只有猫才会变成液态？不，人也会 | 刘洋专栏
编者按：为何电梯里，你会自动站在角落？为何地铁开门的瞬间，你会自觉移到两侧？今天，我们尚且无法成为先知、窥视未来，但或许，我们可以预测人的行为。
心理学家笔下，自由意志会在特定条件下失效，“集体无意识”便是一个例子；但在物理学家眼中，人群可以变成液体、晶体、固体，然后在动力学方程的帮助下，预测下一步行为。《少数派报告》《心理测量者》里的未来并不遥远，在刘洋老师这篇“大数据与行人动力学”里，“预测未来”已成现实，并掀起社会变革的狂澜。
从19世纪的欧洲开始，城市化的进展便与犯罪率的上升呈现出明显的相关性。中国也没能摆脱这一怪圈。根据一项对中国在20世纪末期城市化水平与犯罪率进行的相关性研究，借助皮尔逊R系数进行的统计分析表明，两者的相关系数为0.935，相关性极高。
事实上，如何管理城市这种人口高度密集的特殊区域，降低犯罪率，给人们提供一个更加安定和谐的宜居空间，一直是一个世界性的难题。
有趣的是，2002年在美国上映的科幻电影《少数派报告》为此提供了一个异想天开的解决方案。在电影中，借助于几个所谓的“先知”，警方可以预测出罪犯即将犯下的罪行，从而在其犯罪之前就将其逮捕。
另一个与“预言”相关的例子来自于阿西莫夫的著名科幻小说《基地》系列。占据这个系列小说的核心地位的设定，是一个名为“心理史学”的未来学科，它通过对巨量人类社会的活动数据为基础进行分析，从中得出普遍的规律，从而可以用来预测人类社会未来的发展。
以上两个例子分别从微观和宏观的角度，设想了对人类行为进行预测的可能性。
很多人或许认为，由于人类具有自主的意志，对人类的行为进行预测是不可能的，更不可能以此为依据，来建立一套预防犯罪的机制。然而，当我们远眺那些在熙熙攘攘的街道上行进的人群，我们看到的真的是完全无序和随机的人流吗？当我们分析基于大数据而产生的关于犯罪的庞大数据时，无法从中抽离出某种特定的模式来吗？
答案并非如此。
事实上，以人类及其社会为目标，基于自然科学的严谨模式进行研究的学科早已存在——那就是所谓的“社会物理学”。其研究的范围非常广泛：大至整个社会的网络结构，小至行人或车辆的移动轨迹，都在其囊括之中。
从微观上来看，人类行为所具有的随机性和无序性，在深入的挖掘和识别之下，却可以表现出可认知和可观控的模式。即便对于个体人类来说，在某些特定的边界条件下，预测其未来的行为也并非全无可能。例如，其在微观层面最有代表性的一个分支领域——行人动力学——便是很好的一个例子。
无序人流中的隐藏模式
行人动力学是对人类在公共场所的运动规律进行研究的一个学科，其基本思想是：行人可以看成是牛顿力学中的基本粒子，可以通过广义的力来对其运动规律进行描述。
在进行具体的解释之前，我们可以先通过下面四个情形来初步体会一下这种隐藏在人类行为中的规律性。
【情形1】出门坐电梯，刚好电梯里有四个人。在绝大多数的情况下，人们的站位都呈现出一个统一的状况：每个人都占据电梯的一角，而不会有两个人或更多人挤在同一个角落的情况。
【情形2】一个长50米，宽10米的走廊，人们在其中来来往往。行人密度很少的时候，没有什么特别的情况发生。但是，也许是上班的时间快到了，这条走廊的行人密度越来越大。渐渐地，一种秩序会逐渐在走廊中形成：人们自发地形成了4条行人通道。站在走廊的上方看去，你会看到，从左向右的通道和从右向左的通道相互间隔着排列，井然有序。即使队列中偶尔出现一些插队的人，也不会破坏掉这个通道的稳定性。
【情形3】在一个发生火灾的剧场里，人们都急迫地想通过狭窄的逃生通道离开。正常情况下，当人们不急不慢地散步离开剧场时，大概五分钟就可以全部撤离。然而，在紧急的状况下，人们都加快了自己的步伐，试图移动得更快。这时，反常的状况出现了，人们不仅没有更快地撤离，反而移动地更慢了，甚至出现严重的堵塞。几十分钟过去了，仍然有大量的人群没有从场内撤离。
