ブラックボックス

科学、コンピューティング、およびエンジニアリングにおいて、ブラックボックスとは、内部動作に関する知識がなくても、入力と出力（または伝達特性）の観点から見ることができるシステムのことです。 ^{[ 1 ] [ 2 ]}その実装は「不透明」（黒）です。この用語は、トランジスタ、エンジン、アルゴリズム、人間の脳、組織や政府など、多くの内部動作を指すために使用できます。

典型的な「ブラックボックスアプローチ」で開放系を分析する場合、刺激／応答の挙動のみを考慮し、（未知の）ボックスを推測します。この「ブラックボックスシステム」の一般的な表現方法は、ボックスの中心に配置されたデータフロー図です。

ブラックボックスの反対は、内部の構成要素やロジックを検査できるシステムであり、これは一般的にホワイトボックス（「クリアボックス」または「グラスボックス」とも呼ばれる）と呼ばれます。

ブラックボックスとは、内部の仕組みが観察者から隠されているか、あるいは観察者がそれを無視し、代わりに何が入力されるか（入力）と何が出力されるか（出力）を調べることによって研究するシステムのことです。^{[ 3 ]}観察者は入力が出力にどのように関連しているかのパターンを探し、そのパターンを使用してシステムの動作を予測しますが、内部のメカニズムにアクセスすることはありません。

この問題の形式化を最初に行った人物の一人であるW.ロス・アシュビーは、次のような仮説的なシナリオを提示した。異星の装置から来た密閉された装置を想像してみよう。実験者はその装置のスイッチを切り替えたり、ボタンを押したりして、その結果を観察することができる。例えば、発せられる音の変化、温度の上昇、ダイヤルの動きなどだ。実験者は、このような入出力ペアを長期間にわたって多数記録し、一貫性を探すことで、装置の動作に関する実用的なモデルを構築する。このモデルによって、内部機構が全く不明なままであっても、予測が可能になる（「このスイッチを切り替えれば、音程が変わる」）。^{[ 4 ]}

ブラックボックスアプローチは、電子回路、生物、経済など、多くのシステムが複雑すぎて構成要素ごとに分析できないか、内部構造が物理的にアクセスできない、企業秘密である、あるいは単に今回の問題とは無関係であるといった場合に有用です。ブラックボックス方式では、行動する前に完全な知識を必要とするのではなく、観察者が実際に観察できるものに基づいて作業を行うことができます。^{[ 5 ]}

この概念は、さまざまな分野で多様な方法で適用されています。ソフトウェアテストやエンジニアリングでは、ブラックボックス分析は通常、方法論的な選択です。テスターは、ソースコードを原理的には調べることができるにもかかわらず、指定された入力が期待される出力を生成することを検証するために、システムをブラックボックスとして扱います。^{[ 3 ]}

サイバネティクスや科学哲学では、この概念はより強い意味合いを持つことがあります。つまり、内部機構を完全に把握することは決して不可能であるため、すべてのシステムは究極的にはブラックボックスであるということです。自転車のような身近な物体でさえ、原子間結合や物質特性といった力やプロセスが関わっており、直接的な検査を妨げています。^{[ 6 ]}ほとんどの実用的な用途は、これらの両極の中間に位置します。研究者は、内部構造が現状ではアクセスできないため、ブラックボックス方式から始め、新しいツールや技術が許す限り徐々に「箱を開けて」いきますが、ある程度の不透明さは常に残ることを認識しています。^{[ 7 ]}

観察者が入力と出力を決定し、プローブや実験を設計し、観察された規則性から説明パターンを構築するため、ブラックボックス分析から得られる知識は調査自体によって形作られます。異なる観察者、または同じ観察者が異なる機器を使用した場合、システムの挙動について異なる記述に至る可能性があります。^{[ 8 ]}

「ブラックボックス」の現代的な意味は、第二次世界大戦中のレーダー研究から生まれた。^{[ 9 ]}ピーター・ガリソンは、この用語の人気はMITの放射線研究所に遡ると述べている。そこでは、増幅器、受信機、フィルターなどの部品が黒い斑点のある筐体に収められていた。^{[ 10 ]}フィリップ・フォン・ヒルガースは、関連する起源として、1940年のティザード・ミッションを挙げている。このミッションでは、実験用空洞マグネトロンが黒い金属製の証書箱に入れられてイギリスからアメリカに運ばれた。^{[ 11 ]}マグネトロン自体の機能的な説明は困難だった。「ブラックボックス」の中に「ブラックボックス」が入っているようなものだった。マグネトロンは放射線研究所プログラムの基礎となり、フォン・ヒルガースは、物体と比喩の両方が広まり始めたと主張している。^{[ 12 ]}

