لعبت وحدات القياس المتفق عليها دورا محوريا في السلوك البشري في أوائل العصر الحديث. والقياس هولقاءة شيء ما بشيء آخر من النوع ذاته لنعهد إذا كان مساوٍ له أوينقص عنه أويزيد. ووحدات القياس هي وسائل يعبر بها عن مقدار ما بالموازنة بينه وبين مقدار آخر ثابت ، واحدات معيارية متفق عليها لفهم كتلته أوأبعاده أوحجمه، والفهم الذي يختص بدراسة الأوزان والمقاييس وما يتصل بها من أدوات وآلات وعمليات قياس يدعى «فهم القياس» أوالتقييس Metrology.

عمل وحدات القياس

تقوم فكرة القياس والوزن على أسس ثلاثة هي وحدة المنظومة Uniformity وواحدة القياس Unit والمعيار Standard فالوحدة هي جوهر جميع منظومة معتمدة للقياس أوالكيل أوالوزن، وتفترض مفهوماً محدداً ودقيقاً للكتلة أوالطول أوالحجم وللواحدات التي تستعمل في وزنها أوقياسها أوكيلها، أما واحدة القياس فهي مقدار محدد متفق عليه يقاس به مقدار آخر غير معلوم، وأما المعيار فهوالمرجع الذي يستند إليه لضبط مقدار واحدة القياس. كانت الأوزان والمقاييس قديماً تقتصر على أربعة عناصر أساسية هي الكتلة أوالوزن، والحجم أوالسعة، والطول، والمساحة ثم أضيف إليها عنصر الزمن، ولكن مجال فهم القياس اتسع مع تطور الفهم والتقنية كما اتسع مفهوم الأوزان والمقاييس فصار يضم جميع ما يمكن قياسه أويحتاج إلى ضبط ومعايرة مثل المادة والحرارة والضوء والضغط والتيار الكهربائي والطاقة والقدرة والعمل وغيرها من الواحدات الأساسية البسيطة والمركبة والمشتقة التي تدخل في اختصاصات العلوم المتنوعة، ويمكن الرجوع إليها في مواضعها من الموسوعة. وقد عهد العالم على مر العصور نوعين من منظومات القياس والوزن هما «المنظومات المتطورة» التي تطورت على أعراف اتفق الناس عليها كالأوزان والمكاييل الشرعية والمنظومة التي تستعملها الدول الناطقة بالإنكليزية اليوم، و«المنظومات الوضعية» كالمنظومة المترية والمنظومة العالمية للأوزان والمقاييس.

نظرة تاريخية

تشير الدراسات التاريخية القديمة إلى حتى أكثر الحضارات الأولى التي ظهرت في بلاد الرافدين والشام قد تبنت منظومات محددة للقياس والوزن، واقتبس بعضها من بعض. ولعل أسبقها إلى تبني مثل هذه المنظومات بابل القديمة وأكد، وكذلك مصر الفرعونية، والمعروف حتى ممالك الرافدين وشمالي سورية كانت تتبنى المنظومة السداسية في حساب واحدات القياس ومضاعفاتها، وقد حاول الآثاريون حساب قيمتها بواحدات القياس المعروفة اليوم مستندين إلى أبعاد المباني الأثرية التي كشف عنها وتضمنتها الوثائق القديمة. وتعد الذراع واحدة القياس الأساسية وطولها ست قبضات والقبضة أربع أصابع، والإصبع أصغر واحدة لقياس الطول. كان البابليون يعتمدون على مبدأ التربيع في حساب المساحة، وأصغر واحدات المساحة عندهم هي «الموسارو» وأما واحدة الكيل للموائع عند البابليين فتدعى «سيلا» أو«قا» Ka. وكانت واحدات الوزن موحدة عند أكثر ممالك الشرق القديمة وتصنع صنجاتها من الحجر أوالمعدن، وتحفظ في كيس، لذلك تدعى في الأكدية «أبان كيسي» Aban Kisi أي «حجارة الكيس». وكانت الإصبع (دكتلوس Daktylos) واحدة الطول الأساسية عند اليونان وتساوي نحو19.3مم. وقد اقتبس اليونان بعض مقاييسهم من المصريين والبابليين. وأكبر واحدات الحجم للجوامد عند الإغريق المديمنوس. وقد تبنى الإغريق منظومة ثنائية في قياس أجزاء المكاييل مستعينين بالأواني التي كانت مألوفة لديهم. واستخدموا منظومات وزن منوعة، وأصغر واحدات الوزن عندهم الأُبولوس Obolus ويساوي 1/6 دراخمة (الحفنة) التي هي واحدة الوزن الأساسية، وهي أصل حدثة «درهم» في العربية، ووزنها نحو4.36غ. وقد ورث الرومان أكثر نظمهم عن اليونان، واشتقوا لها أسماء لاتينية. أما في الصين فيختلف فهم القياس وواحداته اختلافاً كبيراً عن مثيله في بلاد حوض البحر المتوسط مع بعض الملامح المشهجرة. وقد استخدم الصينيون أطراف الإنسان مقياساً أيضاً وإن اختلفت عن مثيلاتها هنا، فكانت واحدة قياس الطول الأساسية عندهم المسافة بين موضع النبض في رسغ اليد إلى أصل الإبهام، بيد أنه لم تكن ثمة علاقة مباشرة أونسبة محددة بين واحدات المنظومات المتنوعة كالطول والحجم مثلاً على تنوعها، وكانت الميزة التي تفوقت بها المنظومات الصينية على منظومات حوض البحر المتوسط استعمالها التقسيمات العشرية في واحدات القياس والوزن، ويبدوذلك جلياً في المساطر التي عثر عليها وترجع إلى القرن السادس ق.م. وانفردت منظومات الكيل الصينية بعنايتها بالبعد الصوتي، فكان لمكيال الحب أوالخمر عند الصينيين مثلاً شكل محدد وحجم ثابت ونغمة معينة عند القرع عليه.

