只有貓才會變成液態？不，人也會 | 劉洋專欄
編者按：為何電梯里，你會自動站在角落？為何地鐵開門的瞬間，你會自覺移到兩側？今天，我們尚且無法成為先知、窺視未來，但或許，我們可以預測人的行為。
心理學家筆下，自由意志會在特定條件下失效，「集體無意識」便是一個例子；但在物理學家眼中，人群可以變成液體、晶體、固體，然後在動力學方程的幫助下，預測下一步行為。《少數派報告》《心理測量者》里的未來並不遙遠，在劉洋老師這篇「大數據與行人動力學」里，「預測未來」已成現實，並掀起社會變革的狂瀾。
從19世紀的歐洲開始，城市化的進展便與犯罪率的上升呈現出明顯的相關性。中國也沒能擺脫這一怪圈。根據一項對中國在20世紀末期城市化水平與犯罪率進行的相關性研究，藉助皮爾遜R係數進行的統計分析表明，兩者的相關係數為0.935，相關性極高。
事實上，如何管理城市這種人口高度密集的特殊區域，降低犯罪率，給人們提供一個更加安定和諧的宜居空間，一直是一個世界性的難題。
有趣的是，2002年在美國上映的科幻電影《少數派報告》為此提供了一個異想天開的解決方案。在電影中，藉助於幾個所謂的「先知」，警方可以預測出罪犯即將犯下的罪行，從而在其犯罪之前就將其逮捕。
另一個與「預言」相關的例子來自於阿西莫夫的著名科幻小說《基地》系列。佔據這個系列小說的核心地位的設定，是一個名為「心理史學」的未來學科，它通過對巨量人類社會的活動數據為基礎進行分析，從中得出普遍的規律，從而可以用來預測人類社會未來的發展。
以上兩個例子分別從微觀和宏觀的角度，設想了對人類行為進行預測的可能性。
很多人或許認為，由於人類具有自主的意志，對人類的行為進行預測是不可能的，更不可能以此為依據，來建立一套預防犯罪的機制。然而，當我們遠眺那些在熙熙攘攘的街道上行進的人群，我們看到的真的是完全無序和隨機的人流嗎？當我們分析基於大數據而產生的關於犯罪的龐大數據時，無法從中抽離出某種特定的模式來嗎？
答案並非如此。
事實上，以人類及其社會為目標，基於自然科學的嚴謹模式進行研究的學科早已存在——那就是所謂的「社會物理學」。其研究的範圍非常廣泛：大至整個社會的網路結構，小至行人或車輛的移動軌跡，都在其囊括之中。
從微觀上來看，人類行為所具有的隨機性和無序性，在深入的挖掘和識別之下，卻可以表現出可認知和可觀控的模式。即便對於個體人類來說，在某些特定的邊界條件下，預測其未來的行為也並非全無可能。例如，其在微觀層面最有代表性的一個分支領域——行人動力學——便是很好的一個例子。
無序人流中的隱藏模式
行人動力學是對人類在公共場所的運動規律進行研究的一個學科，其基本思想是：行人可以看成是牛頓力學中的基本粒子，可以通過廣義的力來對其運動規律進行描述。
在進行具體的解釋之前，我們可以先通過下面四個情形來初步體會一下這種隱藏在人類行為中的規律性。
【情形1】出門坐電梯，剛好電梯里有四個人。在絕大多數的情況下，人們的站位都呈現出一個統一的狀況：每個人都佔據電梯的一角，而不會有兩個人或更多人擠在同一個角落的情況。
【情形2】一個長50米，寬10米的走廊，人們在其中來來往往。行人密度很少的時候，沒有什麼特別的情況發生。但是，也許是上班的時間快到了，這條走廊的行人密度越來越大。漸漸地，一種秩序會逐漸在走廊中形成：人們自發地形成了4條行人通道。站在走廊的上方看去，你會看到，從左向右的通道和從右向左的通道相互間隔著排列，井然有序。即使隊列中偶爾出現一些插隊的人，也不會破壞掉這個通道的穩定性。
【情形3】在一個發生火災的劇場里，人們都急迫地想通過狹窄的逃生通道離開。正常情況下，當人們不急不慢地散步離開劇場時，大概五分鐘就可以全部撤離。然而，在緊急的狀況下，人們都加快了自己的步伐，試圖移動得更快。這時，反常的狀況出現了，人們不僅沒有更快地撤離，反而移動地更慢了，甚至出現嚴重的堵塞。幾十分鐘過去了，仍然有大量的人群沒有從場內撤離。
上面的這些情況，都是我們的生活中真實出現的狀況。沒有人規定我們這樣做，這一切完全是自發形成的。你會發現，在這些情況中，人的自由意志似乎不起作用了——就像被某條無形的線牽引著的木偶一樣。
