Открытая лекция профессора Карлоса Гершенсона в Университете ИТМО

Бараны и ворота

В 2015 году испанские физики опубликовали в журнале Physical Review E результаты исследований поведения баранов. Может показаться странным, что в журнале о статистической физике появился такой материал, но ученые изучили систему с бесконечным количеством степеней свободы, а именно проанализировали, как бараны проходят через ворота и образуют при этом заторы. Исследование стало проекцией на поведение толпы людей, которая стремится протиснуться куда-либо сквозь узкий проход. Например, такая ситуация возникает, когда фанаты рок-группы пытаются вырваться из концертного зала на улицу, или когда приходится эвакуировать большое количество людей из самолета.

Карлос Гершенсон подробно рассказал об этой научной работе, поясняя суть феномена «медленнее — значит быстрее». Когда перед баранами открывают дверь к кормушке, голодные животные стремятся попасть в помещение как можно быстрее. Они начинаются толпиться у входа, перепрыгивать друг через друга, толкаться, но к более быстрому перемещению это не приводит. Наоборот: из-за непроизвольных движений в воротах постоянно образуются заторы. Это происходит импульсами, бараны периодически не могут протиснуться в дверь и стопорят движение. Когда они проскальзывают вперед, движение ускоряется, но всего на несколько секунд. Ученые сняли наглядное видео этого процесса.

Но если между дверью и стадом поставить широкое заграждение, чтобы животным приходилось обходить его с двух сторон, скорость их перемещения возрастает. Так бараны распределяются на пути к еде равномернее и уже заторов в самом проходе не создают. Эта закономерность в полной мере подходит и для регулирования спонтанно возникающих людских потоков. Таким образом, узкие проходы в самолете, эта дань легкости судна, способствуют более быстрой эвакуации. Люди просто не смогут толкаться — им не хватит для этого места.

Фантомные пробки и невиновные водители

Существует интересный парадокс: почему-то строительство новых дорог и расширение старых не приводит к уменьшению количества пробок. Наоборот, пробки становятся все длиннее. Иногда затор растягивается на километры без видимых причин прямо посреди скоростной трассы, где нет светофоров. Также в месте скопления автомобилей может не быть аварии, которая по логике и должна собирать перед собой разъяренных водителей. При этом на одной автодороге может быть несколько коротких пробок, которые то появляются, то исчезают. Почему так происходит?

Пробки без очевидных причин исследователи называют «фантомными», пояснил Карлос Гершенсон. Но им легко найти объяснение. Представьте себя на свободной прямой дороге, где нет слишком строгих ограничений скорости. Вы жмете на педаль газа, разгоняете автомобиль, но впереди вдруг появляется другой автомобиль, который едет медленно и не уступает вам место. Вы тормозите. Вас догоняет такой же, как и вы, любитель быстрой езды. За ним — третий лихач, и так далее, пока вы все вместе и не создаете пробку. Возможно, головные машины в этом заторе все-таки быстро вырвутся вперед, а вот тем, кто в хвосте, придется ждать.

И в этой ситуации метод «медленнее — значит быстрее» будет более эффективен. Если бы все водители ехали с примерно одинаковой скоростью, соблюдая дистанцию, то затора бы просто не возникло, и каждый бы доехал быстрее и спокойнее, чем в пробке. Здесь можно посмотреть, как некоторые автомобилисты создают проблемы на дороге: машины ездят по кругу, но автомобили белого цвета постоянно сбрасывают скорость, прерывают равномерность движения и вынуждают тормозить следующие за ними машины.

Весной этого года ученые из MIT предсказали, что самоуправляемые автомобили избавят города от пробок. Эти средства передвижения будут автоматически регулировать дистанцию между собой. Кроме того, им не потребуются светофоры благодаря системе датчиков и компьютерного регулирования трафика.

Вся жизнь — игра

Принцип «медленнее — значит быстрее» работает не только в урбанистике и социологии, но и во многих других областях жизни. В экономике максимальное производство за короткий период времени может привести к тому, что в следующие периоды ее эффективность будет неуклонно падать. Собственно, об этом же нам говорит так называемая концепция мыльного пузыря, когда резкое перепроизводство и обогащение ресурсами приводит к кризису рынков или целых экономических систем.

Также этот метод может применяться для анализа теорий прохождения комбинаторных игр. Это игры, в которых участники видят и осознают как свое положение, так и положение противника, могут вычислять следующие ходы, комбинировать их. При этом исход зачастую зависит от множества вариантов, которые выберут игроки. Например, это такие игры, как шахматы и даже судоку. В них стратегия быстрой атаки не всегда является удачной.

«В применении метода „медленнее — значит быстрее“ важно найти баланс: если вы будете двигаться слишком медленно, то просто упадете. Следует научиться правильно управлять имеющимися ресурсами, чтобы добиться максимальной производительности сложной системы. Кроме того, принцип работает только когда в системах есть нестабильность и перегрузка, то есть когда ее составляющих слишком много и они ведут себя хаотично», — прокомментировал мексиканский ученый.

Также Карлос Гершенсон привел примеры того, как мягкое регулирование таких систем может существенно улучшить условия проживания людей в городах. Например, он рассказал об оптимизации курсирования поездов в метро и работы уличных светофоров. Подробнее об этом можно прочитать здесь.