社会物理学综述
社会物理学综述
程洁狄增如?
（北京师范大学管理学院系统科学系北京 100875）
摘要本文主要回顾了社会物理学从古典时期发展到现在的历史，并简要介绍了当代社会物理学的研究问题和成果。包括三个方面：行人动力学，社会网络分析和舆论动力学.
关键词社会物理学，行人动力学，社会网络分析，舆论动力学
Review of social physics
Jie Cheng， Zengru Di?
（Systems Science, Management Department, Beijing Normal University, Beijing 100875, China）
Abstract This article mainly reviews the history from classic age to nowadays of social physics, and briefly introduces main research topics and progresses. It includes three parts here: pedestrian dynamics, social network analysis and opinion formation dynamics.
Key words: social physics, pedestrian dynamics, social network analysis, opinion formation dynamics
社会哲学家奥古斯特·孔德把社会学描述为“社会物理学”。二十世纪，无论在社会科学还是在自然科学，复杂性问题的涌现，让关注微观机制的社会学家和侧重宏观普适层面的物理学家感到棘手。1996年，权威的古尔班肯社会科学重组委员会建议取消“自然”和“社会”科学的界限。把两者看作是以复杂性为特征的科学。该委员会建议，基于动态非均衡，强调多元目标、分叉、选择、历史依赖性等，以及内在及固有不确定性的分析应该是所有科学的模式。“社会物理学”作为20世纪末兴起的新型交叉学科，它的概念和研究领域，在不断的酝酿和成型。社会学家Thrift认为是存在复杂感知结构的涌现（1999），Capra设法构建统一的概念框架来理解物质和社会结构（2002）。物理学家Robert Laughlin和David Pines 总结认为，尽管物理学家曾经研究事物如何被还原的基本准则，但目前它研究的是组织的多重形态[1]。虽然社会物理学到底是一门怎样的学科，仁者见仁，智者见智，尚没有一个统一的定论，但却是给我们提供了更好的理解我们处在的这个真实的世界方法和工具。
当代社会学家、人类学家及哲学家认为，人类历史的形成是偶然中的必然，是具有其自身发展的规律和特点的。从个体心理和行为的角度看来，可能是无序的、杂乱无章的，是具有“自由意志”的。社会科学的进化生物模型无法预计集体行为，它们假定人群的行为是个人行为的简单外推和迭加，而无视交互所产生的非线性关系。而从宏观的层面上观察，如鸟群的运动，老鼠蚂蚁的恐慌性逃生，通过视频资料，发现了有趣的规律和动力学特征（类物理中的“相变”）。物理学家用物理学上的概念和模型，从一个全新的角度阐释了社会学，并给社会学中存在的问题给出了具有可行性的方案和建设性意见。
本文主要是对社会物理学的研究概况和进展作出综述性的介绍，能对社会物理学感兴趣自然科学工作者还是社会科学工作者有所帮助和启发。目前社会物理学，主要在三个领域，有了比较大量和成熟的研究，包括行人动力学，社会网络，以及舆论动力学。当然在别的领域如经济领域，社会物理学也有大展身手的机会，已有相关的文献和综述对此作系统的介绍，这里就不赘述。