以上例子中的行為模式，都來自於近年來發表在頂級學術期刊上的研究成果。其研究範式與研究大量分子運動的「分子動力學」類似，因此得名叫「行人動力學」。
▲ 插畫師：老墨
在早期的行人動力學研究中，人群被視為一個整體，其運動被類比於氣體或液體的流動。因此，人流的速度是其研究的重點內容。AlGadhi等人提出了一個著名的人流速度迭代公式，並以此成功地解釋了在麥加朝聖活動中行人的雙向運動狀況。
但是，人群畢竟與分子不同：人類會躲避彼此的碰撞，會主動控制自己前進的速度和方向。因此，對整個人群來說，它是不遵循動量守恆以及能量守恆定律的。這些特質都是在宏觀模型中所不能描述的。
於是到後期，對行人動力學的研究便轉為以微觀模型為主。它們以每個單獨的個體為研究對象，因此可以對行人的運動進行更加細緻和詳盡的描述。
以社會力模型為例，簡單對其做一個解釋。它仍然把行人看作是某種粒子，被眾多力場所驅動著移動。與分子動力學不同的是，作為人類的粒子，不僅受到物理上的力作用，而且還要接受到一種叫做「社會作用力」的驅動機制。
所謂的社會作用力是什麼呢？它實際上描述的是環境（比如其他行人、街道上的障礙物或者道路的邊界等）對行人行為的一種影響。
比如，行人具有與其他人保持一定距離，維持某種「私人領域」的傾向，這種傾向在其移動過程中便會體現為某種對他人的排斥力。我們回憶剛才所提到的「情形1」，其實就是這種排斥力在電梯這一特定場合中的體現。
因此，將眾多「社會力」包括在一個統一的運動方程中，便可以大致準確地描述行人的運動狀態了——就像牛頓力學所做的那樣。
未來的行人動力學
現今的行人動力學仍然在其發展的初始階段。它只能發現一些非常粗略的運動模式，或得到某些並不精準的結果。這其中有兩大瓶頸，一是缺乏大量的對行人運動的有效觀測數據，二是缺乏對複雜數學模型的求解手段。
然而，在可以遇見的未來，這些瓶頸都是可以被有效克服的。在今天，我們業已擁有了一個由感測器和通信設施組成的數字神經系統。無數帶有GPS定位功能的手機或其他智能穿戴式裝備、無處不在的攝像頭，以及覆蓋全球的數據傳輸和存儲網路，讓我們得以掌握和分析大量行人的實時運動數據，它們將豐富和完善行人動力學的各種微觀模型，讓其可以更為準確的描述人類的運動狀態。
另外，一旦量子計算機大規模普及，基於量子演算法的強大計算能力將足以求解眾多複雜的行人動力學運動方程，從而大大提高我們對行人運動預測的準確度和精密度。
可以預見的是，當行人動力學乃至整個社會物理學發展到和現在的分子動力學一般地成熟時，這個世界的組織形式將發生深刻的變革。
我們先來看一些好的方面。
首先，公共建築將會設計得更加合理。電影院、會議廳這些人群聚集的場所，其出入口將會嚴格按照理論計算的最佳方案來分布，確保在發生緊急情況——比如火災時——人群能及時疏散開，不會發生擁堵或者踩踏等事件。
整個城市的人流密度分布將會精確地計算出來，以便政府完善各種公共設施。比如，在人流容易發生無序和紊亂的區域，設計一些限制性條件，以保證人流的暢通和行人的安全。
其次，通過智能電子設備、個人社交媒體等各種渠道反饋的實時監控數據，再結合之前的歷史資料進行分析，對人類行為的短期預測將會順利實現，一些可能的犯罪或災難將會被阻止。
事實上，早在2011年，美國加州聖克魯斯市就引入了一套犯罪預報系統。系統將城市劃分為若干相等大小的區域，通過對過去的犯罪數據和模式進行分析，可以粗略地預測出某區域內的犯罪風險高發時段，並提供給警察，作為警方重點巡邏的「熱點」。
國內也有學者正在進行根據微博數據來尋找具有強烈負面情緒的個人，並對社會提供其自殺行為的預警信號。在未來，這樣的預測將會更加普遍和可靠。
當然，和任何一種科學或技術一樣，行人動力學的發展，也會帶來一些不可避免的負面效應和社會風險。一種可以想見的直接風險，便來自於與關於行人的實時數據資料的泄露。