この概念の理論的発展は、MITで行われたフィードバック機構と射撃管制に関する戦時中の関連研究に基づいていた。1940年代初頭、ノーバート・ウィーナーは、敵パイロットの回避行動を特徴づけ、将来の位置を予測し、それに応じて砲撃を指示するように設計された対空予測装置を開発した。ウィーナーはパイロットを「サーボ機構」のように捉えるようになり、その挙動は入力と出力の統計的分析によって予測できると考えた。^{[ 13 ]} 1942年6月の手紙で、彼はこのアプローチを通信工学の一要素として説明し、「4つの端末間の機器の機能は、箱の中の装置の実際の構成を誰かが検討する前に指定される」と述べている。^{[ 14 ]}エリザベス・ペトリックが指摘するように、MITに蓄積されたブラックボックスは、物理技術と、入力と出力の観点からシステムを考える新しい方法との間の架け橋となった。^{[ 15 ]}

第二次世界大戦中にこの用語が登場する以前から、電子回路理論では同様の考え方が発展していた。ヴィトルト・ベレヴィッチは、電圧方程式のみで特徴付けられる2ポートネットワークに関するフランツ・ブライジヒの1921年の扱いを、入出力アプローチの初期の例として挙げている。^{[ 16 ]}同様に、内部構造ではなく伝達関数を通して回路を研究したヴィルヘルム・カウアーのネットワーク合成プログラム（1926～1941年）は、後からブラックボックス解析と呼ばれている。^{[ 17 ]}

この概念に関する学際的なコミュニケーションは、戦争中に始まった。1944年、実験心理学者のエドウィン・ボーリングは、心理機能を電気システムとしてモデル化することについてウィーナーと書簡を交わし、脳を「端子とつまみが付いた謎の箱」と表現した。^{[ 18 ]}「ブラックボックス」という用語自体は、1950年代初頭にサイバネティクスの議論に取り入れられた。 1951年1月にウィーナーがバーデン神経研究所を訪れた際、 W・ロス・アシュビーは日記に、ウィーナーが「ブラックボックスの問題」、つまり未知の内容物を持つ箱を観察し、入力を与え、出力を観察し、同等の性能を持つ機械を推論する方法について議論したと記録している。^{[ 19 ]}

アシュビーは1956年に『サイバネティクス入門』でブラックボックスについて包括的な解説を行い、1章をブラックボックスに割いた。^{[ 20 ] [ 7 ]}アシュビーは、システムの内部動作を完全に知ることは不可能であるため、「実際の対象はすべてブラックボックスである」と主張した。 ^{[ 6 ] [ 21 ]}ウィーナーは1961年の『サイバネティクス』第2版で最も包括的な議論を展開し、「ブラックボックス」（内部構造が不明なシステム）と「ホワイトボックス」（既知の構造設計に基づいて構築されたシステム）を区別した。^{[ 22 ] [ 23 ]}マリオ・ブンゲなど、他の多くのエンジニア、科学者、認識論者も1960年代にブラックボックス理論を使用し、改良した。^{[ 24 ]}

システム理論において、ブラックボックスは開放系、すなわち環境と物質、エネルギー、または情報を交換するシステムを分析するための基本的な抽象化である。重要な洞察は、システムの動作は、内部構造を参照することなく、入力（環境からの刺激）と出力（環境への応答）の関係によって完全に特徴づけることができるということである。^{[ 3 ]}

ブラックボックス理論とは、その機能のみに基づいて定義される理論のことである。^{[ 33 ] [ 34 ]}この用語は、システムの外観の側面間の関係（ブラックボックスの外側）について調査が行われるが、それらの関係が存在する理由（ブラックボックスの内部）を説明しようとしないあらゆる分野に適用できる。この文脈では、ニュートンの万有引力の法則はブラックボックス理論として記述できる。^{[ 35 ]}

具体的には、この調査は、すぐには明らかな特徴がなく、したがって、直接観察できない内部に考慮すべき要素のみを持つシステムに焦点を当てています。利用可能なデータの大部分は容易な調査から離れた内部状況にあるため、観察者は最初は無知であると想定されます。定義のブラックボックス要素は、観察可能な要素が恐らく想像上の箱に入り、そこから観察可能な一連の異なる出力が出てくるシステムによって特徴付けられることが示されています。^{[ 36 ]}