ظهرت حاجة الإنسان إلى استعمال المقاييس والمكاييل والأوزان منذ نشوء الحضارة وقد تعددت مقاديرها وقيمتها بتعدد المجتمعات فكان لكل مدينة أودويلة أودولة وحدات خاصة بها وعندما أخذ الناس يتبادلون السلع كان اختلاف المقاييس والمكاييل والأوزان يزيد من صعوبة التعامل في ما بينهم. ظل الأمر على تلك الحال حتى كانت المبادرة الفرنسية لإنشاء وحدات عالمية في عهد الملك لويس السادس عشر، وتم ذلك بعد الثورة بجهود العالمين دى لامبير وميشين ، فقد عُهِدَ إليهما من الأكاديمية الفرنسية للعلوم بتحديد المسافة بين القطب الشمالي وخط الاستواء على امتداد خط الطول المار بباريس واتخاذ جزء من عشرة ملايين من هذه المسافة وحدة دولية لقياس المسافة وسمِّيت " مِتر " اشتقاقاً من الحدثة اليونانية " مِترون " ومعناها قياس.

وفي سنة 1799 تمّ خلق قضيب من سبيكة من البلاتين والإيريديوم وثُبِّتَ فيه عند طرفيه بترتان من مضى حُفِرَ على سطح جميع بترة خط دقيق والمسافة الفاصلة بين الخطين عند درجة حرارة الصفر المئوية تساوي متراً واحداً كما تم تحديده، يحفظ هذا القضيب حتى اليوم في المعهد الدولي للأوزان والمقاييس في فرنسا. وقد تبين لاحقاً حتى هناك تباين يصل إلى 0.023% من المتر، ولكن ذلك التعريف للمتر قد تغير إذ تتولى الهيئة الدولية للأوزان والمقاييس التي تأسست سنة 1875 والمؤتمر الدولي للأوزان والمقاييس الذي يعقد اجتماعات دورية منذ سنة 1889 دون انقطاع، الإشراف على إيجاد وسائل جديدة لتحديد المتر ، ففي المؤتمر الدولي المنعقد في سنة 1960 تقرر حتىقد يكون المتر تعبير عن مجموع عدد من أطوال الموجات الضوئية مقداره 1,650,763.73)) موجة المنبعثة من أحد نظائر عنصر الكريبتون 86 i86iKr . بهذا التعريف الجديد للمتر صرنا نعتمد ظاهرة طبيعية ثابتة لتحديد المتر لنزيد من قدرتنا على القياس بدقة أكبر دون الحاجة للاعتماد على كتلة من المادة قد تتعرض للتغير أوالتلف.