數據存儲設備被黑客攻破，或者內部人士的有意泄露，除了會對民眾的隱私權造成嚴重的侵害之外，甚至有可能造成與自然災害或者戰爭相當的嚴重後果。例如，在彼時的社會裡，有可能會出現一種新的恐怖主義——動力學恐怖主義。
未來的恐怖分子，很可能根本不用任何武器就能對無辜的民眾造成大量殺傷——沒有炸彈，也沒有汽油桶——因此也就很難被識別和阻止，恐怖行動甚至全程都是合法的。
恐怖分子需要掌握大量的行人數據。接著，他們可以在人群密集的場所，在某幾個局域的熱點上，通過行人動力學的推算，對人群進行某種驅動。比如，在某個地方引發一場爭執，或者在另一個地方做出一些引人駐足的怪異舉動，在人群中引發某種擾動。
洶湧的人流中，某些特定地點的停滯或阻礙，通過人群的相互作用，其影響不斷向周圍傳遞。藉助於運動方程中的非線性項，這些擾動將有機會以指數級擴大。如果計算得足夠精確，其後果將會是毀滅性的。它可以導致一場嚴重的踩踏事故，或者引起一場大規模的人群鬥毆。
「我們為這起發生在XXX的萬人踩踏事件負責。」或許會有這樣的聲明出現在那時候的自媒體之中。
▲ 插畫師：老墨
人流相變理論
當然，科學本身是無罪的，關鍵是看它掌握在誰的手裡。而科學帶來的風險和災難，其最終解決也要依靠科學的進一步發展和突破。
比如，面對這樣的恐怖主義的威脅，我們固然可以加強數據的保密性，減小系統風險，但這仍然屬於被動防禦的範疇，更積極的作為應該是改造行人流本身的特性，讓其本身具有更好的穩定性和面對擾動的魯棒性。
事實上，一個一勞永逸的方法就是減小行人流的密度，這可以通過加寬道路的寬度、增加分流導流帶和通道數量等來實現。
Armin Seyfried博士在2005年的一篇文章中就已經指出，行人的動力學特徵與人群密度具有遠程關聯。這不難理解，因為當人群密度降低後，個體所受到的社會力將大幅度減小，這樣人與人之間的相互作用也就逐漸成為了系統的一個小量，甚至可以忽略不計。
如果用套用一個物理學上的類比，當人群密度很大的時候，整個行人流呈現出強關聯晶體的複雜電學特性，而當人群密度很小的時候，則呈現為某種無相互作用的自由電子氣的特徵。通過對人群的密度進行調節，實際上是讓整個行人流經歷了某種相變——就像沸騰的水，從緊密結合在一起的液體，轉變為了彼此分離的氣體。
更細緻的研究或許會在行人流中找到更多的相，它們或許會被類比命名為「固體人流」、「氣體人流」、「液體人流」、「液晶人流」等等，甚至還可以找到一些奇特的非傳統物相。
比如完全沒有粘滯阻力的「超流態」，在這種情況下，人流對任何擾動都幾乎沒有響應，也就不用擔心恐怖分子別有用心的舉動；或者在剪切力下迅速凝固的「非牛頓流體態」，人流會在側向的壓力下瞬間停止運動，這樣就阻止了擾動在人群中的傳播，切斷了風險的指數級增長勢頭。
我們可以看到，一個簡單的行人動力學，在大數據和未來的超級計算機的幫助下，將會給我們的社會帶來多麼巨大而深刻的變化。而整個社會物理學，也會對社會的經濟發展、公共秩序、法律和道德觀念帶來前所未有的衝擊。
例如，通過社會物理學，人們將實現對選舉結果的精確預測，甚至某種程度上的操縱。事實上，早期的「傳教士模型」就曾經成功模擬了巴西選舉的候選人間的投票分布，在未來這種預測毫無疑問將更加精準。如何應對飛速發展的社會物理學對人類社會帶來的衝擊，將在很長時間內成為全體人類所面臨的共同挑戰。
?? | 關鍵詞 | #行為預測# #行人動力學# #劉洋專欄#
??| 責編 | 船長
?? | 作者 | 劉洋，三維宇宙的物理學博士，主要研究二維量子材料，同時也是一維科幻作家，因為一寫起科幻小說來，周圍的空間就不存在了，只剩下時間這一根軸。已出版科幻小說集《完美末日》《蜂巢》。
?? | 插圖 | 老墨，本名王馨墨，89年生，中國美術學院影視系研究生在讀。影視美術師，自由插畫師，紀錄片導演。插畫在我的生活里更像是一種對情緒、腦洞以及各種印象的記錄和宣洩，它不僅是一個不斷了解自己的過程。更是真愛和可以走的很遠的一條路。
???? | 題圖 | 二向箔管理員
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