Kan fysikkens love løse trafikpropper op, aktiemarkeder, og andre komplekse systemer?

I 1998 lancerede den tidligere teknikkonsulent Hank Eskin en kampagne for at spore dollarsedler. Gennem "Hvor er George?" initiativ, dollars blev stemplet med meddelelser om valutasporingsprojektet, og folk blev instrueret i at indtaste deres postnumre og serienummeret, der findes på de stemplede regninger, i en database, inden aflevering af valutaen.

Sporing af disse dollarsedler var en tidlig undersøgelse af menneskelige rejsemønstre og "komplekse systemer".

Et komplekst system er et ofte tåget begreb; hele seminarer er afsat til at definere udtrykket. Men, simpelt sagt, et komplekst system er alt, der består af mange dele, der interagerer på en sådan måde, at systemets overordnede adfærd er helt afhængig af interaktionen og er noget anderledes end en sum af delene. Komplekse systemer omfatter finansielle markeder, gade netværk, og endda den menneskelige hjerne, består af et system af neuroner, der arbejder sammen for at give en person mulighed for at tænke, tage beslutninger, og udføre daglige opgaver.

"Når du tænker på ting som den menneskelige hjerne eller aktiemarkedet, markedet, for eksempel, eksisterer kun på grund af samspillet mellem køb og handel, "siger Gourab Ghoshal, en adjunkt i fysik ved University of Rochester, der studerer komplekse systemer. "Hvis du har en erhvervsdrivende, der er intet marked. Hvis du kun har en neuron, der er ingen hjerne. "

I dag, den stigende tilgængelighed af digitale spor giver forskere som Ghoshal og medlemmerne af hans laboratorium en utrolig mængde data til kompleks systemforskning. Brug af GPS -lokaliseringssporing, check-in på apps som Foursquare, geocaching fra Twitter -indlæg, og, under visse omstændigheder, kalde dataregistre fra mobiltelefoner, de er i stand til at finde mønstre i menneskelig mobilitet, Trafik, og sygdomsprogressioner med større nøjagtighed og præcision end nogensinde før. Men mængden af ​​tilgængelige data betyder også, at det voksende felt af komplekse systemer kan overvældes uden nogle begrænsninger.

"Du går fra ordrer på titusinder og hundredvis af datapunkter til ordrer på millioner og milliarder, "Siger Ghoshal." Når du har denne skalaændring, de enkle måder at tegne diagrammer på virker ikke; du har brug for love for at diktere, hvordan dataene interagerer. "

Det er her, fysik kommer ind i billedet.

Fysikken i komplekse systemer

I en række papirer i fysikrapporter og Naturkommunikation , Ghoshal og medlemmer af hans laboratorium brugte videnskab til at fjerne komplekse systemer og netværk. Deres arbejde strækker sig over tre hovedgrene:menneskelig dynamik og adfærd; bysystemer og byvidenskab; og sociale netværk. Anvendelse af de universelle regler for fysik og matematik, de er i stand til at bygge grundlæggende modeller, som andre forskere - såsom økonomer eller byplanlæggere - kan indføre mere komplekse variabler på.

"Der er forskelle mellem den måde, en fysiker ser på et problem i forhold til en datalog, "siger Hugo Barbosa, en postdoktoral forsker i Ghoshals laboratorium, hvis ph.d. er inden for datalogi. "Fysikere er mere interesserede i de grundlæggende regler, de ting, der er universelle, uanset befolkningen. De vil forstå de grundlæggende komponenter i disse modeller og gøre disse komponenter så generelle og universelle som muligt. "

Forestille, for eksempel, du vil finde ud af, hvordan folk går på et campus. En måde at nærme sig dette problem på ville være at indsamle alle mulige data om hver enkelt person på campus:hvad de spiste den morgen, hvilke klasser de har på hvilke tidspunkter, hvem deres venner er, hvor bygningerne er placeret på campus, og så videre.

