فلسفه و تاریخ علم

مکانیسم فیدبک؛ تعادل یا فروپاشی؟ پس زمینه فلسفی یک مساله مهندسی

feedback - فیدبک
نوشته شده توسط عرفان کسرایی

فیلسوفان علم پرسش های جالبی می پرسند و مثل یک کارآگاه؛ به هر سرنخ قابل توجهی به چشم یک مدرک مهم احتمالی برای رمزگشایی از اسرار جهان نگاه می کنند. مثلا اینکه چرا معادله قانون جهانی گرانش F= (gm1m2) / d2  شبیه به قانون کولن در الکترومغناطیس است که می گوید  F = k (q1 q2) / d2 . یا مثلا اینکه معادلات ریاضی در واقع چه چیزی را دارند توصیف می کنند؛ یا دمایی که با دماسنج اندازه می گیریم در واقعا چه چیزی را نشان می دهند و ربط آن به مکانیک یا ترمودینامیک آماری چیست و بی شمار پرسش دیگر.
نه تنها علوم پایه؛ فیزیک و ریاضیات و زیست شناسی؛ بلکه مسایل مهندسی هم می توانند پیامدهای فکری و فلسفی از خود به جای بگذارند.یکی از این مفاهیم به کار گرفته شده؛ مفهوم فیدبک است. مکانیسم جالب و ییچیده ای که در شاخه های مختلف علوم و مهندسی ظاهر می شود. از سیستم‌های مکانیکی گرفته تا  الکتریکی و بیولوژیکی و حتی حرارتی و برودتی. اغلب ما با کاربرد ترموستات در سیستم های حرارتی مثلا بخاری یا آبگرمکن آشنا هستیم. اگر اتاق یا آب خیلی گرم شود ترموستات ؛ بخاری یا آبگرمکن را خاموش می کند و اگر اتاق خیلی سرد شود دوباره ترموستات پا به میدان می گذارد و آن را روشن می کند.
مکانسیم فیدبک اما دو چهره دارد و به دو شیوه عجیب عمل می کند. فیدبک منفی و فیدبک مثبت. فیدبک منفی شبیه به همین مثال ترموستات بود که ذکر شد. یعنی سیستمی که در نهایت قرار است در حالت تعادل بماند. مکانیسمی که اجازه نمی دهد سیستم داغ شود و بسوزد یا اینکه سرد و خاموش شود و از کار بیفتد.
فیدبک مثبت اما کاملا  مخرب و ویرانگر عمل می کند و گاهی به آن چرخهء معیوب (Vicious cycle) نیز گفته می شود . در عمل شاید هیچ سیستم کنترلی با فیدبک مثبت نتواند برای مدت طولانی پایدار بماند. ادامه فرایند فیدبک مثبت تقریباً همواره به انفجار یا فروپاشی سیستم ختم می‌شود.
از دید مهندسان؛  فیدبک یعنی بازگرداندن بخشی از خروجی یک سیستم و ترکیب آن با ورودی؛ به منظور کنترل خروجی می‌باشد .کلمه فیدبک که در فارسی به آن بازخوران هم می گوییم روشی است برای کنترل سیستم، بوسیله وارد کردن مجدد نتایج عملکرد گذشته به داخل سیستم. از نقطه نظر تاریخی ؛ استفاده از فیدبک به ابداع ماشین بخار در قرن نوزدهم میلادی برمی گردد و اهمیت بکارگیری آن در سیستم‌های حرارتی و برودتی با نصب ترموستات. جالب اینجاست که فیدبک اساسا یک مفهوم صنعتی و مهندسی نیست و حتی در بدن ما، همین مکانیسم فیدبک نقش عمده ای در تنظیم دما و کنترل ترشح داخلی غدد ایفا می کند. بدن انسان که یک سیستم هموستاز (یعنی خود پایدار) است با مکانیسم  فیدبک مثبت دچار ناپایداری و در نتیجه بروز مرگ و فروپاشی می شود. در مقابل اما مکانیسم فیدبک منفی با روشی مانند ترموستات با به کار بستن خروجی سیستم در کنترل ورودی ها حالت تعادل را حفظ می کند (مثلا ثابت نگاه داشتن دمای بدن) . کابرد مفهوم فیدبک به همین جا ختم نمی شود و مکانیسم فیدبک حتی در اکوسیستم‌های مالی، نهادهای سیاسی، رسانه‌ها، اقتصاد؛  تغییرات اجتماعی و … هم ظاهر می شود.
گاهی مکانیسم فیدبک به صورت حلقه باز  (open loop) عمل می کند. به بیان ساده تر وقتی که دمای هوا کاهش می یابد انسان  لباس گرم می پوشد، اما پوشیدن لباس گرم عملا تاثیری بر دمای اتاق ندارد و در واقع؛ خروجی هیچ نقش و تاثیری در ورودی سیستم بازی نمی کند.  کتاب فیزیولوژی پزشکی گایتون این موضوع را با مثال های دقیق و ملموس توضیح می دهد. فردی را در نظر بگیرید  که در یک روز آفتابی از خانه خارج می شود.  زمانی که فرد احساس گرما می کند؛ افزایش دما ادراک گیرنده های حسی او را تحت تاثیر قرار می دهد. اگر انسان همچنان زیر آفتاب بماند بدن واکنش فیزیولوژیک نشان میدهد به این معنی که منافذ پوست باز شده و از طریق ترشح و تبخیر عرق خنک خواهد شد، به علاوه واکنش رفتاری نیز تغییر می کند و به سایه پناه می برد و بدن خنک می شود این نمونه مثالی از فیدبک منفی است. مکانسیمی که در آن واکنش سیستم در جهت عکس روند خروجی است. در این مثال افزایش دمای بدن که به عنوان ورودی بود باعث تغییر در سیستم و کاهش دمای بدن می شود. در فیدبک مثبت افزایش خروجی منجر به افزایش بیشتر و بیشتر آن می شود. مثالی از این فرایند، آتش سوزی جنگل است. در ابتدا چوبها کمی مرطوب هستند و خوب نمی سوزند اما با ادامه آتش سوزی چوبهای مجاور خشک می شوند و شروع به سوختن می کنند و این خود موجب خشک شدن چوبهای بیشتر و گسترش آتش سوزی می شود. مکانیسم های فیدبکی شبیه به این است که گویی آینده سیستم روی گذشته سیستم تاثیر می کند.
تا اینجای کار تقریبا کاری با فلسفه و تبعات فلسفی مفهوم فیدبک نداشتیم. مساله از جایی اغاز می شود که بپرسیم؛ پس دلیل خود فیدبک چیست؟ اصلا چرا سیستم های طبیعی به صورت خودبخودی می توانند روی چرخه فیدبک مثبت یا منفی بیفتند؟ را فیدبک اتفاق می افتد و اصلا چرا ساختار جهان به گونه ای است که فیدبک مثبت یا منفی در آن رخ دهد؟ هنوز هیچکس پاسخ دقیق این پرسش را نمی داند.

درباره نویسنده

عرفان کسرایی

کسرایی، عضو انجمن فلسفه علم آلمان و پژوهشگر مطالعات علم و فناوری در دانشگاه کاسل است
زمینه های پژوهشی او عبارتند از:
-فلسفه فیزیک؛ منطق مدلسازی در ریاضیات مهندسی
-ارتباطات علم و جامعه شناسی شبه علم در ایران
-تاریخ فیزیک مدرن در قرن بیستم

دیدگاه شما چیست