摘要：

人潮洶涌時，混亂背后是否隱藏著秩序？最新研究揭示了一個令人驚嘆的現(xiàn)象：當(dāng)人群密度達到臨界值，會自發(fā)形成有節(jié)奏的“集群渦旋”！這項發(fā)表在《自然》雜志上的開創(chuàng)性成果顛覆了我們對密集人群的傳統(tǒng)認知?？茖W(xué)家們獨辟蹊徑，將人群視為“活性連續(xù)介質(zhì)”，創(chuàng)新性地引入“奇異摩擦力”模型，揭示了這種集群旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象背后的物理機制。這一發(fā)現(xiàn)不僅拓展了復(fù)雜系統(tǒng)科學(xué)的邊界，更為預(yù)防人群踩踏事故提供了全新視角，展現(xiàn)了看似混沌世界中的和諧規(guī)律。

你是否曾置身于人山人海之中？無論是激情澎湃的音樂節(jié)、扣人心弦的體育賽事，還是熙熙攘攘的節(jié)慶廟會，當(dāng)成千上萬的人們匯聚在一起，摩肩接踵，人聲鼎沸，那種既令人興奮又略感不安的氛圍，你一定不會陌生。我們通常認為，如此龐大而密集的人群，其運動狀態(tài)必然是雜亂無章、難以預(yù)測的。然而，最近發(fā)表在《自然》雜志上的一項研究卻揭示了一個驚人的真相：即使在最擁擠混亂的人群中，也可能自發(fā)地涌現(xiàn)出有序的集群行為——有節(jié)奏的“集群渦旋”！

這項由法國和西班牙科學(xué)家組成的國際團隊完成的開創(chuàng)性研究，將目光聚焦于西班牙潘普洛納奔牛節(jié)的開幕式。每年7月6日正午，數(shù)千名狂歡者會涌入市政廣場，共同迎接節(jié)日的到來?？茖W(xué)家們連續(xù)多年，在高處架設(shè)攝像機，細致地記錄下開幕式前廣場上密集人群的動態(tài)，如同偵探般，試圖從看似無序的人群運動中，尋覓出隱藏的規(guī)律。

人潮洶涌的奔牛節(jié)開幕式

開幕前57 分 15 秒的人群特寫。綠色圓點顯示了節(jié)日參與者頭部的位置。

開幕前 30 秒的人群特寫。人群密度顯著增加

開幕前57 分 15 秒（左）和開幕前 30 秒（右）的兩個局部密度圖快照。白色區(qū)域?qū)?yīng)視野被建筑物、旗幟和氣球遮擋的區(qū)域

開幕前57 分 15 秒（左）和開幕前 30 秒（右）的兩個人群中自發(fā)流動局部方向圖。很明顯當(dāng)人群密度提高時，自發(fā)地形成了宏觀尺度的同向運動

人群并非**“一盤散沙”，而是“自組織流體”**

長期以來，我們對人群運動的理解，很大程度上依賴于簡化的“行人動力學(xué)模型”（pedestriandynamics model）。這些模型通?；趥€體之間的簡單交互規(guī)則，例如社會力模型（social force model）等，在模擬小規(guī)模人群的疏散、通行等行為時，取得了一定的進展。然而，當(dāng)人群規(guī)模急劇膨脹至數(shù)千人，密度逼近極限時，這些模型便顯得捉襟見肘，難以解釋大規(guī)模人群涌現(xiàn)出的復(fù)雜集群行為。更關(guān)鍵的是，由于大型人群聚集的潛在風(fēng)險，科學(xué)家們一直缺乏安全可控的實驗環(huán)境，來深入研究密集人群的動力學(xué)，這使得我們對密集人群的集群行為知之甚少。

幸運的是，奔牛節(jié)開幕式，恰好提供了一個獨一無二的、可重復(fù)的“大型人群實驗室”。每年，成千上萬的民眾自發(fā)地、在相似的時間和地點匯聚，人群密度由稀疏逐漸升高，直至達到極限。科學(xué)家們得以安全地、反復(fù)地觀察和記錄這種極端擁擠環(huán)境下的“人群動力學(xué)”，為揭開密集人群集群行為的神秘面紗，提供了前所未有的實驗機會。

