公路上的“幽灵式”堵车

一个方向畅通无阻，另一个方向寸步难行

不知道你是否有过堵车的经历，那种困在车阵中寸步难行的滋味真让人烦躁。很多时候，道路上并没有发生任何事故，似乎是毫无理由地就发生了堵车，这种现象就被称为“幽灵式”堵车。到底怎么回事？其实，和我们所学过的波动大有关联。

早在20世纪50年代，数学家、流体力学家詹姆斯·赖特希尔就已经通过流体力学来考察交通的流向与互相影响。今天的科学家们有了高速计算机的帮助，可以模拟数以千计的虚拟车辆在路上是怎样互相影响的，从这些研究里能找到些线索，帮我们了解堵车这种看起来是随机发生的现象。

交通流和水流有很多相似的地方，也有区别。当车流很稀疏，即车辆密度很低时，车辆速度很快，但车流量却很低；随着车辆密度增加，车辆速度降低，但车流量却增大；当车辆密度达到某个临界值附近时，车流量达到最大值。此后，车辆密度继续增加时，车辆速度和车流量都会降低；当车辆密度达到最大值时，车辆速度和流量都为零。

美国的研究者们最先尝试用建模的方式，在实验室中构造出堵车现象。在计算机程序中，虚拟的小车们有着各自不同的运行习惯和特点，然后它们自发地在道路上组织起来。在模拟程序中，的确发生了和现实中堵车很像的情况，就像结晶过程一样，在某一点车流突然逐渐变慢，最后停了下来。

最近，英国埃克塞特大学的一个数学家小组设计了一个模型，模拟在车道上出现一些意外情况，比如有人抛锚，或者汽车变道，结果发现在某种情况下，如果汽车以一定的密度和速度在道路上前进，一个司机突然刹一脚车，会在后方的车流中引发一个短暂停顿的“堵车波”，而且持续数英里之远。在第一个司机踩刹车时，后面的车也被迫刹车，这样一直持续到整个车流越来越密，发展成一个走走停停、长达数英里的堵车带，直至最后堵死。

对这种不知道怎样就发生了的堵车，科学家们称之为“幽灵式”堵车。

有时候，的确是有事故发生，但是当事故车辆被移开，似乎就没有了继续堵车的理由，可实际上，交通却依然堵塞，原因显而易见:如果你被一辆停止的车拦在后面，那么你也不得不停车，以此类推，后面的车也只好这样，堵车区域中所有的车辆都处于这样的状况，如果司机都想要摆脱堵塞，能够移动，那么他们必须同时行动。

可是，司机们做不到，因为每一个司机都在等待前面一辆车移动。当你处在这么一场拥堵之中，你也不会向前移动——根本没有空间让你这么做。之所以没有空间，是因为首先，你根本就不知道前面发生了什么情况而自然地向前，另外，你急于想要将车向前开动，因而尽量想要与前面的车靠得近点。每个人都这么想，所以就造成了没一个人能开动。于是这场堵塞就像海浪一样，由靠近事故车辆的地方开始，从前到后地扩散，新驶来的车也只能堵塞在后面。每辆车都是如此，这一小会儿时间被多次累积，如果后面驶来的车数量多于前方开走的车，堵塞就会继续。

事故是已经解决了，但拥堵依旧存在，这已经不仅仅是一场交通堵塞，它是由汽车造成的冲击波。想象一下水波吧，当我们扔一颗石子到水里，会溅起一圈又一圈的波纹，然后波纹扩散开来，不稳定的车流会导致车辆整体出现像爆炸波一样的波形一前方车辆密度缓慢减小，后方车辆密度平稳上升，这种波不会减弱，而是以恒定的速率传播。

麻省理工学院的数学家们建立了一个数学模型来模拟“幽灵式”堵车，他们认为这是一种不断重复的孤波。“幽灵式”堵车的波动与爆炸形成的冲击波有很类似的地方，而且即使所有的司机都以相同的方式行驶，它也会发生。交通模型表明，有两种情况会诱发“幽灵式”堵车:一、车流密度大，行驶缓慢；二、司机需要时间来适应新的交通环境。

堵塞持续的时间视车流量的多少和被堵车的数量而定，有时候这场堵塞会持续好几个小时。当车流量减少时，拥堵很快就会消失，但如果大的车流量依旧持续，这场堵塞就不会停止。当后面的车辆越来越密集，而前方拥堵消散的速度又慢于后面车辆集中的速度时，即使只是一个小小的车流拥堵，最终都会变成一场大的堵塞。

当然，造成堵车的原因非常复杂，就像流体的运动，我们至今了解有限，只有更深入地把握规律，才能看清楚问题的关键，并去解决它。

蚂蚁也会遇到和人类类似的交通问题，虽然它们没有修建道路，但在拥挤的巢穴和食物之间保持了高效率，因为它们掌握了一种技巧，善于互相交流“路况信息”。当道路足够宽敞时，蚂蚁只使用较近的那条路往返，当道路狭窄开始变得拥挤时，蚂蚁就开始用身体相互“顶”起来，许多蚂蚁转而走向另外的道路，这样每条道路都保持畅通。