Versteckte Ordnung in chaotischen Massen

Haben Sie sich schon einmal gefragt, woher Fußgänger „wissen“, dass sie in die Fahrspur geraten, wenn sie sich durch eine Menschenmenge bewegen, ohne dass darüber gesprochen oder auch nur bewusst nachgedacht wird?

Eine neue Theorie, die von Mathematikern der University of Bath unter der Leitung von Professor Tim Rogers entwickelt wurde, erklärt dieses Phänomen und kann vorhersagen, wann Fahrspuren sowohl gekrümmt als auch gerade sein werden. Die Theorie kann sogar die Neigung einer schiefen Fahrspur beschreiben, wenn Menschen die Gewohnheit haben, eher auf der einen als auf der anderen Seite zu überholen (z. B. in einer Situation, in der sie oft daran erinnert werden, „rechts zu überholen“).

Diese mathematische Analyse vereint widersprüchliche Standpunkte zum Ursprung der Spurbildung und enthüllt eine neue Klasse von Strukturen, die im täglichen Leben möglicherweise unbemerkt bleiben. Die Entdeckung, berichtet in Wissenschaftstellt einen großen Fortschritt in der interdisziplinären Wissenschaft der „aktiven Materie“ dar – der Untersuchung des Gruppenverhaltens in interagierenden Populationen, deren Größenordnung von Bakterien bis zu Tierherden reicht.

In Arenen getestet

Um ihre Theorie zu testen, baten die Forscher eine Gruppe von Freiwilligen, über eine experimentelle Arena zu gehen, die verschiedene Layouts nachahmte, mit Änderungen an Eingangs- und Ausgangstoren.

Eine Arena wurde im Stil der King’s Cross Station in London aufgebaut. Als sich die Forscher das Videomaterial des Experiments ansahen, beobachteten sie, wie mathematische Muster im wirklichen Leben Gestalt annahmen.

Professor Rogers sagte: „Auf den ersten Blick mag eine Menge von Fußgängern, die versuchen, durch zwei Tore zu gehen, ungeordnet erscheinen, aber wenn Sie genauer hinschauen, sehen Sie die verborgene Struktur. Je nach Anordnung des Raums können Sie entweder die klassische Gerade beobachten Bahnen oder komplexere gekrümmte Muster wie Ellipsen, Parabeln und Hyperbeln.“

Spurbildung

Die an belebten Zebrastreifen gebildeten Kolonnenzüge sind nur ein Beispiel für die Bildung von Fahrspuren, und diese Studie wird wahrscheinlich Auswirkungen auf eine Reihe von wissenschaftlichen Disziplinen haben, insbesondere in den Bereichen Physik und Biologie. Ähnliche Strukturen können auch von unbelebten Molekülen wie geladenen Teilchen oder Organellen in einer Zelle gebildet werden.

Bisher haben Wissenschaftler mehrere unterschiedliche Erklärungen dafür gegeben, warum sich Menschenmassen und andere aktive Systeme auf natürliche Weise selbst in Bahnen organisieren, aber keine dieser Theorien wurde verifiziert. Das Bath-Team verwendete einen neuen analytischen Ansatz, der von Albert Einsteins Theorie der Brownschen Bewegung inspiriert wurde und Vorhersagen macht, die getestet werden können.

Ermutigt durch die Art und Weise, wie ihre Theorie mit den numerischen Simulationen kollidierender Teilchen übereinstimmte, taten sie sich dann mit Professor Bogdan Bacik zusammen – einem Experimentalwissenschaftler von der Akademie für Leibeserziehung in Katowice, Polen – und führten eine Reihe von Experimenten durch (wie das nachgebildete King’s Cross) mit Menschenmassen.

Der Hauptautor Dr. Karol Bacik sagte: „Die Spurbildung erfordert kein bewusstes Denken – die Teilnehmer des Experiments waren sich nicht bewusst, dass sie sich in wohldefinierten mathematischen Kurven angeordnet hatten.“

„Die Ordnung entsteht spontan, wenn sich zwei Gruppen mit unterschiedlichen Zielen auf engstem Raum kreuzen und versuchen, einen Zusammenstoß zu vermeiden. Die Summe vieler Einzelentscheidungen führt ungewollt zur Bildung von Gassen.“

Die Forscher testeten auch die Auswirkungen von extern auferlegten Verkehrsregeln – sie wiesen nämlich die Teilnehmer an, andere rechts zu überholen. In Übereinstimmung mit der theoretischen Vorhersage änderte das Hinzufügen dieser Regel die Spurstruktur.

„Wenn Fußgänger Rechtsabbieger bevorzugen, neigen sich die Fahrspuren und dies führt zu Frustration, die die Menschen verlangsamt“, sagte Dr. Bacik.

„Was wir entwickelt haben, ist eine saubere mathematische Theorie, die die Neigung zur Spurbildung in jedem gegebenen System vorhersagt“, sagte Professor Rogers. „Wir wissen jetzt, dass viel mehr Strukturen existieren als bisher angenommen.“