驚人發(fā)現(xiàn)：人群自發(fā)**“畫圈”，涌現(xiàn)“集群渦旋”**

通過對多年積累的大量高清視頻數(shù)據(jù)進行精細的分析，科學(xué)家們收獲了令人震撼的發(fā)現(xiàn)：當(dāng)廣場上的人群密度逐漸攀升，當(dāng)平均密度突破每平方米4人時，原本看似各自為政、漫無目的的人群，驟然間開始展現(xiàn)出一種奇特的集群運動模式——自發(fā)的、有節(jié)奏的“集群渦旋”！

人群中形成的多個“渦旋”運動軌跡

更準確地說，并非僅僅形成“一個”巨大的漩渦，而是在人群中涌現(xiàn)出多個宏觀尺度上的、具有“手性”（chiral）特征的集群運動區(qū)域。想象一下，平靜的湖面在不同區(qū)域同時出現(xiàn)多個旋渦，彼此獨立又相互影響。在密集的人群中，就發(fā)生了類似的奇觀！數(shù)十甚至數(shù)百人，在沒有任何外部指揮或引導(dǎo)的情況下，出人意料地開始在各自的區(qū)域內(nèi)進行類似渦旋的集群運動。

更令人稱奇的是，這些“渦旋”運動并非雜亂無章的“亂轉(zhuǎn)”，而是呈現(xiàn)出明顯的周期性，仿佛密集的人群變成了一個個“人體節(jié)拍器”，以大約18秒的周期，在各自的區(qū)域內(nèi)進行著有節(jié)奏的集群回旋。 進一步的分析揭示，這種周期性的回旋運動，主要體現(xiàn)在人群運動方向的規(guī)律性變化上，而人群的運動速度大小則相對穩(wěn)定，呈現(xiàn)出“定向旋轉(zhuǎn)而非速度快慢變化”的特點。這意味著，人群并非在原地打轉(zhuǎn)，而是在各自的區(qū)域內(nèi)，沿著大致環(huán)形的軌道進行環(huán)流運動。

這種運動的周期遠遠超出人體自身運動的時間尺度，也排除了外部聲、光等信號的驅(qū)動，無可辯駁地證明，這是一種人群集群涌現(xiàn)的宏觀行為。 仿佛密集的人群，變成了一種“自組織流體”，能自發(fā)地在不同區(qū)域形成大型的渦旋結(jié)構(gòu)，如同無數(shù)個“迷你龍卷風(fēng)”在人群中同時誕生，共同譜寫出一曲令人驚嘆的集群運動交響曲！

為驗證這一驚人發(fā)現(xiàn)的普遍性，科學(xué)家們并沒有止步于奔牛節(jié)的人群。他們將目光轉(zhuǎn)向了2010年德國“愛的大游行”（Love Parade）慘案的公開視頻資料。這場災(zāi)難曾造成多人傷亡，并一度被認為是“人群湍流”失控的悲劇。然而，當(dāng)科學(xué)家們運用相同的分析方法，對“愛的大游行”的視頻進行深入剖析時，他們再次發(fā)現(xiàn)了驚人的相似之處：在慘案發(fā)生前，極度擁擠的人群中，同樣出現(xiàn)了與奔牛節(jié)人群極為相似的手性“渦旋”現(xiàn)象！ 這強有力地印證了，即使是在極端擁擠、最終釀成悲劇的人群事件中，人群的運動也并非完全是無序的“混沌”，而是可能存在著可以被識別和預(yù)測的有序模式。

物理模型揭秘“集群渦旋”的內(nèi)在動力

為了深入探究這種集群“渦旋”現(xiàn)象背后的物理機制，科學(xué)家們摒棄了傳統(tǒng)的、基于個體行為規(guī)則的建模思路，而是獨辟蹊徑，從更宏觀的物理視角出發(fā)，基于對稱性原理，構(gòu)建了一個全新的人群運動力學(xué)理論模型。