الأوزان والمقاييس عند العرب في الجاهلية والإسلام

استخدم العرب في الجاهلية واحدات منوعة لقياس الأبعاد والحجوم والوزن بعضها عربي صِرْف، وبعضها مقتبس من الشعوب التي جاورتهم. وقد تطورت لدى العرب معايير الأوزان والمقاييس وتحددت مقاديرها بالتدريج انتنطقاً من أنواعها البدائية الحسية إلى أنواع تستند إلى أسس فهمية. واختلف أهل الجاهلية في الكيل والوزن، فمنهم من يكيل السّمن والتمر ومنهم من يزنهما، وقد يباع الشيء نفسه عدداً عند جماعة ووزناً عند جماعة أخرى. وثمة واحدات تختص بنوع واحد من القياس والوزن كالقفيز والمكوّك والمد والصاع، وهذه كلها مكاييل، والرطل والأوقية والمنا، وهي من الأوزان. وكان عرب الجاهلية يستعملون المكاييل لقياس الجوامد والمائعات على حد سواء إلا ما ندر، وقد يستعملون بعضها وزناً كذلك، وتضم معجمات اللغة وخط الحديث والفقه أسماء كثير من المعايير التي استخدمها العرب قبل الإسلام وظلت مستعملة في الإسلام وإن اختلفت مقاديرها. وقد يختلف مقدار وزن أوكيل أوطول باختلاف الموضع الذي كانت تستعمل فيه وإن اتفقت أسماؤها، وزاد في هذا الاختلاف انضواء أعداد كبيرة من الشعوب المتنوعة بعاداتها وتنطقيدها وأعرافها تحت راية الإسلام، وكان لكل إقليم منها واحدات تعامله ومعاييره الخاصة، لذلك بذلت الإدارة الإسلامية منذ البداية عناية خاصة لتحديد قيم الواحدات المستعملة في الكيل والوزن وتوحيدها. وإن نظرة واحدة إلى ما تتضمنه خط الفقه من مباحث تتعلق بالعقود والبيوع والمعاملات والكفارات والطهارة والقضاء والحسبة والخراج وغيرها تبرز بوضوح أهمية منظومات التعامل عند المسلمين وضرورتها، وعلى هذا عد القياس الشرعي أساساً يُرجع إليه لتبين علاقة هذه المنظومات وواحداتها بعضها ببعض إضافة إلى أهمية ضبط النصاب من الزكاة وغيره. وقد ظلت منظومات التعامل الإسلامية الشرعية والعهدية معمولاً بها في جميع المجتمعات الإسلامية على الصعيدين الرسمي والشعبي حتى النصف الأول من القرن العشرين حين أخذت تحل محلها المنظومات العهدية الغربية ولاسيما منظومة المتر.

منظومة الأوزان والمقاييس المترية

درس الفهماء الأوربيون إمكان وضع منظومة موحدة للأوزان والمقاييس تحل محل المنظومات المحلية المتنوعة التي تعيق الاتصال التجاري والفهمي بين الأمم، وكان أول مشروع تقدم به الراهب غابريل موتون Gabriel Mouton سنة 1670م، واقترح فيه مقياس طول على أساس طول قوس مقداره دقيقة واحدة من خط الزوال (خط الطول)، على حتى يقسم هذا المقياس عشرياً ويعطى أسماء تدل مقاطعها الأولى على أجزائه، وظل هذا الاقتراح موضع أخذ ورد حتى سنة 1790 إلى حتى أصدرت أكاديمية العلوم الفرنسية توصية باعتماد خط الطول المار بباريس بين القطب الشمالي وخط الاستواء أساساً لاشتقاق واحدات الطول، على حتى يسمى الجزء الواحد من عشرة ملايين جزء من خط الطول المذكور «متراً» Meter (Mètre)، ويقسم المتر إلى أجزاء عشرية وله مضاعفات عشرية أيضاً. كذلك تضمنت التوصية واحدة وزن تشتق من المتر، أساسها وزن متر مكعب من الماء النقي، فيكون الغرام وزن سنتمتر مكعب واحد من الماء بدرجة الحرارة التي يبلغ فيها الماء أقصى كثافته. وقد صدقت الجمعية الوطنية هذا المخطط العام للمسألة سنة 1791، وأتم العالمان جان دولامبر Jean Delamber وبيير ميشان Pierre Mechain القياسات الضرورية سنة 1798 بعد حتى قاسا مسافة خط الطول بين برشلونة ودنكرك، وقدم المتر النموذجي إلى الجمعية الوطنية في حزيران عام 1799 وغدت المنظومة المترية حقيقة شعارها «لكل الناس وجميع الأزمنة»، وصنع على هذا الأساس متر معياري على شكل قضيب من البلاتين، وكيلوغرام معياري على شكل أسطوانة من البلاتين. وحفظ المعياران في مبنى محفوظات الجمهورية الفرنسية (الأرشيف) فعهدا باسم متر الأرشيف وكيلوجرام الأرشيف، وأبقي على التعريف القديم للثانية المحدد على أساس الرصد الفلكي، وكانت تساوي 86400/1 من اليوم الشمسي المعتدل الطول. بيد أنه سرعان ما تبينت ضرورة إدخال تعديلات مهمة على هذه المنظومات توخياً للدقة والتخلص من أخطاء القياس، كما تبين احتمال تبدل مواصفات المعايير المحفوظة في «الأرشيف» بمرور الزمن، وتبنت الحكومة الفرنسية عقد عدة مؤتمرات دولية نجم عنها توقيع اتفاقية في العشرين من شهر أيار سنة 1875 عهدت باسم «اتفاقية المتر» Treaty of the meter أوجدت بموجبها منظمة دائمة للأوزان والمقاييس تعنى بتحسين منظومة المتر وتطويرها، وصنع معايير جديدة للمتر والجرام حصرت مسؤولية تطويرها وحفظها والتوسع بها بالمخط الدولي للأوزان والمقاييس، ومقره بلدة سيفر Sevres قرب باريس. وصُنع المتر المعياري على أنه المسافة بين خطين ميكروسكوبيين متوازيين محفورين على قضيب من أشابة البلاتين (90%) والإيريديوم (10%) في شروط طبيعية من الضغط الجوي وبدرجة حرارة «0ْ» وصُنع كذلك كيلوغرام معياري على شكل أسطوانة من الأشابة نفسها ارتفاعها 3.9 سم وقطرها 3.9 سم، وقد حفظ المعياران لدى المخط الدولي، ووزعت نسخ عنهما على الدول المشاركة في المؤتمر.

