صندوق أسود

في العلوم والحوسبة والهندسة، يُعرف الصندوق الأسود بأنه نظام يمكن النظر إليه من خلال مدخلاته ومخرجاته (أو خصائص نقله )، دون أي معرفة بآلياته الداخلية. ^{[ 1 ] [ 2 ]} ويُعتبر تنفيذه "مبهمًا" (أسود). ويمكن استخدام هذا المصطلح للإشارة إلى العديد من الآليات الداخلية، مثل تلك الخاصة بالترانزستور ، والمحرك ، والخوارزمية ، والدماغ البشري ، أو المؤسسة أو الحكومة .

لتحليل نظام مفتوح باستخدام منهجية "الصندوق الأسود" التقليدية، يُؤخذ سلوك المحفز/الاستجابة فقط في الاعتبار، لاستنتاج الصندوق (المجهول) . ويُمثل هذا النظام عادةً بمخطط تدفق البيانات الذي يتمركز حول الصندوق.

إن عكس الصندوق الأسود هو نظام تكون فيه المكونات الداخلية أو المنطق متاحة للفحص، وهو ما يشار إليه عادةً باسم الصندوق الأبيض (ويعرف أحيانًا أيضًا باسم "الصندوق الشفاف" أو "الصندوق الزجاجي").

الصندوق الأسود هو أي نظام تبقى آلياته الداخلية مخفية عن المراقب أو يتجاهلها، حيث يدرسها المراقب من خلال فحص المدخلات والمخرجات. ^{[ 3 ]} يبحث المراقب عن أنماط في كيفية ارتباط المدخلات بالمخرجات، ويستخدم هذه الأنماط للتنبؤ بسلوك النظام، دون الوصول إلى الآلية الداخلية.

قدّم دبليو روس آشبي ، أحد أوائل من صاغوا هذه المشكلة بشكل منهجي، سيناريو افتراضيًا: تخيّل جهازًا مغلقًا من مصدر فضائي. يستطيع المجرب قلب مفاتيحه، والضغط على أزراره، وملاحظة النتائج: تغيّر في الصوت الصادر عنه، أو ارتفاع في درجة الحرارة، أو حركة مؤشر. من خلال تسجيل العديد من أزواج المدخلات والمخرجات هذه بمرور الوقت والبحث عن أنماط ثابتة، يبني المجرب نموذجًا عمليًا لكيفية عمل الجهاز. يسمح هذا النموذج بالتنبؤ ("إذا قلبت هذا المفتاح، ستتغير درجة الصوت") على الرغم من أن الآلية الداخلية تظل مجهولة تمامًا. ^{[ 4 ]}

يُعدّ أسلوب الصندوق الأسود مفيدًا لأن العديد من الأنظمة - كالدائرة الإلكترونية ، والكائن الحي ، والاقتصاد - إما أنها بالغة التعقيد بحيث يتعذر تحليلها مكونًا تلو الآخر، أو أن مكوناتها الداخلية غير قابلة للوصول المادي، أو أنها ملكية خاصة، أو ببساطة لا صلة لها بالسؤال المطروح. فبدلًا من اشتراط معرفة كاملة قبل اتخاذ أي إجراء، تُمكّن أساليب الصندوق الأسود الباحث من العمل بما يمكن ملاحظته فعليًا. ^{[ 5 ]}

يُطبَّق هذا المفهوم بطرقٍ مختلفة في مختلف المجالات. في اختبار البرمجيات وهندستها، يُعدّ تحليل الصندوق الأسود خيارًا منهجيًا في الغالب: إذ يتعامل المختبِر مع النظام كصندوق أسود للتحقق من أن المدخلات المحددة تُنتج المخرجات المتوقعة، على الرغم من إمكانية فحص شفرة المصدر من حيث المبدأ. ^{[ 3 ]}

