人潮汹涌化“群旋”？科学家揭秘大型人群的“集群涡旋”之谜

摘要：

人潮汹涌时，混乱背后是否隐藏着秩序？最新研究揭示了一个令人惊叹的现象：当人群密度达到临界值，会自发形成有节奏的“集群涡旋”！这项发表在《自然》杂志上的开创性成果颠覆了我们对密集人群的传统认知。科学家们独辟蹊径，将人群视为“活性连续介质”，创新性地引入“奇异摩擦力”模型，揭示了这种集群旋转现象背后的物理机制。这一发现不仅拓展了复杂系统科学的边界，更为预防人群踩踏事故提供了全新视角，展现了看似混沌世界中的和谐规律。

你是否曾置身于人山人海之中？无论是激情澎湃的音乐节、扣人心弦的体育赛事，还是熙熙攘攘的节庆庙会，当成千上万的人们汇聚在一起，摩肩接踵，人声鼎沸，那种既令人兴奋又略感不安的氛围，你一定不会陌生。我们通常认为，如此庞大而密集的人群，其运动状态必然是杂乱无章、难以预测的。然而，最近发表在《自然》杂志上的一项研究却揭示了一个惊人的真相：即使在最拥挤混乱的人群中，也可能自发地涌现出有序的集群行为——有节奏的“集群涡旋”！

这项由法国和西班牙科学家组成的国际团队完成的开创性研究，将目光聚焦于西班牙潘普洛纳奔牛节的开幕式。每年7月6日正午，数千名狂欢者会涌入市政广场，共同迎接节日的到来。科学家们连续多年，在高处架设摄像机，细致地记录下开幕式前广场上密集人群的动态，如同侦探般，试图从看似无序的人群运动中，寻觅出隐藏的规律。

人潮汹涌的奔牛节开幕式

开幕前57 分 15 秒的人群特写。绿色圆点显示了节日参与者头部的位置。

开幕前 30 秒的人群特写。人群密度显著增加

开幕前57 分 15 秒（左）和开幕前 30 秒（右）的两个局部密度图快照。白色区域对应视野被建筑物、旗帜和气球遮挡的区域

开幕前57 分 15 秒（左）和开幕前 30 秒（右）的两个人群中自发流动局部方向图。很明显当人群密度提高时，自发地形成了宏观尺度的同向运动

人群并非**“一盘散沙”，而是“自组织流体”**

长期以来，我们对人群运动的理解，很大程度上依赖于简化的“行人动力学模型”（pedestriandynamics model）。这些模型通常基于个体之间的简单交互规则，例如社会力模型（social force model）等，在模拟小规模人群的疏散、通行等行为时，取得了一定的进展。然而，当人群规模急剧膨胀至数千人，密度逼近极限时，这些模型便显得捉襟见肘，难以解释大规模人群涌现出的复杂集群行为。更关键的是，由于大型人群聚集的潜在风险，科学家们一直缺乏安全可控的实验环境，来深入研究密集人群的动力学，这使得我们对密集人群的集群行为知之甚少。

幸运的是，奔牛节开幕式，恰好提供了一个独一无二的、可重复的“大型人群实验室”。每年，成千上万的民众自发地、在相似的时间和地点汇聚，人群密度由稀疏逐渐升高，直至达到极限。科学家们得以安全地、反复地观察和记录这种极端拥挤环境下的“人群动力学”，为揭开密集人群集群行为的神秘面纱，提供了前所未有的实验机会。

惊人发现：人群自发**“画圈”，涌现“集群涡旋”**

通过对多年积累的大量高清视频数据进行精细的分析，科学家们收获了令人震撼的发现：当广场上的人群密度逐渐攀升，当平均密度突破每平方米4人时，原本看似各自为政、漫无目的的人群，骤然间开始展现出一种奇特的集群运动模式——自发的、有节奏的“集群涡旋”！

人群中形成的多个“涡旋”运动轨迹

更准确地说，并非仅仅形成“一个”巨大的漩涡，而是在人群中涌现出多个宏观尺度上的、具有“手性”（chiral）特征的集群运动区域。想象一下，平静的湖面在不同区域同时出现多个旋涡，彼此独立又相互影响。在密集的人群中，就发生了类似的奇观！数十甚至数百人，在没有任何外部指挥或引导的情况下，出人意料地开始在各自的区域内进行类似涡旋的集群运动。

更令人称奇的是，这些“涡旋”运动并非杂乱无章的“乱转”，而是呈现出明显的周期性，仿佛密集的人群变成了一个个“人体节拍器”，以大约18秒的周期，在各自的区域内进行着有节奏的集群回旋。 进一步的分析揭示，这种周期性的回旋运动，主要体现在人群运动方向的规律性变化上，而人群的运动速度大小则相对稳定，呈现出“定向旋转而非速度快慢变化”的特点。这意味着，人群并非在原地打转，而是在各自的区域内，沿着大致环形的轨道进行环流运动。

