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Measurement

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Original article: w:Measurement
For the scientific journal, see Measurement (journal).
This article is about measures in metrology. For other uses of measure, see Measure.
Four measuring devices having metric calibrations

측정(Measurement)은 다른 대상 또는 사건과 비교하기 위해 사용될 수 있는 대상 또는 사건의 속성(attributes)의 수량화(quantification)입니다.[1][2] 다시 말해서, 측정은 같은 종류의 기본 기준량과 비교하여 물리적 양(physical quantity)이 얼마나 크거나 작은지를 판단하는 과정입니다.[3] 측정의 범위와 응용은 맥락과 분야에 따라 다릅니다. 자연 과학(natural sciences)과 공학(engineering)에서, 측정은 대상 또는 사건의 명목 속성(nominal properties)에 적용되지 않으며, 이는 국제 도량형국(International Bureau of Weights and Measures)에서 발행한 국제 도량형 용어(International vocabulary of metrology) 지침과 일치합니다.[2] 어쨌든, 통계학(statistics)과 마찬가지로 사회(social)와 행동 과학(behavioural sciences)과 같은 다른 분야에서, 측정은 명목, 순서, 구간 및 비율 스케일을 포함하는 다중 수준(multiple levels)을 가질 수 있습니다.[1][4]

측정은 많은 분야에서 무역(trade), 과학(science), 기술(technology), 및 정량적 연구(quantitative research)의 초석입니다. 역사적으로, 많은 측정 시스템(measurement systems)이 인간 존재의 다양한 분야에 대한 이들 분야에서 비교를 용이하게 하기 위해 존재했습니다. 종종 이것들은 거래 동료 또는 협력자 사이의 지역적 합의에 의해 달성되었습니다. 18세기 이후, 발전은 현대 국제 단위 시스템 (SI)을 초래한 널리 받아들여지는 표준을 통합하는 방향으로 진행되었습니다. 이 시스템은 모든 물리적 측정을 7가지 기본 단위의 수학적 조합으로 줄입니다. 측정의 과학은 도량형학(metrology)의 분야에서 추구됩니다.

측정은 알려지지 않은 양과 알려진 또는 표준 양을 비교하는 과정으로 정의됩니다.

Methodology

속성의 측정은 유형(type), 크기(magnitude), 단위(unit), 및 불확실성(uncertainty)과 같은 기준에 따라 분류될 수 있습니다. 그것들은 측정 사이에 정확한 비교를 활성화합니다.

  • 측정 수준(level)은 비교의 방법론적 특성에 대한 분류입니다. 예를 들어, 속성의 두 상태는 비율, 차이, 또는 순서 선호도에 따라 비교될 수 있습니다. 유형은 공통적으로 명시적으로 표현되지 않지만, 측정 절차의 정의에서 암시적입니다.
  • 크기(magnitude)는 보통 적절하게 선택된 측정하는 기기(measuring instrument)로 얻어진 특성화의 숫자 값입니다.
  • 단위(unit)는 표준 또는 자연 물리적 양으로 사용되는 인공물의 속성에 대한 비율로 파생된 크기에 수학적 가중 인수를 할당합니다.
  • 불확실성(uncertainty)은 측정 절차의 무작위와 시스템 오류(random and systemic errors)를 나타냅니다; 그것은 측정에서 신뢰 수준을 나타냅니다. 오차는 측정을 체계적으로 반복하고 측정하는 기기의 정확도와 정밀도(accuracy and precision)를 고려함으로써 평가됩니다.

Standardization of measurement units

측정은 가장 공통적으로 국제 단위 시스템 (SI)을 비교 프레임워크로 사용합니다. 그 시스템은 킬로그램(kilogram), 미터(metre), 칸델라(candela), 초(second), 암페어(ampere), 켈빈(kelvin), 및 몰(mole)의 7가지 기본 단위(fundamental units)를 정의합니다. 이들 모든 단위는 표준 역할을 하는 특정 물리적 대상을 참조하지 않고 정의됩니다. 인공물-없는 정의는 변질되거나 파괴될 수 있는 표준 인공물과 달리 물리적 상수(physical constant) 또는 자연에서 다른 불변 현상과 관련된 정확한 값으로 측정을 고정합니다. 대신, 측정 단위는 연결된 상수 값을 결정할 때 정확도가 높아져야만 변경될 수 있습니다.

