Дети двигаются как газ или, в группах, как фазовый переход жидкость-пар, говорится в исследовании

Исследователи из Университета Майами, наблюдая за группами детей в возрасте от двух до четырех лет, впервые зафиксировали фазовый переход «жидкость-пар» в коллективном движении людей. Результаты эксперимента, опубликованные в престижном научном журнале, не только подтверждают фундаментальные физические законы, но и открывают новые перспективы для прогнозирования поведения толпы и распространения инфекций. Вместо стандартного анализа скоростных потоков, ученые сосредоточились на хаотичных, медленных перемещениях, которые ранее оставались за рамками классической физики.

Детский сад как физическая лаборатория: новые фазы движения

В отличие от традиционных исследований, где добровольцев просят двигаться с определенной скоростью, данная работа изучала спонтанное поведение. С помощью системы сверхширокополосной радиочастотной идентификации (UWB-RFID) ученые с высокой точностью отслеживали траектории десятков детей в игровых зонах. Такой подход позволил зафиксировать два принципиально разных состояния системы.

Газовая фаза: свободное перемещение

Когда дети двигались независимо, не взаимодействуя друг с другом, их поведение полностью соответствовало модели идеального газа. Каждый ребенок выступал в роли «молекулы», движущейся хаотично, с распределением скоростей, близким к закону Максвелла-Больцмана. Этот этап характерен для низкой плотности и отсутствия социальных связей.

Фаза сосуществования: капли в потоке

Ключевым открытием стало выявление переходной фазы. При увеличении плотности и снижении скорости (менее 1 м/с) дети начинали формировать спонтанные, динамичные группы. Эти скопления, по сути, являются аналогами «капель жидкости» в газовой среде. Часть детей присоединялась к группе, часть покидала её, создавая эффект испарения и конденсации. Именно этот механизм, как полагают ученые, лежит в основе социального взаимодействия.

От модели к практике: что меняет открытие

Разработанная на основе эмпирических данных статистическая модель позволила построить фазовую диаграмму для коллективного движения людей. Эта диаграмма способна предсказывать, при каких условиях хаотичное движение (газ) перейдет в структурированное (жидкость+пар). Такое понимание критически важно для систем, где социальные связи играют доминирующую роль.

Ранее считалось, что коллективное поведение людей в толпе подчиняется законам гидродинамики. Однако данные исследования показывают, что при низких скоростях и высокой социальной связанности (например, на конференциях, в очередях или классах) возникают принципиально иные фазы. Это заставляет пересмотреть подходы к моделированию паники, эвакуации и скоплений на массовых мероприятиях.

Полученные данные имеют прямое прикладное значение. Технология UWB-RFID, апробированная на детях, может быть использована для мониторинга и прогнозирования распространения респираторных инфекций. Понимание того, как формируются устойчивые группы («капли»), позволяет точнее рассчитывать риски заражения в замкнутых пространствах. Кроме того, модель может быть адаптирована для управления роями роботов и изучения социальной физики — области, где законы термодинамики применяются к человеческому поведению.