Det kan verka förvånande, men teorier och formler från fysik visar sig vara användbara verktyg för att förstå hur demokratiska val fungerar, inklusive hur dessa system går sönder och hur de kan förbättras.

En ny fysikbaserad studie finner att i USA, valet gick igenom en övergång 1970, från ett tillstånd där valresultaten rimligen väl fångade de större väljarnas politiska preferenser, till en period av ökande instabilitet, där mycket små förändringar i väljarnas preferenser ledde till betydande svängningar mot mer extrema politiska resultat i båda riktningarna.

Analysen visar också att denna instabilitet kan associeras med en oväntad situation där utfallet svänger i motsatt riktning mot hur människors sanna preferenser förändras. Det är, ett litet drag i rådande åsikter mot vänster kan resultera i ett mer högerutfall, och vice versa - en situation som forskarna kallar "negativ representation".

Resultaten visas i journalen Naturfysik , i ett papper av Alexander Siegenfeld, doktorand i fysik vid MIT, och Yaneer Bar-Yam, presidenten för New England Complex Systems Institute.

"Vårt land verkar mer splittrat än någonsin, med valresultat som liknar en pendel som svänger med allt större kraft, "Säger Siegenfeld. I denna regim med" instabila "val, han säger, "En liten förändring av väljarnas åsikt kan dramatiskt svänga valresultatet, precis som riktningen för ett litet tryck mot en sten som ligger högst upp på en kulle dramatiskt kan ändra dess slutliga plats. "

Det är delvis ett resultat av en alltmer polariserad väljarkår, han förklarar. Forskarna drog från en tidigare analys som gick igenom de republikanska och demokratiska partiplattformarna i varje presidentvalår sedan 1944 och räknade antalet polariserande ord med en kombination av maskininlärning och mänsklig analys. Siffrorna visar en relativt stabil situation före 1970 men en dramatisk ökning av polarisationen sedan dess.

Teamet fann då att Ising -modellen, som utvecklades för att förklara beteendet hos ferromagneter och andra fysiska system, är matematiskt ekvivalent med vissa valmodeller och beskriver noggrant uppkomsten av instabilitet i valsystem.

"Det som hände 1970 är en fasövergång som kokning av vatten. Val gick från stabilt till instabilt, "förklarade Bar-Yam.

Den ökande instabiliteten beror också delvis på strukturen för partiets primära system, som kraftigt har ökat sin roll i valet av kandidater sedan 70 -talet. Eftersom väljarna i primärvalen tenderar att ha mer extrema partisanuppfattningar än de allmänna väljarnas, politiker är mer benägna att ta ställning för att vädja till dessa väljare - positioner som kan vara mer extrema än de som gynnas av mer vanliga väljare, och därmed mindre sannolikt att vinna i allmänna valet.

Detta långsiktiga skift från en stabil till instabil valsituation påminner mycket om vad som händer med en ferromagnetisk metall som utsätts för ett magnetfält, Siegenfeld säger, och kan beskrivas med samma matematiska formler. Men varför ska formler härledda för sådana orelaterade ämnen vara relevanta för detta område?

Siegenfeld säger att det beror på att det i fysiken är det är inte alltid nödvändigt att känna till detaljerna i de bakomliggande objekten eller mekanismerna för att kunna ge användbara och meningsfulla resultat. Han jämför det med hur fysiker kunde beskriva ljudvågornas beteende - som i huvudsak är atomernas aggregerade rörelser - med stor precision, långt innan de visste om förekomsten av atomer.

"När vi tillämpar fysik för att förstå de grundläggande partiklarna i vårt universum, vi vet faktiskt inte de bakomliggande detaljerna i teorierna, "säger han." Men vi kan fortfarande göra otroligt exakta förutsägelser. "

Liknande, han säger, forskare behöver inte förstå enskilda väljares motiv och åsikter för att kunna genomföra en meningsfull analys av deras kollektiva beteende. Som tidningen säger, "Att förstå det sociala systemets kollektiva beteende kan dra nytta av metoder och begrepp från fysik, inte för att människor liknar elektroner, men för att vissa storskaliga beteenden kan förstås utan förståelse för de små detaljerna. "

Ett annat viktigt fynd från studien är fenomenet "negativ representation". Detta är när en övergripande förskjutning till vänster i väljarnas åsikter resulterar i ett högerskift i valresultatet, eller tvärtom.

Detta kan hända, till exempel, om väljarna står inför ett val mellan en mitt-vänsterkandidat och en högerextremt kandidat. Om väljarnas övergripande känslor rör sig längre till vänster, Det kan leda till att fler vänstervänster väljer att stanna hemma på valdagen eftersom centristkandidatens åsikter är för långt borta från sina egna. Som ett resultat, den högerextrema kandidaten slutar vinna. Eller, om en högersvängning i väljarna leder till nomineringen av en extremt högerextremt kandidat, som kan öka oddsen för att en mer liberal kandidat vinner allmänna valet. "Denna negativa representation undergräver hela syftet med demokratiska val, "Siegenfeld säger.

Studien finner att i instabila valsystem, det finns alltid negativ representation. Men ett antal åtgärder som kan hjälpa till att motverka trenden mot instabilitet och därmed också minska förekomsten av negativ representation, säger författarna.

En sådan lösning för att minska instabilitet i valet skulle vara en förskjutning mot system med röstberättigad röstning, som de som används i Australien, Maine, och städerna San Francisco och Cambridge, Massachusetts. Sådana system minskar behovet av att välja "mindre av två onda" kandidater, och låta människor rösta för sin verkliga preferens utan störningar som orsakas av tredjepartskandidater, de säger.

Ett annat tillvägagångssätt skulle vara att öka valdeltagandet, antingen genom incitament, publicitet, eller lagstiftning (t.ex. Australiens obligatoriska omröstning). Ju lägre andel valdeltagande, desto större potential för instabilitet, fann forskarna.

"De flesta säger" gå rösta "så att din röst hörs, "Siegenfeld säger." Det som är mindre uppskattat är att när kandidater kan räkna med att folk röstar, det är mer troligt att framtida val blir mer stabila. Vår forskning visar vetenskapligt att högt valdeltagande hjälper demokrati, eftersom lågt valdeltagande destabiliserar val och resulterar i negativ representation. "

"Jag älskar den här forskningen, "säger Soren Jordan, en biträdande professor i statsvetenskap vid Auburn University i Alabama, som inte var inblandad i detta arbete och skrev en kommentar i Nature om det. "Cross-over är spännande, och att se fysiker göra matematiska tunga lyft som verkligen ligger utanför den traditionella omfattningen och utbildning av statsvetenskap förbättrar verkligen båda disciplinerna. "

Han lägger till, "Denna modell är en utmärkt heurist för att förstå några kritiska fenomen, som hur långsamma begrepp som partisanship fortfarande kan ge storskaliga effekter i aggregerade resultat. "