам, исключенным из измерения.

Исследования

В области исследований общественного мнения измерения проводятся на основе индивидуальных установок, ценностей и поведения с использованием анкет в качестве измерительного инструмента. Как и любые другие измерения, измерения в исследованиях общественного мнения подвержены ошибкам, то есть расхождениям между истинным значением и значением, полученным с помощью измерительного инструмента. В содержательных исследованиях общественного мнения ошибки могут приводить к смещенным выводам и неверно оцененным эффектам. Для получения точных результатов, при наличии ошибок измерений, необходимо корректировать результаты с учетом этих ошибок.

Теория информации

Теория информации признает, что все данные неточны и носят статистический характер. Таким образом, определение измерения звучит так: "Набор наблюдений, уменьшающих неопределенность, результат которого выражается в виде количественной величины". Это определение соответствует тому, что ученые фактически делают, когда измеряют что-либо и сообщают как среднее значение, так и статистические характеристики измерений. На практике процесс начинается с предварительного предположения об ожидаемом значении величины, а затем, используя различные методы и приборы, уменьшается неопределенность этого значения. В отличие от позитивистской репрезентативной теории, в данном подходе все измерения по своей природе неопределенны, поэтому вместо присвоения единственного значения измерению присваивается диапазон значений. Это также подразумевает, что четкого разграничения между оценкой и измерением не существует.

Квантовая механика

В квантовой механике измерение – это действие, которое определяет конкретное свойство (положение, импульс, энергию и т.д.) квантовой системы. Квантовые измерения всегда представляют собой статистическую выборку из распределения вероятностей; для многих квантовых явлений это распределение дискретно. Квантовые измерения изменяют квантовые состояния, однако повторные измерения одного и того же квантового состояния дают воспроизводимые результаты. Измерение, по-видимому, действует как фильтр, преобразуя квантовое состояние в состояние с единственным измеренным квантовым значением. Неоднозначность интерпретации квантового измерения остаётся фундаментальной нерешённой проблемой в квантовой механике; наиболее распространённая интерпретация состоит в том, что при проведении измерения волновая функция квантовой системы "коллапсирует" до единственного определённого значения.

Биология

В биологии, как правило, нет общепринятой, хорошо разработанной теории измерения. Однако подчеркивается важность теоретического контекста. Более того, теоретический контекст, основанный на теории эволюции, позволяет сформулировать теорию измерения и историчность как основополагающее понятие. К наиболее развитым областям измерения в биологии относятся измерение генетического разнообразия и видового разнообразия.