المنظومة العالمية

ظلت منظومة المتر المنظومة الأساسية للأوزان والمقاييس ولاسيما في البحوث الفهمية، وقد اتسع مجالها وتشعبت استعمالاتها بعد حتى جمعت مع واحدة الزمن، أي الثانية. وسمح هذا الجمع باشتقاق واحدات أخرى كثيرة لتمييز الظواهر الفيزيائية، وإدخال تعديلات وإضافات كثيرة عليها. وأطلق على عملية توسع المنظومة المترية السابقة الحروف الأولى لواحدات القياس الأساسية الثلاث السنتمتر والغرام والثانية «س غ ث» CGS، ثم درجت العادة بعد ذلك على حتى يستعمل في مجالات الهندسة الرمز «م ك ث» MKS ويقصد به المتر والكيلوجرام والثانية، واتفق في خاتمة المطاف على تبني المنظومة العالمية لواحدات القياس «م ع» SI كي تضم أكمل مجالات القياس الفهمية والتقنية. انبثقت فكرة المنظومة العالمية الجديدة من المشكلات التي اعترضت النشاط الفهمي المتزايد، وأوجبت ضرورة إحداث منظومات قياس فرعية تخدم ميادين فهمية خاصة. كما تبين قصور معايير القرن التاسع عشر عن تحقيق متطلبات الفهم والتقنية في القرن العشرين من حيث الدقة والشمول، فازدادت الحاجة إلى وضع تعريفات جديدة واستعمال تقنيات حديثة في القياس. وتوصل المؤتمر الدولي الحادي عشر للأوزان والمقاييس الذي عقد في باريس في شهر تشرين الأول سنة 1960 إلى وضع منظومة ضمت ستة تعريفات جديدة للطول والكتلة والزمن والتيار الكهربائي والحرارة وشدة الضوء. وصار معيار واحدة الطول طول موجة الإشعاع البرتنطقي الأحمر المنبعث من تحريض ذرة غاز نظير الكريبتون النقي ذي العدد الكتلي 86 في تفريغ كهربائي، وحدد المتر المعياري على أنه يساوي 1650.763.73 مرة طول موجة من الإشعاع البرتنطقي الأحمر المنبعث من غاز الكريبتون 86. ولا يبدل هذا التحديد الجديد عملياً من طول المتر أوالعلاقة بين المتر وأجزائه ومضاعفاته وبينه وبين الواحدات الإنكليزية، ولكنه مثال على المنحى الجديد في القياس بالاستناد إلى ثوابت فيزيائية طبيعية يمكن مراقبتها دولياً، وفي مختبرات لا تتطلب الكثير من التجهيزات المعقدة، ولمثل هذه الثوابت ميزات كثيرة تتفوق بها على المعايير الصنعية. أما الكتلة وواحدتها الكيلوجرام فهي وزن أسطوانة معيارية من البلاتين (90%) والإيريديون (10%) قطرها 3.9سم (1.5 إنش) وارتفاعها مماثل لقطرها ومحفوظة لدى المخط الدولي للأوزان والمقاييس في «سيفر». وأما الزمن فواحدته «الثانية» وكانت تقاس تقليدياً على أساس معدل دوران الأرض حول محورها، ثم على أساس معدل دوران الأرض حول الشمس، ومنذ عام 1967 أعيد تحديد الثانية على أساس الاهتزاز الذري، وغدا تعريفها المتفق عليه عالمياً على النحوالتالي: «الثانية هي الوحدة الأساسية للزمن وتساوي 9192631770 دورة من الإشعاع المناظر للانتنطق بين سويتين مفرطتين في الدقة في الحالة الحضيضية لذرة السيزيوم 133». وأما التيار فواحدته الأمبير، وقد حُددت سنة 1948 بالاعتماد على قوة التجاذب مقيسة بالنيوتن بين موصلين متوازيين حاملين للتيار يبعد أحدهما عن الآخر متراً واحداً وتعريفها كما يلي: «الأمبير هوشدة التيار الذي إذا سرى في سلكين متوازيين يبعد أحدهما عن الآخر متراً