上面的这些情况，都是我们的生活中真实出现的状况。没有人规定我们这样做，这一切完全是自发形成的。你会发现，在这些情况中，人的自由意志似乎不起作用了——就像被某条无形的线牵引着的木偶一样。
以上例子中的行为模式，都来自于近年来发表在顶级学术期刊上的研究成果。其研究范式与研究大量分子运动的“分子动力学”类似，因此得名叫“行人动力学”。
在早期的行人动力学研究中，人群被视为一个整体，其运动被类比于气体或液体的流动。因此，人流的速度是其研究的重点内容。AlGadhi等人提出了一个著名的人流速度迭代公式，并以此成功地解释了在麦加朝圣活动中行人的双向运动状况。
但是，人群毕竟与分子不同：人类会躲避彼此的碰撞，会主动控制自己前进的速度和方向。因此，对整个人群来说，它是不遵循动量守恒以及能量守恒定律的。这些特质都是在宏观模型中所不能描述的。
于是到后期，对行人动力学的研究便转为以微观模型为主。它们以每个单独的个体为研究对象，因此可以对行人的运动进行更加细致和详尽的描述。
以社会力模型为例，简单对其做一个解释。它仍然把行人看作是某种粒子，被众多力场所驱动着移动。与分子动力学不同的是，作为人类的粒子，不仅受到物理上的力作用，而且还要接受到一种叫做“社会作用力”的驱动机制。
所谓的社会作用力是什么呢？它实际上描述的是环境（比如其他行人、街道上的障碍物或者道路的边界等）对行人行为的一种影响。
比如，行人具有与其他人保持一定距离，维持某种“私人领域”的倾向，这种倾向在其移动过程中便会体现为某种对他人的排斥力。我们回忆刚才所提到的“情形1”，其实就是这种排斥力在电梯这一特定场合中的体现。
因此，将众多“社会力”包括在一个统一的运动方程中，便可以大致准确地描述行人的运动状态了——就像牛顿力学所做的那样。
未来的行人动力学
现今的行人动力学仍然在其发展的初始阶段。它只能发现一些非常粗略的运动模式，或得到某些并不精准的结果。这其中有两大瓶颈，一是缺乏大量的对行人运动的有效观测数据，二是缺乏对复杂数学模型的求解手段。
然而，在可以遇见的未来，这些瓶颈都是可以被有效克服的。在今天，我们业已拥有了一个由传感器和通信设施组成的数字神经系统。无数带有GPS定位功能的手机或其他智能穿戴式装备、无处不在的摄像头，以及覆盖全球的数据传输和存储网络，让我们得以掌握和分析大量行人的实时运动数据，它们将丰富和完善行人动力学的各种微观模型，让其可以更为准确的描述人类的运动状态。
另外，一旦量子计算机大规模普及，基于量子算法的强大计算能力将足以求解众多复杂的行人动力学运动方程，从而大大提高我们对行人运动预测的准确度和精密度。
可以预见的是，当行人动力学乃至整个社会物理学发展到和现在的分子动力学一般地成熟时，这个世界的组织形式将发生深刻的变革。
我们先来看一些好的方面。
首先，公共建筑将会设计得更加合理。电影院、会议厅这些人群聚集的场所，其出入口将会严格按照理论计算的最佳方案来分布，确保在发生紧急情况——比如火灾时——人群能及时疏散开，不会发生拥堵或者踩踏等事件。
整个城市的人流密度分布将会精确地计算出来，以便政府完善各种公共设施。比如，在人流容易发生无序和紊乱的区域，设计一些限制性条件，以保证人流的畅通和行人的安全。
其次，通过智能电子设备、个人社交媒体等各种渠道反馈的实时监控数据，再结合之前的历史资料进行分析，对人类行为的短期预测将会顺利实现，一些可能的犯罪或灾难将会被阻止。
事实上，早在2011年，美国加州圣克鲁斯市就引入了一套犯罪预报系统。系统将城市划分为若干相等大小的区域，通过对过去的犯罪数据和模式进行分析，可以粗略地预测出某区域内的犯罪风险高发时段，并提供给警察，作为警方重点巡逻的“热点”。
国内也有学者正在进行根据微博数据来寻找具有强烈负面情绪的个人，并对社会提供其自杀行为的预警信号。在未来，这样的预测将会更加普遍和可靠。
当然，和任何一种科学或技术一样，行人动力学的发展，也会带来一些不可避免的负面效应和社会风险。一种可以想见的直接风险，便来自于与关于行人的实时数据资料的泄露。
