1998 inledde den tidigare teknikkonsulten Hank Eskin en kampanj för att spåra dollarräkningar. Genom "Var är George?" initiativ, dollar stämplades med meddelanden om valutaspårningsprojektet, och människor instruerades att ange sina postnummer och serienumret som finns på de stämplade räkningarna i en databas, innan valutan överlämnas.

Spårningen av dessa dollarräkningar var en tidig studie av mänskliga resemönster och "komplexa system".

Ett komplext system är ett ofta nebulöst begrepp; hela seminarier ägnas åt att definiera termen. Men, enkelt uttryckt, ett komplext system är allt som består av många delar som interagerar på ett sådant sätt att systemets övergripande beteende är helt beroende av interaktionen och är något annorlunda än en summa av delarna. Komplexa system inkluderar finansmarknader, gatunät, och till och med den mänskliga hjärnan, består av ett system av neuroner som arbetar tillsammans för att tillåta en person att tänka, Ta beslut, och utföra dagliga uppgifter.

"När du tänker på saker som den mänskliga hjärnan eller börsen, marknaden, till exempel, existerar endast på grund av samspelet mellan köp och handel, "säger Gourab Ghoshal, en biträdande professor i fysik vid University of Rochester, som studerar komplexa system. "Om du har en handlare, det finns ingen marknad. Om du bara har en neuron, det finns ingen hjärna. "

I dag, den ökande tillgången till digitala spår ger forskare som Ghoshal och medlemmarna i hans laboratorium en otrolig mängd data för komplex systemforskning. Med GPS -positionsspårning, incheckningar på appar som Foursquare, geocaching från Twitter -inlägg, och, under vissa omständigheter, ringa dataposter från mobiltelefoner, de kan hitta mönster i mänsklig rörlighet, trafik, och sjukdomsprogressioner med större noggrannhet och precision än någonsin tidigare. Men mängden tillgänglig data innebär också att det växande fältet av komplexa system kan överväldigas utan några begränsningar.

"Du går från order på tiotals och hundratals datapunkter till order på miljoner och miljarder, "Säger Ghoshal." När du har denna skalaändring, de enkla sätten att rita diagram fungerar inte; du behöver lagar för att bestämma hur data samverkar. "

Det är där fysiken kommer in i bilden.

Fysiken i komplexa system

I en serie papper i fysikrapporter och Naturkommunikation , Ghoshal och medlemmar i hans laboratorium använde vetenskap för att lösa upp komplexa system och nätverk. Deras arbete sträcker sig till tre huvudgrenar:mänsklig dynamik och beteende; stadssystem och stadsvetenskap; och sociala nätverk. Tillämpa de universella reglerna för fysik och matematik, de kan bygga grundmodeller som andra forskare - som ekonomer eller stadsplanerare - kan införa mer komplexa variabler på.

"Det finns skillnader mellan hur en fysiker ser på ett problem jämfört med en datavetare, "säger Hugo Barbosa, en postdoktoral forskare i Ghoshals laboratorium, vars doktorsexamen är datavetenskap. "Fysiker är mer intresserade av de grundläggande reglerna, de saker som är universella, oavsett befolkningen. De vill förstå de grundläggande komponenterna i dessa modeller och göra dessa komponenter så generella och universella som möjligt. "

Tänka, till exempel, du vill ta reda på hur människor går på ett campus. Ett sätt att närma sig detta problem skulle vara att samla all information som är möjlig om varenda person på campus:vad de åt den morgonen, vilka klasser de har vid vilka tider, vilka deras vänner är, där byggnaderna ligger på campus, och så vidare.

"Det skulle, för det första, vara praktiskt taget omöjligt att samla in all denna information, "Säger Ghoshal, "plus att du inte skulle kunna tillämpa samma slutsatser om hur människor går på andra campus. Byggnaderna är olika, geografin är annorlunda. "

Ett andra sätt att närma sig problemet innebär att man använder de metoder Ghoshal och hans labmedlemmar använder:destillerar ett system till det grundläggande och tillämpar fysik, matematik, och statistik.

Det finns några viktiga faktorer som gäller för nästan alla fall där människor rör sig. Människor vill röra sig i någon riktning (vad fysiker kallar drifthastighet). De vill inte stöta på andra människor, eller in i byggnader eller andra föremål - som visar vad som kallas avstötande potential.

De kan tyckas enkla, men med bara dessa grundläggande element, "Jag kan mer eller mindre återge fotgängarbeteende för människor överallt på planeten, "Säger Ghoshal." Det är många saker som spelar in, till exempel kulturella faktorer, men nu har du en grund att bygga på, som ingår i dessa väsentliga faktorer. "

Antalet personer som flyttar från plats A till plats B, till exempel, visar sig också vara omvänt proportionell mot avståndet i kvadrat, som liknar en gravitationskraft. Flödet är beroende av avstånd (ju längre du måste resa, desto mindre sannolikt är det att du reser), men är också en funktion av befolkningen, som liknar massa, Säger Ghoshal. "Ibland, hur fysiker tänker om dammpartiklar som rör sig i ett rum kan appliceras på samma sätt på människor. "

Tillämpa fysik på IKT -data

Ghoshals nuvarande forskning tillämpar fysikregler på stadssystem och städer med hjälp av informations- och kommunikationsteknologi (IKT) -data. Uppgifterna tillåter hans grupp att avslöja mönster i städernas organisationsstruktur, liksom dynamiken i mänsklig rörelse och dess effekter på markanvändning, transportdesign, spridning av epidemier, socioekonomiska indikatorer, och hållbarhet. Forskare måste teckna avtal om avslöjande för att använda data och det finns lager av sekretess och kryptering, så det är omöjligt att spåra datapunkter till någon specifik person. Data kan innehålla geotaggstämplar på en Tweet som anger diskantens geografiska plats, folkräkningsdata som anger var människor har migrerat, och GPS -data som visar hur snabbt en bil nådde sin avsedda destination och vilken rutt föraren valde - kortaste sträckan, mindre trafik, mer natursköna, och så vidare.