這個模型將高度密集的的人群視為一種“活性連續(xù)介質(zhì)”（active continuum medium），類似于活性凝膠或生物組織，并創(chuàng)新性地引入了“奇摩擦力”（oddfriction）的概念。模型認為，人群的運動受到來自地面和周圍環(huán)境的摩擦力影響，但這種摩擦力并非我們?nèi)粘ＵJ知的“被動摩擦力”，而是一種能夠主動做功的“活性摩擦力”，它能夠?qū)⑷巳鹤陨淼哪芰哭D(zhuǎn)化為定向的推進力。

模型進一步揭示，正是這種“奇摩擦力”與人群所處的“限制空間”（例如廣場的邊界）相互作用，相互耦合，共同驅(qū)動了人群發(fā)生了一種非平衡態(tài)的相變，最終導(dǎo)致了集群手性渦旋的自發(fā)涌現(xiàn)。 形象地說，就像一個被約束在容器中的活性流體，在特定的參數(shù)條件下，會自發(fā)地形成宏觀的漩渦狀流動模式。

這個理論模型不僅能解釋奔牛節(jié)開幕式的實驗觀測結(jié)果，也能出色地解釋“愛的大游行”視頻中觀察到的現(xiàn)象。通過數(shù)值模擬，模型還成功地重現(xiàn)了實驗中觀察到的各種人群動力學(xué)特征，例如渦旋的旋轉(zhuǎn)頻率、運動幅度、頻譜特征等，有力地證明了理論模型的有效性和普適性。

**“**實時監(jiān)測渦旋頻率”：人群安全預(yù)警的新策略

這項研究的突破性發(fā)現(xiàn)，不僅具有重大的學(xué)術(shù)價值，更蘊含著重要的現(xiàn)實應(yīng)用潛力?？茖W(xué)家們敏銳地指出，由于集群渦旋的出現(xiàn)是一個非常顯著且可早期探測的信號，通過實時監(jiān)測人群運動的頻譜特征，特別是“渦旋”旋轉(zhuǎn)頻率的變化，可以有效地預(yù)測和預(yù)警大型人群中可能發(fā)生的危險集群運動，例如人群踩踏事故。

因為研究表明，在人群開始發(fā)生大規(guī)模、失控的位移之前，集群渦旋現(xiàn)象就已經(jīng)悄然出現(xiàn)，而且可以通過相對簡單的頻譜分析方法進行快速檢測，無需依賴復(fù)雜的個體追蹤算法。這為未來開發(fā)更靈敏、更有效的人群安全預(yù)警系統(tǒng)，開辟了全新的技術(shù)路徑，有望在大型活動現(xiàn)場，及早識別和防范人群安全風(fēng)險，最大限度地避免類似“愛的大游行”的悲劇重演。 想象一下，未來或許可以通過在人群聚集場所部署攝像頭，并結(jié)合這項研究成果開發(fā)的實時分析系統(tǒng)，就能像氣象預(yù)報一樣，提前預(yù)警人群安全風(fēng)險，為大型活動的安保工作提供強有力的科技支撐。

從**“流體”到“人群”：連續(xù)介質(zhì)理論的又一次輝煌**

正如物理學(xué)家可以用優(yōu)雅的流體力學(xué)方程，來描述咖啡杯中牛奶與咖啡交融形成的漩渦，而無需追蹤每一個咖啡分子的微觀運動軌跡一樣，科學(xué)家們也可以借助宏觀的模型，深刻理解大型人群的集群行為，而無需陷入紛繁復(fù)雜的個體行為決策細節(jié)。

這項研究不僅揭示了大型密集人群中一種意想不到的、高度自組織的集群運動模式——集群渦旋，也為我們理解活性物質(zhì)、非平衡態(tài)物理等前沿科學(xué)領(lǐng)域，提供了全新的視角和啟示。即使在看似混亂無序的大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)中，也可能蘊藏著內(nèi)在的秩序和規(guī)律，等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)、去探索、去理解?；蛟S，在人潮洶涌的喧囂聲中，正演奏著一曲我們尚未完全破譯的“物理之歌”，而科學(xué)家們，正在努力聆聽這首來自人群深處的“天籟之音”。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：吳天毅

審核：張江 北京師范大學(xué)系統(tǒng)科學(xué)學(xué)院教授

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司