人潮洶湧化“羣旋”？科學家揭祕大型人羣的“集羣渦旋”之謎
摘要：人潮洶湧時，混亂背後是否隱藏着秩序？最新研究揭示了一個令人驚歎的現象：當人羣密度達到臨界值，會自發形成有節奏的“集羣渦旋”！這項發表在《自然》雜誌上的開創性成果顛覆了我們對密集人羣的傳統認知。科學家們獨闢蹊徑，將人羣視爲“活性連續介質”，創新性地引入“奇異摩擦力”模型，揭示了這種集羣旋轉現象背後的物理機制。這一發現不僅拓展了複雜系統科學的邊界，更爲預防人羣踩踏事故提供了全新視角，展現了看似混沌世界中的和諧規律。
關鍵詞：集羣渦旋、人羣動力學、自組織行爲、複雜系統、活性連續介質、安全預警、非平衡態物理、湧現性
你是否曾置身於人山人海之中？無論是激情澎湃的音樂節、扣人心絃的體育賽事，還是熙熙攘攘的節慶廟會，當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。我們通常認爲，如此龐大而密集的人羣，其運動狀態必然是雜亂無章、難以預測的。然而，最近發表在《自然》雜誌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羣中，也可能自發地湧現出有序的集羣行爲——有節奏的“集羣渦旋”！
這項由法國和西班牙科學家組成的國際團隊完成的開創性研究，將目光聚焦於西班牙潘普洛納奔牛節的開幕式。每年7月6日正午，數千名狂歡者會湧入市政廣場，共同迎接節日的到來。科學家們連續多年，在高處架設攝像機，細緻地記錄下開幕式前廣場上密集人羣的動態，如同偵探般，試圖從看似無序的人羣運動中，尋覓出隱藏的規律。
人潮洶湧的奔牛節開幕式
開幕前 57 分 15 秒的人羣特寫。綠色圓點顯示了節日參與者頭部的位置。
開幕前 30 秒的人羣特寫。人羣密度顯著增加
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。白色區域對應視野被建築物、旗幟和氣球遮擋的區域
開幕前 57 分 15 秒（左）和開幕前 30 秒（右）的兩個人羣中自發流動局部方向圖。很明顯當人羣密度提高時，自發地形成了宏觀尺度的同向運動
人羣並非“一盤散沙”，而是“自組織流體”
長期以來，我們對人羣運動的理解，很大程度上依賴於簡化的“行人動力學模型”（pedestrian dynamics model）。這些模型通常基於個體之間的簡單交互規則，例如社會力模型（social force model）等，在模擬小規模人羣的疏散、通行等行爲時，取得了一定的進展。然而，當人羣規模急劇膨脹至數千人，密度逼近極限時，這些模型便顯得捉襟見肘，難以解釋大規模人羣湧現出的複雜集羣行爲。更關鍵的是，由於大型人羣聚集的潛在風險，科學家們一直缺乏安全可控的實驗環境，來深入研究密集人羣的動力學，這使得我們對密集人羣的集羣行爲知之甚少。
幸運的是，奔牛節開幕式，恰好提供了一個獨一無二的、可重複的“大型人羣實驗室”。每年，成千上萬的民衆自發地、在相似的時間和地點匯聚，人羣密度由稀疏逐漸升高，直至達到極限。科學家們得以安全地、反覆地觀察和記錄這種極端擁擠環境下的“人羣動力學”，爲揭開密集人羣集羣行爲的神祕面紗，提供了前所未有的實驗機會。
驚人發現：人羣自發“畫圈”，湧現“集羣渦旋”
通過對多年積累的大量高清視頻數據進行精細的分析，科學家們收穫了令人震撼的發現：當廣場上的人羣密度逐漸攀升，當平均密度突破每平方米4人時，原本看似各自爲政、漫無目的的人羣，驟然間開始展現出一種奇特的集羣運動模式——自發的、有節奏的“集羣渦旋”！
人羣中形成的多個“渦旋”運動軌跡
更準確地說，並非僅僅形成“一個”巨大的漩渦，而是在人羣中湧現出多個宏觀尺度上的、具有“手性”（chiral）特徵的集羣運動區域。想象一下，平靜的湖面在不同區域同時出現多個旋渦，彼此獨立又相互影響。在密集的人羣中，就發生了類似的奇觀！數十甚至數百人，在沒有任何外部指揮或引導的情況下，出人意料地開始在各自的區域內進行類似渦旋的集羣運動。
更令人稱奇的是，這些“渦旋”運動並非雜亂無章的“亂轉”，而是呈現出明顯的週期性，彷彿密集的人羣變成了一個個“人體節拍器”，以大約18秒的週期，在各自的區域內進行着有節奏的集羣迴旋。 進一步的分析揭示，這種週期性的迴旋運動，主要體現在人羣運動方向的規律性變化上，而人羣的運動速度大小則相對穩定，呈現出“定向旋轉而非速度快慢變化”的特點。這意味着，人羣並非在原地打轉，而是在各自的區域內，沿着大致環形的軌道進行環流運動。
