1998年前技能顾问汉克•埃斯金发起了一项追寻美元钞票的项目。经过“乔治在哪里?”的建议,美元被贴上了关于钱银盯梢项目的信息,并指示人们在上交钱银之前,将他们的邮政编码和在邮资账单上找到的序列号输入数据库。追寻这些美钞是对人类游览方式和“杂乱体系”的前期研讨。

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杂乱体系通常是一个含糊的概念,整个研讨会都致力于界说这个术语。可是,简略地说,一个杂乱的体系是由许多部分组成的任何东西,这些部分以这样一种办法相互作用,以致于体系的全体行为完全依赖于相互作用,并且不同于部分的总和。

杂乱的体系包含金融商场,大街网络,乃至人类的大脑,由一个神经元体系组成,一起作业,让一个人考虑,作出决定,并履行日常使命。罗切斯特大学(University of Rochester)研讨杂乱体系的物理学助理教授古拉布•戈沙尔(Gourab Ghoshal)表明:当你想到人脑或股市之类的东西时,举例来说,商场的存在只是是由于生意的互动。假如只需一个买卖员,就没有商场。假如你只需一个神经元,那就没有大脑。现在,越来越多的数字痕迹为戈沙尔和他的实验室成员等研讨人员供给了难以置信的许多数据,用于杂乱体系的研讨。

经过GPS定位盯梢、Foursquare等运用程序的报到、Twitter帖子的地舆查找,以及在某些状况下,经过手机的通话数据记载,他们能够比以往任何时候都更精确地发现人类移动、交通和疾病开展的方式。但可用数据的数量也意味着,新式杂乱体系范畴能够在没有一些束缚的状况下被吞没。Ghoshal说:将从数以千万计的数据点订单变成数以百万计的订单,当你改变了份额,简略的画图办法就不管用了,需求法令来规矩数据怎样交互,这便是物理学的切入点

杂乱体系的物理学

在《物理陈述》和《天然通讯》上宣布的一系列论文中,戈沙尔和实验室的成员们用科学来解开杂乱体系和网络。研讨作业扩展到三个首要的分支:人类动力学和行为;城市体系与城市科学和交际网络。运用物理和数学的普遍规律,他们能够树立根底模型,其他研讨人员,如经济学家或城市规划者,能够在此根底上引进更杂乱的变量。戈沙尔实验室的博士后研讨员雨果·巴伯萨(Hugo Barbosa)说:物理学家和核算机科学家看待问题的办法是不同的。物理学家更感兴趣的是根本规矩,是普遍存在的东西,而不是整体。

他们期望了解这些模型的根本组成部分,并使这些组成部分尽或许地通用和通用。幻想一下,例如,你想弄清楚人们在学校里是怎样走路的。处理这个问题的一种办法是搜集关于学校里每个人的一切或许数据:他们早上吃了什么,他们在什么时候上什么课,他们的朋友是谁,学校里的修建在哪里等等。首要,搜集一切这些数据简直是不或许的,此外,你也无法将相同的定论运用到人们在其他学校走路的办法上,修建不同,地舆位置也不同。处理这个问题的第二种办法包含运用Ghoshal和实验室成员所运用的办法:将一个体系提炼为it根底,并运用物理、数学和核算学。

有几个根本要素适用于简直一切的状况下,人们移动。人们想要向某个方向运动(物理学家称之为漂移速度)。他们不想撞到其他人、修建物或其他物体——这显现了所谓的排斥力。它们或许看起来很简略,但只需有这些根本元素,就能或多或少地重现地球上任何地方的行人行为。有许多要素在起作用,比方文明要素,但现在你有了一个根底,包含在这些根本要素中。例如,从A点移动到B点的人数,也与间隔的平方成反比,这相似于重力。流量与间隔有关(你游览的时刻越长,你就越不或许去游览),但也与人口有关,这与质量相似。有时候,物理学家对尘埃粒子在室内运动的考虑办法也相同适用于人类。

将物理学运用于ICT数据

戈沙尔现在的研讨运用信息和通讯技能(ICT)数据将物理规矩运用于城市体系和城市。这些数据使他的团队能够提醒城市安排结构的方式,以及人类活动的动态及其对土地运用、交通规划、流行病传达、社会经济目标和可持续性的影响。研讨人员有必要签署保密协议才干运用这些数据,并且数据有隐私和加密层,所以不或许追寻数据指向任何一个特定的人。数据或许包含推特上的地舆标签戳,显现推特用户地舆位置的人口普查数据,显现人们搬迁到哪里的人口普查数据,以及显现轿车抵达预订目的地的速度和司机挑选路途的GPS数据