في علم التحكم الآلي وفلسفة العلوم ، يحمل هذا المفهوم أحيانًا دلالة أقوى: وهي أن جميع الأنظمة عبارة عن صناديق سوداء في نهاية المطاف، لأن المعرفة الكاملة بالآليات الداخلية غير ممكنة على الإطلاق. حتى الأشياء المألوفة كالدراجة الهوائية تتضمن قوى وعمليات - روابط بين الذرات، وخصائص مادية - تحول دون الفحص المباشر. ^{[ 6 ]} تقع معظم التطبيقات العملية في مكان ما بين هذين النقيضين: فقد يبدأ الباحث بأساليب الصندوق الأسود لأن الأجزاء الداخلية غير متاحة حاليًا، ثم "يفتح الصندوق" تدريجيًا كلما سمحت الأدوات أو التقنيات الجديدة بذلك، مع إدراكه أن بعض الغموض سيبقى دائمًا. ^{[ 7 ]}

لأن المراقب هو من يحدد ما يُعتبر مدخلات ومخرجات، ويصمم أدوات التحليل أو التجارب، ويبني أنماطًا تفسيرية من الانتظامات الملحوظة، فإن المعرفة المكتسبة من تحليل الصندوق الأسود تتشكل بفعل البحث نفسه. وقد يتوصل مراقبون مختلفون، أو حتى المراقب نفسه باستخدام أدوات مختلفة، إلى أوصاف مختلفة لكيفية عمل النظام. ^{[ 8 ]}

نشأ المعنى الحديث لمصطلح "الصندوق الأسود" من أبحاث الرادار خلال الحرب العالمية الثانية . ^{[ 9 ]} ويعزو بيتر غاليسون شيوع هذا المصطلح إلى مختبر الإشعاع في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، حيث كانت مكونات مثل المضخمات وأجهزة الاستقبال والمرشحات تُوضع في حاويات سوداء اللون. ^{[ 10 ]} ويقترح فيليب فون هيلجرز أصلًا مشابهًا: مهمة تيزارد عام 1940 ، التي نقلت مغنطرونًا تجريبيًا من بريطانيا إلى الولايات المتحدة في صندوق معدني أسود. ^{[ 11 ]} وكان من الصعب شرح وظيفة المغنطرون نفسه: "صندوق أسود" داخل صندوق أسود. وأصبح المغنطرون أساس برنامج مختبر الإشعاع، ويجادل فون هيلجرز بأن كلًا من الجهاز والاستعارة بدآ ينتشران. ^{[ 12 ]}

استند التطور النظري لهذا المفهوم إلى أعمال مماثلة أُجريت خلال الحرب في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MIT) حول آليات التغذية الراجعة والتحكم في النيران . في أوائل أربعينيات القرن العشرين، طوّر نوربرت وينر جهاز تنبؤ مضاد للطائرات مصممًا لتحليل مناورات المراوغة التي يقوم بها طيارو العدو، وتوقع مواقعهم المستقبلية، وتوجيه نيران المدفعية وفقًا لذلك. وقد نظر وينر إلى الطيار "كآلية مؤازرة " يمكن التنبؤ بسلوكها من خلال التحليل الإحصائي للمدخلات والمخرجات. ^{[ 13 ]} وفي رسالة بتاريخ يونيو 1942، وصف هذا النهج بأنه عنصر من عناصر هندسة الاتصالات، "حيث يتم تحديد وظيفة الجهاز بين أربعة أطراف قبل أن يتولى أي شخص دراسة التركيب الفعلي للجهاز داخل الصندوق". ^{[ 14 ]} وهكذا، أصبحت الصناديق السوداء التي تراكمت في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، كما تشير إليزابيث بيتريك، جسرًا بين التكنولوجيا المادية وطريقة جديدة للتفكير في الأنظمة من حيث المدخلات والمخرجات. ^{[ 15 ]}

قبل ظهور هذا المصطلح خلال الحرب العالمية الثانية، كان هناك فكر مشابه قد تطور في نظرية الدوائر الإلكترونية . يشير فيتولد بيليفيتش إلى معالجة فرانز برايزيج عام 1921 للشبكات ثنائية المنافذ ، والتي تميزت فقط بمعادلات الجهد الخاصة بها، باعتبارها مثالًا مبكرًا على منهج المدخلات والمخرجات. ^{[ 16 ]} وبالمثل، وُصف برنامج فيلهلم كاوير لتوليف الشبكات (1926-1941)، الذي درس الدوائر من خلال دوال النقل الخاصة بها بدلًا من بنيتها الداخلية، بأثر رجعي بأنه تحليل الصندوق الأسود. ^{[ 17 ]}

