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霍金的派对：从科学天地到数码时代 [:1707629790]
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霍金的派对：从科学天地到数码时代 交通堵塞的物理学(1)
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学物理的人常会产生一些奇特联想。比如水在适当条件下会出现所谓“过冷”（supercooling）的现象，温度低于冰点而不结冰，但只要稍加扰动或掺入杂质，就会快速凝结成冰。最近几个月，我每天上下班在某高速公路上开几十分钟的车，渐渐地，注意到了一个有趣的现象：那高速公路通常是畅通的，但稍有干扰都不行，小雪、小雨、小雾，甚至一辆警车停在路旁，都常能使它堵塞得一塌糊涂。每当我的车子陷入那样的堵塞之中时，我就会恨恨地联想起过冷水的凝结来。
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原以为这不过是自己的奇特联想，却不料这些天打算以交通堵塞作为本期专栏短文的题材时，一查资料，居然发现有关交通堵塞的流行理论包含了这一联想。
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我们从头说起吧。自汽车的大规模使用开始，交通堵塞这一现代社会的顽疾就不曾离开过我们，对它的研究也因此有了一段不算太短的历史。在这种研究中，一个很流行的视角就是将车流与水流相类比。早在20世纪50年代，英国流体力学专家莱特希尔（James Lighthill）与应用数学家惠瑟姆（Gerald Whitham）就提出了一个模型，将高速公路上的车流类比于水管中的水流。这一模型称为莱特希尔-惠瑟姆模型（Lighthill-Whitham model），是许多后续研究的基础。20世纪90年代初，德国物理学家奈格尔（Kai Nagel）和施莱肯伯格（Michael Schreckenberg）等人推进了这种类比，在他们的模型中，司机的行为被抽象为了几条主要特征：比如司机们会努力维持与前方车辆的安全距离；比如安全距离是随车速的增加而增大的。这些特征符合几乎所有司机的行车习惯，从而是很合理的。通过这样的模型，奈格尔等人发现当车流密度达到某个临界值之后，车流速度会明显减缓，也就是说会发生交通堵塞。
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这是一个不错的结果，可惜却太规律了一点，从而不足以说明如本文开头所述的那种现象，即交通堵塞有时似乎是由极偶然的细微因素引发的。为了进一步探究交通堵塞的秘密，1995年，奈格尔等人对模型作了进一步修订，引进了一条描述司机行为的新特征，即假定司机们会倾向于尽量维持自己的车速。在这一假定下，奈格尔等人发现，当车流密度超过临界值时，由于司机们维持自己车速的顽固意愿作祟，车流仍会保持较高的速度。但那样的车流将逐渐失去稳定性，各种偶然因素，比如道路缺陷、天气因素乃至某位司机的刹车踩得太重，都会被快速放大并导致交通堵塞。这一结果正是本文开头所提到的交通堵塞与过冷水的凝结这一物理现象之间的相似性。
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交通堵塞与物理现象之间的相似性还不止于此。奈格尔等人的模型——经过与现实数据的比较——虽然对交通堵塞作出了较好的描述，却也并非尽善尽美。更细致的考察发现，现实的车流中除了畅通和堵塞之外，还有一种很常见的状态，就是所有车子都以大体相同的速度缓缓行驶。20世纪90年代末，这种被称为“同步”（synchronized）的状态被俄裔德国科学家科纳（Boris Kerner）等人吸收进了一个新的模型。在这种模型里，车流与水流的类比走得更远：正如水有汽、水和冰三种状态，车流也有畅通、同步和堵塞三种状态；而且正如汽的结冰通常要经过“水”这一中间状态，交通状态由畅通到堵塞也通常会经过“同步”这一中间状态。这种模型被称为“三相交通理论”（three-phase traffic theory），也引起了一些人的关注。
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这些有关交通堵塞的研究由于其与物理学的相似，而被一些人称为了“交通物理学”（traffic physics）。“交通物理学”虽还处在发展阶段，却已有了许多应用。就拿交通堵塞与过冷水的凝结之间的相似性来说，它所显示的交通堵塞与偶然因素之间的密切关联可以启示人们关注一些看似细微的东西，比如司机踩刹车过重的情形。研究表明，只要消除20％的司机踩刹车过重的情形，就能显著改善道路通行状况。在这方面，开发自动或半自动的驾驶技术或许是大有可为的。除这种微观应用外，交通物理学还可以有更宏观的应用，比如预言交通堵塞的发生，并将结果实时提供给司机，以起到预警及避免堵塞的作用。
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(1) 本文发表于《科学画报》2014年第4期（上海科学技术出版社出版）。
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霍金的派对：从科学天地到数码时代 机器人与阿西莫夫定律(1)