SI 기본 단위를 법령과 무관한 실험 표준에 연결하려는 첫 번째 제안은 스펙트럼 선(spectral line)의 파동-길이(wavelength)의 관점에서 미터를 정의할 것을[5] 제안한 찰스 샌더스 퍼스(Charles Sanders Peirce) (1839–1914)에 의한 것이었습니다.[6] 이것은 마이컬슨-몰리 실험(Michelson–Morley experiment)에 직접적인 영향을 미쳤습니다; 마이컬슨과 몰리는 피어스를 인용하고, 그의 방법을 개선했습니다.[7]

The seven base units in the SI system. Arrows point from units to those that depend on them.

Standards

몇 가지 기본 양자(quantum) 상수의 예외와 함께, 측정 단위는 역사적 합의에서 파생됩니다. 자연에 내재된 어떤 것도 인치가 특정 길이여야 한다고 지시하지 않고, 마일이 킬로미터(kilometre)보다 거리를 더 잘 측정해야 한다고 지시하지 않습니다. 인류 역사의 흐름에 따라, 어쨌든, 처음에는 편의를 위해, 그 다음에는 필요에 의해, 측정 표준이 공동체가 특정한 공통 기준을 갖게 되도록 진화했습니다. 측정을 규제하는 법률은 원래 상업 사기를 방지하기 위해 개발되었습니다.

측정 단위(Units of measurement)는 일반적으로 정부 또는 독립 기관에 의해 감독되는 과학적 근거에 따라 정의되고, 국제 조약에서 설립되며, 그 중 대표적인 것이 Metre Convention에 의해 1875년에 설립된, 국제 단위 시스템 (SI)을 감독하는 도량형 총회(General Conference on Weights and Measures, CGPM)입니다. 예를 들어, 미터는 1983년 CGPM에 의해 빛의 속도에 의해 재정의되었고, 킬로그램은 2019년에 플랑크 상수(Planck constant)로 재정의되었고, 국제 야드는 1960년에 미국, 영국, 호주와 남아프리카 정부에 의해 정확히 0.9144미터인 것으로 정의되었습니다.

미국에서, 미국 상무부의 한 부서, National Institute of Standards and Technology (NIST)가 상업적 측정을 규제합니다. 영국에서, 그 역할은 National Physical Laboratory (NPS), 호주에서, National Measurement Institute,[8] 남아프리카에서 Council for Scientific and Industrial Research, 및 인도에서 National Physical Laboratory of India에 의해 수행됩니다.

Units and systems

Main articles: Unit of measurement and System of measurement

단위는 다른 물리적 양을 측정하는 기준으로 알려진 또는 표준 양입니다.

A baby bottle that measures in three measurement systems—metric, imperial (UK), and US customary.

Imperial and US customary systems

Main article: Imperial and US customary measurement systems

SI 단위(SI units)가 전 세계적으로 널리 채택되기 전에, 영국, 영연방 및 미국에서는 영국 단위의 영국식 시스템과 이후의 제국 단위(imperial units)가 사용되었습니다. 그 시스템은 미국에서 미국 관습 단위로 알려지게 되었고 여전히 미국과 일부 카리브 국가에서 사용되고 있습니다. 이들 다양한 측정 시스템은 예를 들어 톤, 백중량, 갤런, 및 해리가 미국 단위에 대해 서로 다르지만 길이, 무게, 및 시간에 대한 제국 단위 이후에 피트-파운드-초 시스템이라고 그 당시에 불렸습니다. 공식적으로 SI 시스템으로 전환한 영국에서는 많은 제국 단위가 여전히 사용 중이고 도로 표지판과 같은 몇 가지 예외는 여전히 마일 단위입니다. 생맥주와 사이다는 제국 파인트에서 판매되어야 하고 반품 가능한 병에 담긴 우유는 제국 파인트에서 판매될 수 있습니다. 많은 사람들이 몇 가지 예를 들기 위해 키를 피트와 인치로, 몸무게를 스톤(stone)과 파운드로 측정합니다. 제국 단위는 다른 많은 곳에서 사용되며, 예를 들어 미터법으로 고려되는 많은 영연방 국가에서 토지 넓이는 에이커로, 바닥 넓이는 제곱피트로 측정되며, 특히 상업 거래 (정부 통계가 아닌)에 사용됩니다. 마찬가지로 휘발유는 미터법으로 고려되는 많은 국가에서 갤런 단위로 판매됩니다.