بدأ التواصل متعدد التخصصات حول هذا المفهوم خلال الحرب. ففي عام ١٩٤٤، راسل عالم النفس التجريبي إدوين بورينغ وينر حول نمذجة الوظائف النفسية كنظم كهربائية، واصفًا الدماغ بأنه "صندوق غامض ذو أطراف توصيل ومقابض". ^{[ ١٨ ]} ودخل مصطلح "الصندوق الأسود" نفسه إلى خطاب علم التحكم الآلي في أوائل الخمسينيات. عندما زار وينر معهد بيردن للأمراض العصبية في يناير ١٩٥١، دوّن دبليو روس آشبي في مذكراته أن وينر ناقش "مشكلة الصندوق الأسود" - أي كيفية مراقبة صندوق ذي محتويات مجهولة، وإدخال بيانات إليه، ومراقبة مخرجاته، واستنتاج آلة ذات أداء مكافئ. ^{[ ١٩ ]}

قدّم آشبي دراسة شاملة في كتابه " مقدمة في علم التحكم الآلي " عام 1956 ، حيث خصّص فصلاً كاملاً لمفهوم "الصناديق السوداء". ^{[ 20 ] [ 7 ]} جادل آشبي بأن "الأشياء الحقيقية هي في الواقع جميعها صناديق سوداء" نظراً لاستحالة الإلمام الكامل بآليات عمل أي نظام. ^{[ 6 ] [ 21 ]} وقدّم وينر شرحه الأكثر شمولاً في الطبعة الثانية من كتابه "علم التحكم الآلي " عام 1961 ، حيث ميّز بين "الصناديق السوداء" (الأنظمة التي لا يُعرف تركيبها الداخلي) و"الصناديق البيضاء" (الأنظمة المبنية وفق مخطط هيكلي معروف). ^{[ 22 ] [ 23 ]} واستخدم العديد من المهندسين والعلماء وخبراء نظرية المعرفة، مثل ماريو بونج، نظرية الصندوق الأسود وطوّروها في ستينيات القرن العشرين. ^{[ 24 ]}

في نظرية النظم ، يُعدّ الصندوق الأسود تجريدًا أساسيًا لتحليل النظم المفتوحة : وهي النظم التي تتبادل المادة أو الطاقة أو المعلومات مع بيئتها. وتكمن الفكرة الرئيسية في أن سلوك النظام يمكن وصفه بالكامل من خلال العلاقة بين مدخلاته (المؤثرات من البيئة) ومخرجاته (الاستجابات للبيئة)، دون الرجوع إلى بنيته الداخلية. ^{[ 3 ]}

تُعرَّف نظريات الصندوق الأسود بأنها تلك النظريات التي تُحدَّد فقط من خلال وظيفتها. ^{[ 33 ] [ 34 ]} ويمكن تطبيق هذا المصطلح في أي مجال يُجرى فيه بحثٌ حول العلاقات بين جوانب مظهر النظام (خارج الصندوق الأسود)، دون محاولة تفسير سبب وجود تلك العلاقات (داخل الصندوق الأسود). وفي هذا السياق، يمكن وصف نظرية نيوتن للجاذبية بأنها نظرية صندوق أسود. ^{[ 35 ]}

يركز هذا البحث تحديدًا على نظام لا يمتلك خصائص ظاهرة للعيان، وبالتالي لا توجد فيه سوى عوامل قابلة للملاحظة مخفية عن الأنظار. يُفترض في البداية أن المراقب جاهلٌ بالأمر، إذ أن معظم البيانات المتاحة موجودة في بيئة داخلية بعيدة عن متناول التحقيقات المباشرة . يُظهر تعريف " الصندوق الأسود " أنه نظام تدخل فيه عناصر قابلة للملاحظة إلى ما يشبه صندوقًا افتراضيًا، لتنتج عنه مجموعة من المخرجات المختلفة القابلة للملاحظة أيضًا. ^{[ 36 ]}