最近大家通勤的時候路況怎麼樣呀？不知道你有沒有好奇過，好好的路上怎麼就堵車了呢？到底是從哪裡開始堵的？每次都想下車走到路盡頭去看看發生了什麼。
幽靈堵車
有一些堵車呢，是由交通事故造成的，這很好理解，不是我們關心的對象，我們今天要做的就是尋找那些無緣無故堵車的原因，所謂的「幽靈堵車」。平白無故，走著走著，就堵了，不知道發生了什麼？走著走著，莫名其妙地又通了，到底是什麼在作怪？
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其實堵車這件事竟然跟物理還有著千絲萬縷的聯繫，我們一起來看看。
人話版
2008年有人開展了一項實驗，讓一系列駕駛員駕車在環形道上行駛，經過一段時間後，就會出現自發的局部擁堵，這個實驗很直觀的展示了堵車的原因。
圖源 | 參考資料1
在行駛過程中，難免會有駕駛員注意力不集中，一旦某輛車在行駛過程中速度降下來，後面的車就要剎車，這就會造成一系列的連鎖反應。當這個速度變慢的司機意識到這個問題後，開始加速，但是由於在剎車和加速之間存在著一定的反應時間，這一影響一級級地向後傳遞，司機的反應時間逐級積累，最終造成局部擁堵現象。
越是十字路口多的地方，越容易發生擁堵。
交通信號燈相當於給正常行駛的車輛加了一個擾動，每次信號燈亮起時，司機的反應時間都不一樣，很有可能當一大串車流通過綠燈，剛好到你時，綠燈變了紅燈（我相信你肯定經歷過，請描述你的心情）。
我們辦公室樓下的路口
即使在沒有信號燈地方，假如一隻貓突然穿過馬路，也會引起一連串的反應，就算這隻貓已經走了，這個影響也不能立刻消除，仿佛車輛經過了一個隱形的路口。
因此交通堵塞經常發生在瓶頸處，比如道路變窄、車道減少、出現交通事故、十字路口等。在這些地方，一旦有人踩了剎車，就會引起一連串的連鎖反應。
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就算駕駛員能保持絕對專注，還是會頻繁遇到各種路口或者各種奇怪的突髮狀況，比如前面提到的貓。道路交通是一個複雜的多體系統，任何擾動都會破壞它的平衡，產生交通擁堵。高速上沒有十字路口正是為了避免這一點。
因此在開車的過程中，要注意跟前後車都保持合適的間距，這樣，當前車剎車時，你有足夠的反應距離可以不用剎的很猛，後面的車也是一樣，就可以縮短車流收縮的時間，在較短時間內恢復到正常行駛狀態。
自己畫的圖
倘若每一位司機都有嫻熟的技能和穩定的行駛速度（當然這是不可能的，雖然堵在路上的每一位司機都覺得自己是駕駛水平最好的），那麼就可以降低堵車的機率。
物理版
如果你細心的話，可能已經發現了，說了這麼多，還沒有出現一個數學公式，更沒有看出來物理在哪裡是不是？那麼到底有沒有物理的解釋呢？有的，不但有，還很硬核。
我們在查資料的時候發現，在之前學過的一本書中有一節專門介紹「車流」的。不過不是交通專業的書，而是，這本書。
是的，你沒看錯，是《凝聚態物理學》。
車流跟凝聚態物理是怎麼扯上關係的呢，這就要看凝聚態物理是多麼的博大精深了。
凝聚態物理學是物理學最大的一個分支，短短60幾年來已經獲得過30多次諾貝爾物理和化學獎，跟多個學科領域都有交叉。
公路上的車流量就是凝聚態物理學和社會科學交叉的一個成功範例。沒錯，這兩個學科之間竟然還可以交叉。
在公路上，車輛可以看作是一個個具有相互作用的「粒子」，那麼道路就是一個多體系統，而且是一個非平衡多體系統。（非平衡系統是凝聚態物理中很重要的一個研究分支，我們見到的大多數系統都屬於非平衡系統，例如鳥群、生命系統等。）
由於車輛之間距離的可變性，車流就可以看做「可壓縮流體」，這樣就可以利用流體的相關知識來解釋車輛在道路上出現的種種行為。當道路上車輛較少時，車流類似於液體的行為；當車輛較多時，車流就類似於固體的行為。在這之間存在著一種「相變」。
自己畫的圖
不難理解，道路的交通情況跟車流量密切相關，只有當車流量增大到一定值時，才會出現交通擁堵。
我們以 v 表示汽車的速度，ρ 表示汽車的密度，可以認為，當密度足夠低時，v 是獨立於 ρ 的，即車輛的行駛速度是不受周圍車輛干擾的。隨著汽車數量的增加，車與車之間的距離變短，「相互作用」變強，車輛的行駛會受到周圍車輛的影響，行駛速度會受到極大的限制。總之，汽車行駛速度v是隨著車輛密度 ρ 的增大減小的。用數學公式表示為：
最終車流密度到達最大值
時，車輛的行駛被完全限制，速度幾乎為0，這就出現了「開車兩小時，移動兩公里」的壯觀景象。
在這本書中，還給出了用流體動力學理論和元胞自動機模型給出的分析，不過推導過於複雜，這裡就不展開講了。這裡給出推導過程中要用到基本方程——理想流體的歐拉方程滿足的連續性方程——的一般形式：
這個等式只是用來描述沒有黏性和熱傳導的理想流體的動力學問題，也就是說描述在流體中沒有任何熱交換的過程。在描述「車流」這一複雜系統時，要稍作修改。
升級版
2001年就有研究者在「Reviews of Modern Physics」（現代物理評論）上發表了一篇題為「Traffic and related self-driven many-particle systems」（交通和相關自驅動多體系統）的綜述。
關於這個期刊，大家感興趣的可以自己查一下。
這是一篇介紹物理學家在交通動力學方面研究的綜述性文章，正文62頁，參考文獻13頁（可以看出相關研究是真的多）。原來早在1935年就有人研究了機動車的交通問題，在20世紀50年代，就有大量的介紹交通流和車輛密度關係以及交通穩定性的論文發表。
這篇文章用統計物理學和非線性動力學的相關研究方法，從微觀、介觀、宏觀尺度來分析機動車的交通問題。利用大量的觀測數據對「幽靈堵車」、走走停停、不同類型的堵車現象等進行了討論。
太複雜的內容不多贅述，總之我們可以得出一個結論：
堵車遠不是我們想像的那麼簡單，這裡面可是大有學問的。
寫在最後
總之，要想減少堵車，最好的辦法就是減少車流量（說來說去好像也沒說什麼新法子，這不就是限號和錯峰出行的目的嗎）。
因此在出行時，建議大家儘量乘坐公共運輸工具，在路途不遠時，儘量選擇騎自行車或者步行，節能環保還方便（畢竟有時候停車位也不是那麼好找的）。
另外就是提高自己的車技，在路上控制好行駛速度和前後車的間距，保持合適的距離。
最後祝大家上班愉快，下班通暢！
參考文獻
[1]How Not To Get Stuck In Traffic
[2]解決交通阻塞最簡單的方法
[3]Rev. Mod. Phys. 73, 1067 (2001) - Traffic and related self-driven many-particle systems (aps.org)
[4]馮端/金國鈞，《凝聚態物理學》（下卷），高等教育出版社
編輯：阿白
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