Metric system

메트릭 시스템(metric system)은 길이에 대한 단위, 미터와 질량에 대한 단위, 킬로그램을 기반으로 하는 측정의 십진 시스템입니다. 그것은 일상적인 사용에 영향을 미치지는 않지만 다양한 기본 단위(base units) 선택과 함께 여러 변형으로 존재합니다. 1960년대 이래로, 국제 단위 시스템 (SI)은 국제적으로 인정된 메트릭 시스템입니다. 질량, 길이, 및 전기의 메트릭 단위는 일상 생활과 과학 목적 둘 다에 대해 전 세계적으로 널리 사용됩니다.

International System of Units

국제 단위 시스템 (프랑스어 이름 Système International d'Unités에서 SI로 축약됨)는 메트릭 시스템의 현대적인 개정판입니다. 그것은 일상적인 상업과 과학(science) 둘 다에서 세계에서 가장 널리 사용되는 단위의 시스템(system of units)입니다. SI는 1960년에 센티미터-그램-초 (CGS) 시스템이 아니라 미터-킬로그램-초 (MKS) 시스템에서 개발되었으며, 차례로, 많은 변형이 있었습니다. 7개의 기본 물리량에 대한 SI 단위는 다음과 같습니다:[9]

Base quantity Base unit Symbol Defining constant
time second s hyperfine splitting in caesium-133
length metre m speed of light, c
mass kilogram kg Planck constant, h
electric current ampere A elementary charge, e
temperature kelvin K Boltzmann constant, k
amount of substance mole mol Avogadro constant NA
luminous intensity candela cd luminous efficacy of a 540 THz source Kcd

SI에서, 기본 단위는 시간, 길이, 질량, 온도, 물질의 양, 전류, 및 광도에 대한 간단한 측정입니다. 유도 단위는 기본 단위에서 구성되며, 예를 들어 와트(watt), 즉 전력에 대한 단위는 기본 단위에서 m2·kg·s−3로 정의됩니다. 다른 물리적 속성은 kg/m3으로 측정된 재료 밀도와 같은 화합 단위로 측정될 수 있습니다.

Converting prefixes

SI는 같은 기본을 가지지만 다른 접두사를 가지는 단위 사이를 전환할 때 쉬운 곱셈을 허용합니다. 미터에서 센티미터로 변환하기 위해, 미터에 100 센티미터가 있으므로 미터 수에 100을 곱하기만 하면 됩니다. 반대로 센티미터에서 미터로 전환하기 위해 센티미터 수에 0.01을 곱하거나 센티미터 수를 100으로 나눕니다.

Length

Main article: Length measurement
See also: List of length, distance, or range measuring devices
A 2-metre carpenter's ruler

눈금자(ruler) 또는 자는 예를 들어 기하학(geometry), 기술 도면, 공학, 및 목공에서 길이 또는 거리를 측정하거나 직선을 그리기 위해 사용되는 도구입니다. 엄밀히 말하면, 눈금자는 직선을 긋기 위해 사용하는 도구이고 길이를 결정하는 데 사용하는 교정된 도구는 measure라고 불리지만, 어쨌든 공통적인 사용법은 두 도구를 모두 자라고 하고 특별한 이름 직선자는 눈금없는 자에 사용합니다. 측정하는 도구의 의미에서 measure라는 단어의 사용은 측정하는 데 사용할 수 있지만 직선을 그리는 데 사용할 수 없는 도구인 줄자(tape measure)라는 문구에서만 살아남습니다. 이 페이지의 사진에서 볼 수 있듯이, 2미터 길이의 목수용 줄자는 주머니에 쉽게 들어갈 수 있도록 20 센티미터의 길이로 접을 수 있으며 5 미터 길이의 줄자는 작은 틀 안으로 들어갈 수 있도록 쉽게 접을 수 있습니다.

Some special names

일부 비-시스템적 이름은 일부 단위의 일부 배수에 적용됩니다.