"Det ville, først og fremmest, være næsten umuligt at indsamle alle disse data, "Siger Ghoshal, "plus du ville ikke være i stand til at anvende de samme konklusioner på den måde, folk går på andre campusser. Bygningerne er forskellige, geografien er anderledes. "

En anden måde at gribe problemet an på er at bruge de metoder, Ghoshal og hans laboratoriemedlemmer anvender:destillering af et system til det grundlæggende og anvendelse af fysik, matematik, og statistik.

Der er et par væsentlige faktorer, der gælder for næsten alle tilfælde, hvor folk bevæger sig. Folk vil bevæge sig i en eller anden retning (hvad fysikere kalder driftshastighed). De vil ikke støde på andre mennesker, eller ind i bygninger eller andre genstande - demonstrerer det, der er kendt som frastødende potentiale.

De kan virke enkle, men med bare disse grundlæggende elementer, "Jeg kan mere eller mindre gengive folks fodgængeradfærd overalt på planeten, "Siger Ghoshal." Der er mange ting, der spiller ind, såsom kulturelle faktorer, men nu har du et fundament at bygge på, indeholdt i disse væsentlige faktorer. "

Antallet af mennesker, der flytter fra sted A til sted B, for eksempel, viser sig også at være omvendt proportional med afstanden i kvadrat, som ligner en tyngdekraft. Strømmen er afhængig af afstand (jo længere du skal rejse, jo mindre sandsynligt er det, at du rejser), men er også en funktion af befolkningen, der ligner masse, Siger Ghoshal. "Sommetider, den måde fysikere tænker på støvpartikler, der bevæger sig i et rum, kan på samme måde anvendes på mennesker. "

Anvendelse af fysik til IKT -data

Ghoshals nuværende forskning anvender fysiske regler til bysystemer og byer ved hjælp af informations- og kommunikationsteknologi (IKT) data. Dataene giver hans gruppe mulighed for at afdække mønstre i byernes organisationsstruktur, såvel som dynamikken i menneskelig bevægelse og dens virkninger på arealanvendelse, transport design, spredning af epidemier, socioøkonomiske indikatorer, og bæredygtighed. Forskere skal underskrive hemmeligholdelsesaftaler for at bruge dataene, og der er lag af privatliv og kryptering, så det er umuligt at spore datapunkter til en bestemt person. Data kan omfatte geotag -stempler på en Tweet, der angiver diskantens geografiske placering, folketællingsdata, der angiver, hvor folk er migreret, og GPS -data, der viser, hvor hurtigt en bil nåede sin påtænkte destination, og hvilken rute føreren valgte - korteste afstand, mindre trafik, mere naturskønne, og så videre.

Et projekt, udført af Surendra Hazarie, en ph.d. -studerende i fysik, bruger dataene til at se på adskillelsesmønstre i byer, langs indkomstlinjer, race, eller andre egenskaber. "Ved at se på, hvordan befolkninger flyder rundt i byer i de forskellige regioner, vi kan undersøge måden, hvorpå disse befolkninger opdeles på vigtige måder, "siger han." Måske har velhavende samfund en tendens til at bokse sig ind og sådan noget. "

Ghoshal og andre medlemmer af hans gruppe bruger IKT -data til at udvikle specifikke metrik, der definerer, hvordan byboere navigerer i en by. Deres "inness metric, " for eksempel, viser, hvordan når folk navigerer i en by, de har en tendens til at trække mod det socioøkonomiske centrum. Forskerne fandt ud af, at innensfaktoren tæt korrelerer med niveauet for en bys socioøkonomiske udvikling, udvikling af infrastruktur, og dødelighed og dødelighed. Høje niveauer af lethed følger ofte med lave udviklingsniveauer, fordi byer i færd med at udvikle kun har ét bycentrum. Omvendt veludviklede byer har flere socioøkonomiske centre, og det indre har en tendens til at være lav eller statistisk ubetydelig.