1．社会物理学中的行人动力学
复杂环境中人的行为，非常不规则和难以预测，类比于气体分子运动的概念，Lewin认
为社会场的各个社会作用力是行为变化的操控者。已有研究认为，当行人感知所处的环境，并根据个人的目标处理、评估感知信息，最终做出行动的反应。在模拟街道行人的集体行为，以及建筑物内的行人如何寻找出口的行人动力学方面，主要有两大类人群行为模型。一类是离散空间模型或者元胞自动机模型，将行人看成是一个固定的固定的或者自适应网格中具有相应位置的节点，而且这些行人所处位置的坐标通过离散的时间间隔来进行更新。在模拟人群行为的连续空间模型中，又分成以下几种类型：第一种是基于人群动力过程与流体或者气体动力学过程具有相似性原则的连续空间模型，第二种，在模拟过程中准许行人根据某种成本函数来选择最佳路径，第三种是前两种模型的综合，同时考虑流体动力学方法和成本函数。这里以连续空间的第二模型为例进行介绍主要思想和结论[2]。在模拟行人的行为时均引入社会和物理作用力，并把每一个行人看成事遵循牛顿力学定律的粒子，Helbing在在行人特定动力（类似与波尔兹曼）模型基础上社会作用力（HMFV）模型。
在HMFV模型中[3]，每个行人受到的力或者对别人的作用力有两种，社会作用力和物理作用力。社会作用力没有物理源头，是某一空间内行人为了避免和其他人或者墙壁等障碍物发生碰撞的意识反映，也包括行人在给定速度下向某个特定方向（如出口）运动的意识反映。而物理作用力，则存在物理源，当人群密度高到足以迫使行人发生碰撞时，物理作用力的推理和阻力就体现出来。通过计算机模拟，发现人们会自发形成统一行走方向的通道，数目和走到宽度成正比。而在通过一个狭窄通道时，行人会产生行走方向上的摆动变化。目前，基于行人运动在众多人类行为中较便于观测，社会作用力模型让人类行为的定量研究成为可能。目前，社会作用力模型被拓展成行人路线选择行为模型，可为城市和交通规划提供理论指导和思路。
社会心理学认为，当火灾、地震等突发事件发生的时候，恐慌是一种典型的集群行为，经常发生在资源匮乏的情况下。恐慌人群经常表现出一种不适反应性和无情的群体行为，例如逃生恐慌时的过度拥挤行为。在Helbing的逃生恐慌模型[4]的动力学特征模拟中，他总结了逃生恐慌的典型特征，人们移动或者尽量移动的比正常快；在逃生中会发生退搡，人群内部身体发生碰撞；在出口处发生弧形堵塞，拥挤时人群形成可怕的压力，会导致危险和事故发生；而逃生时受伤人员会影响逃生速度等。此类恐慌模型基于社会作用力的思想，抽象出逃生恐慌人群的基本行为特征。行人首先与自己的身体情况，有一个期望速度，而同时也受限于因其他行人的运动以及与墙壁的压力作用。由于恐慌逃生的不可预料性，无法进行实验取得数据，模型中的参数尽可能采取了合理的估计。并模拟出了恐慌逃生的几种典型现象。当所有人在冲撞时，会在出口处形成弧形堵塞，当其崩塌时，出现雪崩状撤离人群。人们急于逃离，导致“快者慢出效应”。而通过恐慌程度指数p模拟了群体行为和个体行为的一种结合，模型认为当个体行为和群体行为结合会得到最佳的生存机会，最好的策略是个体寻找出口的行为和跟随他人行为的折中。
很多学者基于HMFV模型作了很多修正的工作，以使它能对人群运动进行更加现实的描述。例如，考虑人群密度对社会作用力的影响及行人对于出口的记忆等，都会让模型在定性和定量上有着更优良的表现。当然，HMFV模型并不是完美的模型，可以直接用来模拟、预测我们现实世界中行人的行动。行人具有决策能力与否，都是值得研究的问题。HMFV 模型给我们提供了一个很有现实意义的视角，但其是否完全揭示出行人动力学和逃生行为的集体恐慌行为背后的机制，还有待进一步研究。
2．社会物理学与社会网络