  • 100 kilograms = 1 quintal; 1000 kilogram = 1 tonne;
  • 10 years = 1 decade; 100 years = 1 century; 1000 years = 1 millennium

Building trades

호주 건축업은 1966년에 메트릭 시스템(metric system)을 채택했고 길이 측정에 사용되는 단위는 미터 (m)와 밀리미터 (mm)입니다. 센티미터 (cm)는 도면(plans)을 읽을 때 혼동을 일으킬 수 있으므로 피합니다. 예를 들어, 길이 2.5미터는 일반적으로 2500 mm 또는 2.5 m로 기록됩니다; 이 길이를 250 cm로 기록하는 것은 비-표준으로 여겨집니다.[10][11]

Surveyor's trade

미국 측량사는 1620년에 Edmund Gunter에 의해 고안된 십진법-기반 측정 시스템을 사용합니다. 기본 단위는 66피트 (20m)의 Gunter의 체인으로, 4 막대로 작게 나뉘고, 각각 16.5피트 또는 0.66피트의 링크 100개로 세분화됩니다. 하나의 링크는 정부를 위해 수행된 오래된 증서 및 토지 측량에서 "lk"로, 링크들에 대해 "lks"로 축약됩니다.

Royal Institution of Chartered Surveyors (RICS)에 의해 발행된 Standard Method of Measurement (SMM)는 분류 테이블과 측정의 규칙으로 구성되어 있어, 건축 작업을 측정하는 데 균등한 기준을 사용할 수 있습니다. 그것은 1915년에 출판되었던 스코틀랜드 표준 측정의 방법을 대체하여 1922년에 처음 출판되었습니다. 그것의 7판 (SMM7)은 1988년에 처음 출판되었고 1998년에 개정되었습니다. SMM7은 New Rules of Measurement, volume 2 (NRM2)에 의해 대체되었으며, RICS 수량 측량 및 건설 전문가 그룹에서 2012년 4월에 발행되었고 2013년 1월 1일에 운영되었습니다.[12] NRM2는 2013년 7월부터 일반적으로 사용되어 왔습니다.

SMM7에는 건축 작업 측정 절차 코드 (SMM7 측정 코드)에 의해 수반되었습니다. SMM7이 프로젝트 내에서 계약 상태를 가질 수 있지만, 예를 들어 JCT 표준 형식의 건물 계약에서, 측정 코드는 필수가 아닙니다.[13]

NRM2는 NRM 한 짝의 세 가지 구성 요소 중 두 번째입니다:

  • NRM1 - 자본 건설 공사에 대한 원가 산정 및 원가 계획 순서
  • NRM2 - 건축 공사를 위한 정밀 측정
  • NRM3 - 건물 유지 보수 작업에 대한 비용 견적 및 비용 계획 순서.[14]

Time

Main article: Time

시간은 비-공간 연속체에 걸쳐 원소 변화의 추상적 측정입니다. 그것은 숫자 및/또는 시간, 일, 주, 월, 및 년과 같은 이름-지은 기간으로 표시됩니다. 그것은 이 비-공간적 연속체 내에서 분명하게 되돌릴 수 없는 일련의 발생입니다. 그것은 역시 이 연속체의 두 상대 점 사이의 간격을 나타내기 위해 사용됩니다.

Mass

Main article: Weighing scale

질량은 그것들의 운동량의 변화에 ​​저항하는 모든 물질적 대상의 고유한 속성을 참조합니다. 무게는, 다른 한편으로, 질량이 중력 필드에 있을 때 생성되는 아래방향 힘을 참조합니다. 자유 낙하(free fall)에서, (순 중력 힘이 없는) 대상은 무게가 없지만 그것들의 질량은 유지합니다. 제국 질량 단위는 온스, 파운드, 및 톤을 포함합니다. 메트릭 단위 그램과 킬로그램은 질량의 단위입니다.

무게 또는 질량을 측정하는 한 가지 장치는 무게-재는 저울 또는 간단히 저울이라고 합니다. 용수철 저울은 힘을 측정하지만 질량은 측정하지 않으며, 천칭은 무게를 비교하며, 둘 다는 작동하려면 중력 필드가 필요합니다. 무게 또는 질량을 측정하는 가장 정확한 장비 중 일부는 디지털 판독값을 갖는 로드 셀을 기반으로 하지만, 기능하기 위해 중력 필드를 요구하고 자유 낙하에서는 작동하지 않습니다.