包含最短的间隔、更少的交通、更美丽的景色等等。物理学博士生苏伦德拉·哈扎里(Surendra Hazarie)进行的一个项目运用这些数据来研讨城市的种族隔离方式,包含收入、种族或其他特征。经过调查不同区域城市人口活动的办法,能够研讨这些人口在重要方面的散布办法,或许较殷实的社区倾向于把自己关闭起来,诸如此类。Ghoshal和团队的其他成员运用ICT数据来开发特定的目标,界说城市居民怎样在城市中导航。例如,他们的“内涵度目标”显现,当人们在城市中穿行时,他们倾向于被社会经济中心所招引。

研讨人员发现,贫穷要素与城市的社会经济开展水平、根底设施建造水平、死亡率和死亡率密切相关。高水平的贫穷往往伴跟着低水平的开展,由于城市在开展的过程中只需一个城市中心。相反,兴旺城市有多个社会经济中心,城市贫穷程度往往较低或核算含义不明显。这种‘招引力’的存在与否,能够作为一个城市开展的前史目标。只是经过调查一个城市的居民样本,一个城市就能通知你许多关于这个城市的安排以及它是怎样开展,至少从根底设施的视点来看是这样。另一个衡量标准是“中心性中心性”,成为中心便是在许多工作之间。

举个比方,假如在一个坐落许多路途之间的区域,比方罗切斯特邻近的布莱顿的“十二角区”,或许华盛顿特区的一个交通圈-中心会有更高的中心性。与直觉相反,跟着联络的增加——无论是经过更多的路途、自行车道,仍是大脑中的神经元——人与信息的活动形成了一种空间依赖性,交通拥堵朝着城市中心开展。这就意味着,比起只是修建更多的路途,建造多种交通办法的多式联运体系更有利于大都市区域开展。

跨学科协作

像“内”和“间”这样的要素能够经过给城市规划者供给世界上任何地方都能够运用积木来协助他们了解状况。但是,巴伯萨表明,最终目标并不是完全改造现有的城市或修建。更重要的是怎样运用这些常识,例如,进步交通讯号灯的同步,假如发作事端,将人流分流到城市的不同区域?怎样促进和促进削减种族隔离?怎样才干协助防备疾病在现有机场或医院的传达?为此,戈沙尔和实验室成员与大学各个学科的研讨人员协作。克里斯汀·布什·马歇尔(Kristen Bush Marshall)是医学中心医学教授马丁·赞德(Martin Zand)实验室的博士后助理,曾与戈沙尔协作进行杂乱体系研讨。

马歇尔运用电子健康记载中的匿名兼并数据来构建医院移动网络。运用这些网络,她期望为困难梭菌在医院病房的传达拟定一个“危险目标”。了解人和地址之间的联络,并经过网络中心剖析这些联系,有助于猜测模型以传核算算办法无法完成的办法进行猜测。网络科学改变了咱们看待患者在医院活动的办法,并协助咱们开发东西来改进患者的预后,削减感染的传达。Ghoshal和团队还与Asaro-Biggar(1992年)核算机科学家庭助理教授Ehsan Hoque以及他的人类核算交互小组协作,运用Hoque的公共讲演东西RocSpeak,剖析履行特定使命团队的功率和组成。

未来其他项目包含制作疾病的后续影响图,比方埃博拉危机后非洲人口的活动,或许叙利亚抵触对跨境活动的影响。运用物理原理和触及不同范畴研讨能够供给重要的见地,Ghoshal说咱们达到了一个重要的里程碑:现在全球超越一半的人口居住在城市中心,估计这一趋势将以指数方式继续下去。了解是什么让城市体系工作,以及怎样让它们可持续开展,或许是21世纪最重要的问题之一。处理这一杂乱问题的仅有办法是将东西、买卖和来自不同研讨布景的见地结合起来。

博科园-科学科普|研讨/来自: 罗彻斯特大学

参阅期刊文献:《Physics Reports》,《Nature Communications》

DOI: 10.1016/j.physrep.2018.01.001

DOI: 10.1038/s41467-017-02374-7

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