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小时候看过一部名为《未来世界》的科幻电影，其中一位酷似真人的机器人是我的残存记忆，也很可能是我初次接触“机器人”这一概念。后来，经由《小灵通漫游未来》和《科学画报》等图书、杂志陆续接触到了更多有关机器人的内容，甚至形成了未来世界会有很多机器人的印象。
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再后来，读到了阿西莫夫（Isaac Asimov）的机器人故事。在那些故事里，机器人遵循所谓的“阿西莫夫定律”（Asimov’s Law）——也称为“机器人三定律”（Three Laws of Robotics）：
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第一定律：机器人不得伤害人，也不得因不作为而使人受到伤害。 第二定律：机器人必须服从人的命令，除非那命令与第一定律相冲突。 第三定律：机器人必须保护自己，只要这种保护不与第一及第二定律相冲突。 这些定律的引进是为了消解对机器人的敌意——在阿西莫夫的故事里，多数人对机器人怀有敌意，担心它们危害人类。阿西莫夫定律也被其他一些科幻作家所采用，由此形成了机器人小说的一种独特流派（顺便提一下，阿西莫夫后来还增添了一条“第零定律”：机器人不得伤害人类，也不得因不作为而使人类受到伤害。后两条定律则相应增加了不得与第零定律相冲突的限制）。
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这一切都只是科幻，但是——
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近来，一些研究者开始考虑一个有趣的问题：科幻世界里的阿西莫夫定律有必要引进到现实世界中来吗？这种考虑的一个例子，是德国科布伦茨-兰道大学（Universität Koblenz-Landau）的两位研究者发表的一篇论文，题为《我们需要阿西莫夫定律吗？》（Do We Need Asimov’s Laws？）。该论文梳理了机器人这一概念的历史沿革：从公元前8世纪左右的荷马史诗故事，到15世纪的达·芬奇所设想的机器；从18世纪英国的砸毁机器运动（类似于阿西莫夫故事中针对机器人的敌意），到20世纪早期捷克作家卡佩克（Karel Čapek）的笔下首次出现“机器人”一词……通过那样的梳理，该论文把科幻小说里有关机器人危害人类的担忧归结于西方的宗教传统，即宗教传统不允许效仿上帝，机器人却是效仿上帝造人的产物，故而引起担忧。由于宗教传统并非现实理由，因此担忧是不必要的，该论文于是得出结论说：为消解担忧而引进的阿西莫夫定律也是不必要的。
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这种推理显然是薄弱的，因为很多科幻作家——比如阿西莫夫——根本就不信宗教，把他们小说里的想法归结于宗教传统是很牵强的。退一步说，即便这种归结成立，也起不到论证作用，因为宗教传统虽不是现实理由，却也并非不能与现实理由兼具——事实上，人类社会的很多现实正是宗教传统造成的。
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但另一方面，推理薄弱不等于结论错误。该论文的结论——即阿西莫夫定律是不必要的——倒是不无道理，只不过那道理恐怕需要另行论证。比较容易确认的是，阿西莫夫定律在目前显然是不必要的，因为目前的机器人既没有足够的自主性，也缺乏判断情势的能力——比如缺乏判断“伤害人”的能力，与阿西莫夫定律所要求的复杂性还有很大距离。不过随着机器人技术的发展及应用领域的拓展，这一点正在改变。前不久，美国加州州立理工大学（California Polytechnic State University）的一位研究者提出的自动汽车——一种不拟人的机器人——在保护车主与撞到别人之间该如何取舍的问题，就显著接近了阿西莫夫定律所要求的复杂性。不幸的是，这个类似于经典伦理学难题——电车难题（trolley problem）——的问题似乎又太复杂了，把第一定律架到了火炉上，机器人是“作为”也不是，“不作为”也不是，恐怕只能听任自己的“正电子脑”（positronic brain）被烧毁了。
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看来，真正的未来——尤其在细节上——往往不是科幻作家所能预见的，阿西莫夫定律在目前还太复杂，对真正的未来则又可能太简单，从而有可能确实是不必要的。不仅如此，阿西莫夫定律还存在其他一些不易推行的特点：比如对机器人怀有敌意的人能轻易利用第二定律让机器人自毁；比如前一阵闹得沸沸扬扬的美国军方的无人机（drone）——另一种不拟人的机器人——直接违反了第一定律，但只要人类对自相残杀的“需要”一日未绝，那样的机器人恐怕非但不会消亡，还会有更多的应用。
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不过，无论阿西莫夫定律对于现实世界是否有必要，都不妨碍我们欣赏阿西莫夫那些精彩的机器人故事，并钦佩于他的丰富想象。