Economics

Main article: Measurement in economics

경제학에서 사용되는 측정은 물리적 측정, 명목 가격(nominal price) 가치 측정, 및 실질 가격(real price) 측정입니다. 이들 측정은 그것들이 측정하는 변수와 측정에서 제외된 변수에 따라 서로 다릅니다.

Survey research

Main article: Survey methodology
Measurement station C of EMMA experiment situated at the depth of 75 meters in the Pyhäsalmi Mine.

조사 연구 분야에서, 설문지를 측정 도구로 사용하여 개인의 태도, 가치, 및 행동을 측정합니다. 모든 다른 측정과 마찬가지로, 설문 조사 연구의 측정도 측정 오차(measurement error), 즉 측정의 실제 값과 측정 도구를 사용하여 제공된 값에서 벗어나는 데 취약합니다.[15] 실질적인 조사 연구에서, 측정 오차는 편향된 결론과 잘못된 추정 효과로 이어질 수 있습니다. 정확한 결과를 얻기 위해, 측정 오차가 나타날 때 그 결과는 측정 오차에 대해 보정(corrected for measurement errors)되어야 합니다.

Exactness designation

측정의 정확성을 표시하기 위해 일반적으로 다음 규칙이 적용됩니다:[16]

  • 모든 비-영 자릿수와 그 사이에 나타나는 임의의 0들은 임의의 숫자의 정확성에 중요합니다. 예를 들어, 숫자 12000은 두 개의 유효 자릿수를 가지고, 11500과 12500의 암시적 한계를 가집니다.
  • 더 정확한 것을 나타내기 위해 십진 구분 기호(decimal separator) 뒤에 0을 추가하여 십진-점 이하 자릿수를 늘릴 수 있습니다. 예를 들어, 1은 0.5와 1.5의 암시적 한계를 가지며 1.0은 0.95와 1.05의 암시적 한계를 가집니다.

Difficulties

많은 분야에서 정확한 측정은 필수이고, 모든 측정은 반드시 근사치이기 때문에, 가능한 한 정확한 측정을 위해서는 많은 노력이 필요합니다. 예를 들어, 물체가 1미터 (약 39인치) 떨어진 거리에서 떨어지는 데 걸리는 시간을 측정하는 문제를 생각해 보십시오. 물리학을 사용하여, 지구의 중력 필드에서 어떤 물체라도 1미터 떨어지는 데 약 0.45초가 걸린다는 것을 보여줄 수 있습니다. 어쨌든, 다음은 발생하는 오차(error)의 원인 중 일부일 뿐입니다:

  • 이 계산은 중력 가속도에 대해 9.8 metres per second squared (32 ft/s2)를 사용합니다. 그러나 이 측정은 정확하지 않고, 두 개의 유효 자릿수까지만 정확합니다.
  • 지구의 중력 필드는 해발 높이 및 다른 요인에 따라 약간 다릅니다.
  • 0.45초의 계산에는 제곱근(square root) 추출이 포함되었으며, 이 수학적 연산(mathematical operation)은 일부 유효 자릿수, 이 경우에서 두 유효 자릿수로 반올림해야 했습니다.

추가적으로, 실험 오차(experimental error)의 다른 원인은 다음을 포함합니다:

  • 부주의,
  • 물체가 발사된 정확한 시간과 물체가 지면에 닿는 정확한 시간을 결정하는 것,
  • 높이 측정과 시간 측정 모두 약간의 오차가 있습니다,
  • 공기 저항(Air resistance).
  • 인간 참가자의 자세[17]

과학적 실험은 가능한 한 많은 오차를 제거하고 오차 추정치를 현실적으로 유지하기 위해 세심한 주의를 기울여 수행되어야 합니다.