社会物理学在社会网络分析中得到发展。在过去的这个十年，跨越物理和社会科学的网络研究突然引发了极大的研究兴趣。对社会学家来说，网络理论像是一个大金矿，可以解释从心理学到经济学跨大范围的学科内出现的社会现象。社会学家试图用社会网络分析来解释的一些事情，并对此领域通行的基本假设、目标和解释机制给出一个简要概括。近年来，物
理学家、生物学家等自然科学领域专家的纷纷加入，让社会网络的发展有了新的方法和技术手段。网络理论解释了无数的社会现象，从个体的创造力到合作效用。网络研究在今天很“火”，在科学网站上有大量的文章，在过去的十年以“社会网络”为主题的文章数几乎翻了三倍。
20世纪80年代，社会网络分析已经成为社会科学的一门领域，有专业的组织（INSNA,国际社会网络研究网），年度会议,专门的软件UCINET和本领域的杂志（社会网络）。在20世纪90年代，网络分析辐射到到大量的研究领域，包括物理和生物。它同样在几个应用型领域也有应用，如管理咨询，公共健康，以及犯罪、战争等。在公共健康中，网络方法在阻止传染病传播和提供更好的健康保障和社会支持都有着很重要的应用，而在打击犯罪组织和恐怖分子方面，网络对抗也有着非常不俗的表现[5]。
“六度分离”现象，地球上你和任何一个陌生人之间所间隔的人不会超过六个。从“六度分离”现象告诉我们，我们处于一个“网络的小世界”中。Watts构建了小世界模型，少量的随机远程连边的存在，可让每个人与世界上其他的任何人的分隔度降低。格兰维特（Granovetter）提出“弱连接”优势（the strength of …weak ties?），从社会学的角度解释了上述现象。当人们在求职或者是获取有效信息、谣言传播时，往往是“点头之交”也就是弱连接起到了关键作用。弱连接给人们除了亲朋好友和家庭形成的“强连接”提供了和社会接触的一个桥梁。种种研究表明，社会网络分析想要告诉我们：结构很重要。关于社会网络的建构，社会学家和物理学家纷纷作出大量的贡献。社会学家告诉我们，实际生活中网络连接如何形成，如友谊的基础是什么？公司是如何挑选合作伙伴的？个体的选择和行为不仅依赖于个人的能力，如收入是由教育和性别来决定的，更取决于他的社会环境如何，他处于他的社会网络中的位置如何。现在流行的“社会资本”理论，其实就是社会网络理论的一个应用。林南(Nan Lin)认为社会资本是“投资在社会关系中并希望在市场上得到回报的一种资源，是一种镶嵌在社会结构之中并且可以通过有目的的行动来获得或流动的资源”。这种资源，是嵌人于个人社会关系网络中的资源，如权力、财富、声望等，往往是个人在社会关系网中的地位决定的。物理学家、数学家则贡献了各种定量化的工具和思想，用数学和计算机仿真的方式模拟出了我们所处的这个网络世界。随机图、小世界、无标度网络模型的提出，让我们对internet网、人际关系网有了更理性和深入的认识。
社会网络研究中，一个重要部分是社团结构研究，也是目前做网络研究的物理学家们关注的重点。社会学家通过实证研究发现，基于共同的目的如兴趣，会形成各种形式的社团组织。个体通常处于各种各样的社团组织中，在同一社团里的人们在思想和行为上有某种一致性。物理学家给出了社团结构的定义，并设计出划分社团结构的各种算法，如分裂算法等。结合各种实际网络的研究，如对空手道网络的社团划分，科学家合作网的划分等等，取得了比较符合显示的划分结果。
3．社会物理学与舆论动力学