数据存储设备被黑客攻破，或者内部人士的有意泄露，除了会对民众的隐私权造成严重的侵害之外，甚至有可能造成与自然灾害或者战争相当的严重后果。例如，在彼时的社会里，有可能会出现一种新的恐怖主义——动力学恐怖主义。
未来的恐怖分子，很可能根本不用任何武器就能对无辜的民众造成大量杀伤——没有炸弹，也没有汽油桶——因此也就很难被识别和阻止，恐怖行动甚至全程都是合法的。
恐怖分子需要掌握大量的行人数据。接着，他们可以在人群密集的场所，在某几个局域的热点上，通过行人动力学的推算，对人群进行某种驱动。比如，在某个地方引发一场争执，或者在另一个地方做出一些引人驻足的怪异举动，在人群中引发某种扰动。
汹涌的人流中，某些特定地点的停滞或阻碍，通过人群的相互作用，其影响不断向周围传递。借助于运动方程中的非线性项，这些扰动将有机会以指数级扩大。如果计算得足够精确，其后果将会是毁灭性的。它可以导致一场严重的踩踏事故，或者引起一场大规模的人群斗殴。
“我们为这起发生在XXX的万人踩踏事件负责。”或许会有这样的声明出现在那时候的自媒体之中。
人流相变理论
当然，科学本身是无罪的，关键是看它掌握在谁的手里。而科学带来的风险和灾难，其最终解决也要依靠科学的进一步发展和突破。
比如，面对这样的恐怖主义的威胁，我们固然可以加强数据的保密性，减小系统风险，但这仍然属于被动防御的范畴，更积极的作为应该是改造行人流本身的特性，让其本身具有更好的稳定性和面对扰动的鲁棒性。
事实上，一个一劳永逸的方法就是减小行人流的密度，这可以通过加宽道路的宽度、增加分流导流带和通道数量等来实现。
Armin Seyfried博士在2005年的一篇文章中就已经指出，行人的动力学特征与人群密度具有远程关联。这不难理解，因为当人群密度降低后，个体所受到的社会力将大幅度减小，这样人与人之间的相互作用也就逐渐成为了系统的一个小量，甚至可以忽略不计。
如果用套用一个物理学上的类比，当人群密度很大的时候，整个行人流呈现出强关联晶体的复杂电学特性，而当人群密度很小的时候，则呈现为某种无相互作用的自由电子气的特征。通过对人群的密度进行调节，实际上是让整个行人流经历了某种相变——就像沸腾的水，从紧密结合在一起的液体，转变为了彼此分离的气体。
更细致的研究或许会在行人流中找到更多的相，它们或许会被类比命名为“固体人流”、“气体人流”、“液体人流”、“液晶人流”等等，甚至还可以找到一些奇特的非传统物相。
比如完全没有粘滞阻力的“超流态”，在这种情况下，人流对任何扰动都几乎没有响应，也就不用担心恐怖分子别有用心的举动；或者在剪切力下迅速凝固的“非牛顿流体态”，人流会在侧向的压力下瞬间停止运动，这样就阻止了扰动在人群中的传播，切断了风险的指数级增长势头。
我们可以看到，一个简单的行人动力学，在大数据和未来的超级计算机的帮助下，将会给我们的社会带来多么巨大而深刻的变化。而整个社会物理学，也会对社会的经济发展、公共秩序、法律和道德观念带来前所未有的冲击。
例如，通过社会物理学，人们将实现对选举结果的精确预测，甚至某种程度上的操纵。事实上，早期的“传教士模型”就曾经成功模拟了巴西选举的候选人间的投票分布，在未来这种预测毫无疑问将更加精准。如何应对飞速发展的社会物理学对人类社会带来的冲击，将在很长时间内成为全体人类所面临的共同挑战。
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📃 | 责编 | 船长
🖋 | 作者 | 刘洋，三维宇宙的物理学博士，主要研究二维量子材料，同时也是一维科幻作家，因为一写起科幻小说来，周围的空间就不存在了，只剩下时间这一根轴。已出版科幻小说集《完美末日》《蜂巢》。
👁 | 插图 | 老墨，本名王馨墨，89年生，中国美术学院影视系研究生在读。影视美术师，自由插画师，纪录片导演。插画在我的生活里更像是一种对情绪、脑洞以及各种印象的记录和宣泄，它不仅是一个不断了解自己的过程。更是真爱和可以走的很远的一条路。
👁🗨 | 题图 | 二向箔管理员