这种运动的周期远远超出人体自身运动的时间尺度，也排除了外部声、光等信号的驱动，无可辩驳地证明，这是一种人群集群涌现的宏观行为。 仿佛密集的人群，变成了一种“自组织流体”，能自发地在不同区域形成大型的涡旋结构，如同无数个“迷你龙卷风”在人群中同时诞生，共同谱写出一曲令人惊叹的集群运动交响曲！

为验证这一惊人发现的普遍性，科学家们并没有止步于奔牛节的人群。他们将目光转向了2010年德国“爱的大游行”（Love Parade）惨案的公开视频资料。这场灾难曾造成多人伤亡，并一度被认为是“人群湍流”失控的悲剧。然而，当科学家们运用相同的分析方法，对“爱的大游行”的视频进行深入剖析时，他们再次发现了惊人的相似之处：在惨案发生前，极度拥挤的人群中，同样出现了与奔牛节人群极为相似的手性“涡旋”现象！ 这强有力地印证了，即使是在极端拥挤、最终酿成悲剧的人群事件中，人群的运动也并非完全是无序的“混沌”，而是可能存在着可以被识别和预测的有序模式。

物理模型揭秘“集群涡旋”的内在动力

为了深入探究这种集群“涡旋”现象背后的物理机制，科学家们摒弃了传统的、基于个体行为规则的建模思路，而是独辟蹊径，从更宏观的物理视角出发，基于对称性原理，构建了一个全新的人群运动力学理论模型。

这个模型将高度密集的的人群视为一种“活性连续介质”（active continuum medium），类似于活性凝胶或生物组织，并创新性地引入了“奇摩擦力”（oddfriction）的概念。模型认为，人群的运动受到来自地面和周围环境的摩擦力影响，但这种摩擦力并非我们日常认知的“被动摩擦力”，而是一种能够主动做功的“活性摩擦力”，它能够将人群自身的能量转化为定向的推进力。

模型进一步揭示，正是这种“奇摩擦力”与人群所处的“限制空间”（例如广场的边界）相互作用，相互耦合，共同驱动了人群发生了一种非平衡态的相变，最终导致了集群手性涡旋的自发涌现。 形象地说，就像一个被约束在容器中的活性流体，在特定的参数条件下，会自发地形成宏观的漩涡状流动模式。

这个理论模型不仅能解释奔牛节开幕式的实验观测结果，也能出色地解释“爱的大游行”视频中观察到的现象。通过数值模拟，模型还成功地重现了实验中观察到的各种人群动力学特征，例如涡旋的旋转频率、运动幅度、频谱特征等，有力地证明了理论模型的有效性和普适性。

**“**实时监测涡旋频率”：人群安全预警的新策略

这项研究的突破性发现，不仅具有重大的学术价值，更蕴含着重要的现实应用潜力。科学家们敏锐地指出，由于集群涡旋的出现是一个非常显著且可早期探测的信号，通过实时监测人群运动的频谱特征，特别是“涡旋”旋转频率的变化，可以有效地预测和预警大型人群中可能发生的危险集群运动，例如人群踩踏事故。

因为研究表明，在人群开始发生大规模、失控的位移之前，集群涡旋现象就已经悄然出现，而且可以通过相对简单的频谱分析方法进行快速检测，无需依赖复杂的个体追踪算法。这为未来开发更灵敏、更有效的人群安全预警系统，开辟了全新的技术路径，有望在大型活动现场，及早识别和防范人群安全风险，最大限度地避免类似“爱的大游行”的悲剧重演。 想象一下，未来或许可以通过在人群聚集场所部署摄像头，并结合这项研究成果开发的实时分析系统，就能像气象预报一样，提前预警人群安全风险，为大型活动的安保工作提供强有力的科技支撑。

从**“流体”到“人群”：连续介质理论的又一次辉煌**

正如物理学家可以用优雅的流体力学方程，来描述咖啡杯中牛奶与咖啡交融形成的漩涡，而无需追踪每一个咖啡分子的微观运动轨迹一样，科学家们也可以借助宏观的模型，深刻理解大型人群的集群行为，而无需陷入纷繁复杂的个体行为决策细节。

这项研究不仅揭示了大型密集人群中一种意想不到的、高度自组织的集群运动模式——集群涡旋，也为我们理解活性物质、非平衡态物理等前沿科学领域，提供了全新的视角和启示。即使在看似混乱无序的大规模复杂系统中，也可能蕴藏着内在的秩序和规律，等待着我们去发现、去探索、去理解。或许，在人潮汹涌的喧嚣声中，正演奏着一曲我们尚未完全破译的“物理之歌”，而科学家们，正在努力聆听这首来自人群深处的“天籁之音”。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：吴天毅

审核：张江 北京师范大学系统科学学院教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司