"Tilstedeværelsen eller fraværet af denne" attraktive kraft "tjener som en historisk indikator for en bys udvikling, "Barbosa siger." Simpelthen ved at se på, hvordan beboerne i en by prøver en by, fortæller dig meget om byens organisation, og hvor udviklet den er, i hvert fald fra en infrastrukturel forstand. "

En anden måling er "mellemheden centralt." At være central er at være mellem mange ting. For eksempel, hvis du befinder dig i et område, der falder mellem mange ruter - siger området Twelve Corners i Brighton, i nærheden af ​​Rochester, eller en cirkel i Washington, D.C. - der vil være en større centralitet mellem hinanden. Modsat, med øget forbindelse - uanset om det er gennem flere veje, cykelstier, eller neuroner i hjernen - strømmen af ​​mennesker og information udvikler en rumlig afhængighed, og trængsel udvikler sig mod byens centrum. Implikationen er, at storbyområder er bedre tjent med at bygge multimodale transportsystemer, der muliggør forskellige former for transport, frem for blot at bygge flere veje.

Tværfaglige partnerskaber

Faktorer som indre og mellemstore kan hjælpe med at informere byplanlæggere ved at give dem byggesten, der kan anvendes overalt i verden. Det endelige mål, imidlertid, ikke er til fuldstændig at revidere eksisterende byer eller strukturer, Siger Barbosa. "Det handler mere om, hvordan vi kan udnytte denne viden til, for eksempel, forbedre synkroniseringen af ​​lyskryds og afvige strømmen af ​​mennesker til et andet område af byen, hvis der sker en ulykke? Hvordan kan vi fremme og fremme reducering af adskillelse? Hvordan kan vi hjælpe med at forhindre spredning af sygdomme i eksisterende lufthavne eller hospitaler? "

Til denne ende, Ghoshal og hans laboratoriemedlemmer samarbejder med forskere inden for discipliner på tværs af universitetet. Kristen Bush Marshall er en postdoktor i Martin Zands laboratorium, professor i medicin på Lægecenteret, og har arbejdet med Ghoshal om kompleks systemforskning. Marshall bruger anonyme sammenlagte data fra elektroniske sundhedsjournaler til at opbygge hospitalsmobilitetsnetværk. Ved hjælp af disse netværk, hun håber at udvikle en "risikomåling" for spredning af C. difficile bakterieinfektioner på hospitalsafdelinger.

"At forstå, hvordan mennesker og steder er forbundet, og analysere disse relationer gennem netværkscentralitet hjælper med at informere mine forudsigelsesmodeller på måder, der ikke ville have været mulige ved hjælp af traditionelle statistiske metoder, "Marshall siger." Netværksvidenskab ændrer den måde, vi ser på patientbevægelser på hospitalet og hjælper os med at udvikle værktøjer til at forbedre patientresultater og reducere spredningen af ​​infektioner. "

Ghoshal og hans gruppe arbejder også med Ehsan Hoque, Asaro-Biggar ('92) familieassistent i datalogi, og hans Human Computing Interaction Group for at analysere effektiviteten og dannelsen af ​​teams, der udfører specifikke opgaver, udnytte Hoques offentlige taleværktøj RocSpeak.

Andre fremtidige projekter omfatter kortlægning af eftervirkninger af sygdom, såsom bevægelse af mennesker i Afrika efter Ebola-krisen eller konsekvenserne af konflikt i Syrien på grænseoverskridende bevægelse. Anvendelse af fysiske principper og inddragelse af undersøgelser fra forskellige domæner kan give vigtig indsigt, Ghoshal siger:"For nylig har vi nåede en vigtig milepæl:over halvdelen af ​​den globale befolkning bor nu i bycentre, og denne tendens forventes at fortsætte eksponentielt. At forstå, hvad der får bysystemer til at krydse af, og hvordan de kan gøres bæredygtige, er måske et af det 21. århundredes vigtigste spørgsmål. Den eneste måde at løse et så komplekst problem på er at kombinere værktøjerne, handler og indsigt fra forskellige forskningsbaggrunde. "