Definitions and theories

Classical definition

물리학 전반에 걸쳐 표준인 고전적 정의에서, 측정은 양의 비율을 결정하거나 추정하는 것입니다.[18] 수량과 측정은 상호 정의됩니다: 수량 속성은 최소한 원칙적으로 측정할 수 있는 속성입니다. 수량의 고전적 개념은 John Wallis와 Isaac Newton으로 거슬러 올라갈 수 있고, 유클리드의 원론에서 예견되었습니다.[18]

Representational theory

표시 이론에서, 측정은 "숫자가 아닌 엔터디와 숫자의 상관 관계"로 정의됩니다.[19] 표시 이론의 가장 기술적으로 정교한 형식은 덧셈 결합 측정(additive conjoint measurement)으로도 알려져 있습니다. 이러한 형식의 표시 이론에서, 숫자 시스템의 구조와 정성적 시스템의 구조 사이의 일치 또는 유사성에 따라 숫자가 할당됩니다. 그러한 구조적 유사성이 확립될 수 있다면 속성은 정량적입니다. Stanley Smith Stevens의 연구에 내재된 것과 같은 약한 형식의 표시 이론에서,[20] 숫자는 규칙에 따라 할당되기만 하면 됩니다.

측정의 개념은 단순히 값의 할당으로 잘못 이해되는 경우가 많지만, 덧셈 결합 측정의 요구 사항 측면에서 측정이 아닌 방법으로 값을 할당하는 것이 가능합니다. 사람의 키에 값을 할당할 수는 있지만, 키의 측정값과 경험적 관계 사이에 상관 관계가 있다는 것이 입증되지 않은 한 덧셈 결합 측정 이론에 따른 측정이 아닙니다. 마찬가지로, 회계에서 자산의 "장부 가치"와 같은 임의의 값을 계산하고 할당하는 것은 필요한 기준을 충족하지 않기 때문에 측정이 아닙니다.

세 가지 유형의 표시 이론

1) 경험적 관계

과학에서, 경험적 관계는 이론보다는 관찰(observation)에만 기초한 관계 또는 상관 관계입니다. 경험적 관계는 이론적 근거와 상관없이 확인 데이터만 필요합니다.

2) 매핑의 규칙

현실 세계는 매핑의 도메인이고 수학적 세계는 치역입니다. 우리가 속성을 수학적 시스템에 매핑할 때, 우리는 매핑과 치역에 대한 많은 선택권을 가집니다.

3) 측정의 표시 조건

Information theory

정보 이론(Information theory)은 모든 데이터가 본질적으로 정확하지 않고 통계적임을 인식합니다. 따라서 측정의 정의는 다음과 같습니다: "결과가 양으로 표현되는 곳에 불확실성을 줄이는 일련의 관측값."[21] 이 정의는 과학자들이 무언가를 측정하고 측정의 평균(mean)과 통계량(statistics)을 모두 보고할 때 실제로 수행하는 작업에 함축되어 있습니다. 실용적인 측면에서, 우리는 수량의 기댓값에 대한 초기 추측으로 시작하고, 그런-다음 다양한 방법과 도구를 사용하여 값의 불확실성을 줄입니다. 이 관점에서는 실증주의(positivist) 표시 이론과 달리, 모든 측정값이 불확실하므로, 하나의 값을 할당하는 대신, 값의 범위가 측정에 할당됨에 주목하십시오. 이것은 역시 추정(estimation)과 측정 사이에 명확하거나 깔끔한 구분이 없다는 것을 의미합니다.

Quantum mechanics

양자 역학(quantum mechanics)에서, 측정은 양자 시스템의 특정 속성 (위치, 운동량, 에너지, 등)을 결정하는 행위입니다. 측정이 이루어지기 전에, 양자 시스템은 가능한 값의 범위에 있는 모든 값으로 동시에 기술되며, 여기서 각 값을 측정할 확률은 시스템의 파동-함수(wavefunction)에 의해 결정됩니다. 측정이 수행될 때, 양자 시스템의 파동-함수는 하나의 명확한 값으로 "붕괴"됩니다.[22] 측정 문제(measurement problem)의 분명한 의미는 양자 역학(quantum mechanics)에서 풀리지 않은 근본적인 문제입니다.

Biology

생물학에서, 일반적으로 잘 정립된 측정 이론이 없습니다. 어쨌든, 이론적 맥락의 중요성이 강조됩니다.[23] 더욱이, 진화론에서 비롯된 이론적 맥락은 측정 이론과 역사성을 기본 개념으로 명료화하도록 이끕니다.[24] 생물학에서 가장 발전된 측정 분야 중에는 유전적 다양성과 종의 다양성 측정이 있습니다.[25]

See also

References

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