Ett projekt, genomförd av Surendra Hazarie, doktorand i fysik, använder data för att titta på segregeringsmönster i städer, längs inkomstlinjen, lopp, eller andra egenskaper. "Genom att titta på hur befolkningen flyter runt städer i de olika regionerna, vi kan undersöka hur dessa befolkningar delas upp på viktiga sätt, "säger han." Kanske rika samhällen tenderar att boxa sig in och sådant. "

Ghoshal och andra medlemmar i hans grupp använder IKT -data för att utveckla specifika mätvärden som definierar hur stadsinvånare navigerar i en stad. Deras "inness -metriska, " till exempel, visar hur när människor navigerar i en stad, de tenderar att dras mot det socioekonomiska centrumet. Forskarna fann att inness -faktorn tätt korrelerar med nivån på en stads socioekonomiska utveckling, infrastrukturutveckling, och dödlighet och dödlighet. Höga nivåer av inness medföljer ofta låga utvecklingsnivåer eftersom städer som håller på att utvecklas bara har en stadskärna. Omvänt, välutvecklade städer har flera socioekonomiska centra, och innerheten tenderar att vara låg eller statistiskt obetydlig.

"Närvaron eller frånvaron av denna" attraktiva kraft "fungerar som en historisk indikator på en stads utveckling, "Säger Barbosa." Helt enkelt genom att titta på hur invånarna i en stad provar en stad berättar mycket om stadens organisation och hur utvecklad den är, åtminstone ur en infrastrukturell mening. "

Ett annat mått är "mellan centraliteten". Att vara central är att vara mellan många saker. Till exempel, om du befinner dig i ett område som faller mellan många rutter - säg området Twelve Corners i Brighton, nära Rochester, eller en cirkel i Washington, D.C. - det kommer att bli en högre centralitet mellan varandra. Motintuitivt, med ökad uppkoppling - vare sig via fler vägar, cykelvägar, eller neuroner i hjärnan - flödet av människor och information utvecklar ett rumsligt beroende och trängsel utvecklas mot stadens centrum. Implikationen är att storstadsområden är bättre betjänade att bygga multimodala transportsystem som möjliggör olika former av transport, snarare än att bara bygga fler vägar.

Tvärvetenskapliga partnerskap

Faktorer som inness och mellanhet kan hjälpa till att informera stadsplanerare genom att ge dem byggstenar som kan appliceras var som helst i världen. Det ultimata målet, dock, är inte att helt se över befintliga städer eller strukturer, Säger Barbosa. "Det handlar mer om hur vi kan utnyttja denna kunskap till, till exempel, förbättra synkroniseringen av trafikljus och avvika flöden av människor till ett annat område av staden om det inträffar en olycka? Hur kan vi främja och främja minskad segregation? Hur kan vi hjälpa till att förhindra spridning av sjukdomar på befintliga flygplatser eller sjukhus? "

För detta ändamål, Ghoshal och hans labbmedlemmar samarbetar med forskare inom discipliner över hela universitetet. Kristen Bush Marshall är en postdoktor i Martin Zands laboratorium, professor i medicin vid Medical Center, och har arbetat med Ghoshal om komplex systemforskning. Marshall använder anonym sammanslagna data från elektroniska hälsojournaler för att bygga mobilnät för sjukhus. Med hjälp av dessa nätverk, hon hoppas kunna utveckla ett ”riskmått” för spridning av C. difficile bakterieinfektioner på sjukhusavdelningar.

"Att förstå hur människor och platser är anslutna och analysera dessa relationer genom nätverkscentralitet hjälper till att informera mina förutsägbara modeller på sätt som inte hade varit möjligt med traditionella statistiska metoder, "Marshall säger." Nätverksvetenskap förändrar vårt sätt att se patientrörelser på sjukhuset och hjälper oss att utveckla verktyg för att förbättra patientresultaten och minska smittspridningen. "

Ghoshal och hans grupp arbetar också med Ehsan Hoque, asaro-Biggar ('92) familjeassistent i datavetenskap, och hans Human Computing Interaction Group för att analysera effekten och bildandet av team som utför specifika uppgifter, utnyttja Hoques redovisningsverktyg RocSpeak.

Andra framtida projekt inkluderar kartläggning av sjukdomens efterverkningar, som rörelse av människor i Afrika efter Ebolakrisen eller effekterna av konflikten i Syrien på gränsöverskridande rörelse. Att tillämpa fysiska principer och involvera forskning från olika domäner kan ge viktiga insikter, Ghoshal säger:"Nyligen har vi nådde en viktig milstolpe:mer än hälften av världens befolkning bor nu i stadskärnor, och denna trend förväntas fortsätta exponentiellt. Att förstå vad som får urbana system att ticka och hur man gör dem hållbara är kanske en av 2000 -talets viktigaste frågor. Det enda sättet att hantera ett så komplext problem är att kombinera verktygen, handel och insikter från olika forskningsbakgrunder. "