這種運動的週期遠遠超出人體自身運動的時間尺度，也排除了外部聲、光等信號的驅動，無可辯駁地證明，這是一種人羣集羣湧現的宏觀行爲。 彷彿密集的人羣，變成了一種“自組織流體”，能自發地在不同區域形成大型的渦旋結構，如同無數個“迷你龍捲風”在人羣中同時誕生，共同譜寫出一曲令人驚歎的集羣運動交響曲！
爲驗證這一驚人發現的普遍性，科學家們並沒有止步於奔牛節的人羣。他們將目光轉向了2010年德國“愛的大遊行”（Love Parade）慘案的公開視頻資料。這場災難曾造成多人傷亡，並一度被認爲是“人羣湍流”失控的悲劇。然而，當科學家們運用相同的分析方法，對“愛的大遊行”的視頻進行深入剖析時，他們再次發現了驚人的相似之處：在慘案發生前，極度擁擠的人羣中，同樣出現了與奔牛節人羣極爲相似的手性“渦旋”現象！ 這強有力地印證了，即使是在極端擁擠、最終釀成悲劇的人羣事件中，人羣的運動也並非完全是無序的“混沌”，而是可能存在着可以被識別和預測的有序模式。
物理模型揭祕“集羣渦旋”的內在動力
爲了深入探究這種集羣“渦旋”現象背後的物理機制，科學家們摒棄了傳統的、基於個體行爲規則的建模思路，而是獨闢蹊徑，從更宏觀的物理視角出發，基於對稱性原理，構建了一個全新的人羣運動力學理論模型。
這個模型將高度密集的的人羣視爲一種“活性連續介質”（active continuum medium），類似於活性凝膠或生物組織，並創新性地引入了“奇摩擦力”（odd friction）的概念。模型認爲，人羣的運動受到來自地面和周圍環境的摩擦力影響，但這種摩擦力並非我們日常認知的“被動摩擦力”，而是一種能夠主動做功的“活性摩擦力”，它能夠將人羣自身的能量轉化爲定向的推進力。
模型進一步揭示，正是這種“奇摩擦力”與人羣所處的“限制空間”（例如廣場的邊界）相互作用，相互耦合，共同驅動了人羣發生了一種非平衡態的相變，最終導致了集羣手性渦旋的自發湧現。 形象地說，就像一個被約束在容器中的活性流體，在特定的參數條件下，會自發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開幕式的實驗觀測結果，也能出色地解釋“愛的大遊行”視頻中觀察到的現象。通過數值模擬，模型還成功地重現了實驗中觀察到的各種人羣動力學特徵，例如渦旋的旋轉頻率、運動幅度、頻譜特徵等，有力地證明了理論模型的有效性和普適性。
“實時監測渦旋頻率”：人羣安全預警的新策略
這項研究的突破性發現，不僅具有重大的學術價值，更蘊含着重要的現實應用潛力。科學家們敏銳地指出，由於集羣渦旋的出現是一個非常顯著且可早期探測的信號，通過實時監測人羣運動的頻譜特徵，特別是“渦旋”旋轉頻率的變化，可以有效地預測和預警大型人羣中可能發生的危險集羣運動，例如人羣踩踏事故。
因爲研究表明，在人羣開始發生大規模、失控的位移之前，集羣渦旋現象就已經悄然出現，而且可以通過相對簡單的頻譜分析方法進行快速檢測，無需依賴複雜的個體追蹤算法。這爲未來開發更靈敏、更有效的人羣安全預警系統，開闢了全新的技術路徑，有望在大型活動現場，及早識別和防範人羣安全風險，最大限度地避免類似“愛的大遊行”的悲劇重演。 想象一下，未來或許可以通過在人羣聚集場所部署攝像頭，並結合這項研究成果開發的實時分析系統，就能像氣象預報一樣，提前預警人羣安全風險，爲大型活動的安保工作提供強有力的科技支撐。
從“流體”到“人羣”：連續介質理論的又一次輝煌
正如物理學家可以用優雅的流體力學方程，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，科學家們也可以藉助宏觀的模型，深刻理解大型人羣的集羣行爲，而無需陷入紛繁複雜的個體行爲決策細節。
這項研究不僅揭示了大型密集人羣中一種意想不到的、高度自組織的集羣運動模式——集羣渦旋，也爲我們理解活性物質、非平衡態物理等前沿科學領域，提供了全新的視角和啓示。即使在看似混亂無序的大規模複雜系統中，也可能蘊藏着內在的秩序和規律，等待着我們去發現、去探索、去理解。或許，在人潮洶湧的喧囂聲中，正演奏着一曲我們尚未完全破譯的“物理之歌”，而科學家們，正在努力聆聽這首來自人羣深處的“天籟之音”。
本文爲科普中國·創作培育計劃扶持作品
作者：吳天毅
審覈：張江 北京師範大學系統科學學院教授
出品：中國科協科普部
監製：中國科學技術出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