واحداً في الفراغ ينتج قوة تجاذب تعادل 2× (10-7) نيوتن لكل متر طول، وأما الحرارة فواحدتها كلفن Kelvin وقد وُصِّفت سنة 1954 على أساس درجة حرارة النقطة الثلاثية للماء (أي درجة الحرارة التيقد يكون فيها الجليد والماء الذائب وبخار الماء في حالة توازن) وهي تساوي 273.16 كلفن، وقريبة جداً من درجة حرارة ذوبان الجليد. أما درجة سلسيوس Celsius (التي كانت ومازالت تسمى سنتيغراد) فهي درجة كلفن نفسها في قياس درجات الحرارة المتنوعة. وأما شدة الضوء فواحدتها الكانديلا Candela (الشمعة) وقد تم تحديدها عام 1967 على أساس شدة الضوء المنبعث من جزء واحد من ستمئة ألف جزء 1/600000 من متر مربع لتجويف مشع من البلاتين في درجة التجمد (2042 كلفن). وأضيفت في عام 1971 واحدة قياس كمية المادة وهي المول Mol وهي مقدار مادة نظام ما تحتوي على عدد من الواحدات الأولية مساوياً عدد ذرات الكربون في 0.12 كغ من نوية الكربون 12 النقية. ويتوجب هنا تحديد الوحدة الأولية التي قد تكون ذرة أوجزيئاً أوشاردة أوإلكتروناً أوفوتوناً، أوحتى مجموعة محددة من مثل هذه الواحدات. إذا من أبرز الميزات الرئيسة الأخرى التي تتمتع بها منظومة المتر والمنظومة العالمية وجود مضاعفات وأجزاء عشرية تبنتها اللجنة الدولية للأوزان والمقاييس تبين الأبعاد الكبرى والصغرى لكل واحدات القياس أوالوزن الأساسية السابقة الذكر، وتدل عليها سوابق تضاف إلى الاسم الأصلي للواحدة كالميلمتر وهوجزء من ألف من المتر، والكيلومتر وهوألف متر.

كذلك أقرت اللجنة الدولية للأوزان والمقاييس جملة من واحدات القياس والوزن المشتقة أوالمركبة من الواحدات الأساسية كالنيوتن newton لقياس القوة، والجول joule لقياس العمل، والفولت volt لقياس الكمون الكهربائي أوفرق الطاقة، والراديان radian والستراديان steradian لقياس الزوايا البسيطة والمجسمة.

المصادر

• الموسوعة العربية

انظرأيضاً

• Dimensional analysis
• Conversion of units
• Units conversion by factor-label
• ايزو31
• List of unusual units of measurement
• List of humorous units of measurement

وصلات خارجية

عام

• Unit Conversion : Oil Industry Conversions
• A Dictionary of Units of Measurement - Center for Mathematics and Science Education, University of North Carolina
• NIST Handbook 44, Specifications, Tolerances, and Other Technical Requirements for Weighing and Measuring Devices
• NIST Handbook 44, Appendix C, General Tables of Units of Measurement
• Official SI website

Legal

• Canada - Weights and Measures Act 1970-71-72
• Ireland - Metrology Act 1996
• UK - Units of Measurement Regulations 1995
• US - Authorized tables

Metric information and associations

• Official SI website
• UK Metric Association
• US Metric Association
• The Unified Code for Units of Measure (UCUM)

Imperial/U.S. measure information and associations

• British Weights and Measures Association
• Kentucky Demetrification