几十年前经验主义研究表明，一个人停在街道上抬头望天，多数被过路者忽视。而如果及个人一起凝视天空，他们会导致一些人跟随。工会运动遵循类似策略：联合起来的雇员们远比一个人有力量与管理者对抗——“团结就是力量，分裂就会消亡”。基于此思想，引发了类物理Ising模型的Sznajd模型（也称“传教士模型”）的提出。当两个比邻的“传教士”持有相同信仰或观点时，那么说服所有的邻居就是他们的使命，如果他们的信仰或观点不一致，则无法说服任何人。如同，如果父母意见意见一致，则孩子会倾向于遵从；如果有分歧，则孩子会更加自由的做自己想做的事。在认知研究中发现认识的连贯论，人们有意识地选择那些与自己的立场、观点、信仰一致的内容，而对那些不一致的内容则不予注意、回避或不接触，避不开时则通过选择性理解和解释减少其对自己固有观念的冲突。谈判者模型用“谈判”的机制和妥协阈值，改变人们的想法。机会主义者模型，则是个体会询问所有邻居（信
任阈值内）的意见，然后取算数平均。经过足够长的时间，这三个标准模型都给出了三种类型结论中的一种，即一种意见、两种意见以及两种以上意见。一种意见或成为共识又可以叫做专政。两种意见或成为两极化又可叫做反对派和政府之间权力的权衡。三种或三种以上意见或称作分裂又可叫做无政府状态、多党民主、多文化或者多样性。最成功的传教士模型的应用是政治选举，它模拟了巴西选举的候选人间的投票分布。但这并不意味着我们可以预测某次选举，某个候选人会获得多少选票。模型本身并不告诉我们结果是否正确还是多余，其判断价值依赖于其应用和解释。如大量的广告示如何影响舆论形成的？传教士模型告诉我们，广告必须早于意见形成过程，而不是等到大多数人都有了自己的决定。在这些模型上，利用物理学思想，我们还有大量可以发挥的空间。当一个人个体改变意见，是否会影响整个群体？这是物理学上著名的灾难传播问题，近年来，Fortunato进行了详细的仿真模拟。
在实际生活中，保守的人坚守他们的意见或者生活方式，反对其他事物。而那些更灵活的人倾向于改变，追随时尚和潮流。以上的是最流行的社会物理学模型，并没有考虑智能个体的意见变化倾向——任何社会系统的特殊特征。正如达尔文所说：“幸存下来的不是最强壮的，也不是最聪明的，而是最适于变化的”。这就使舆论共识的一般方法转变为同步化问题，怎样使具有不同意见改变倾向的智能个体的意见同步化？下面将介绍，Pluchino应用生物系统中同步化的思想，引入“舆论变化率”的概念，通过改进Kuramoto模型构建的舆论变化率模型（OCR模型）[6]。每个智能个体具有意见值和舆论自然变化率两种属性，舆论自然变化率即每个智能体改变意见的内在去世或自然趋势。两个智能体间的耦合用固定耦合强度（K）和意见差的指数函数乘积，也即意见差的减函数，如果差异太大，则耦合消失。OCR模型显示了许多具有特定实际意义的有趣特征。当耦合强度K小于某一阈值时，会模拟出无政府状态。个体缺乏交流，导致出现很多鼓励的没有交互文化的世界。当耦合强度高于临界阈值时，会进入完全同步化阶段，模型显示出独裁体制或全球一体化世界的出现。双极和民主制在K为临界值左右时出现。这种舆论同步模型，借鉴了物理上描述集体同步化行为的基础作用机制，通过耦合项K的变化，模拟了无同步、部分同步以及完全同步的现象，给舆论形成（如多政党共存以及帝国或者独裁体制瓦解）提供了另外一种解释。
4．结束语
现代社会物理学的发展，让我们对身处的这个复杂世界的研究，无疑吹来了一股清新的风。从古典社会物理学的兴起到衰落，社会学家在努力，希望用数学和物理学思想来揭示我们人类历史发展偶然性后的必然。社会学家发现，看起来杂乱无序的个人行为，背后似乎隐藏着某些必然规律。从而引发了统计学，概率论的发展。可以说社会统计学的研究在19世纪对统计物理学的奠基产生了直接的影响。
社会科学和物理学的研究方法具有令人兴奋的对称性，这是的统计物理学家试图谨慎地将他们的模型和概念在社会科学中进行推广。当代人致力于运用统计物理学的概念和方法分析一些社会现象，其范围涉及经济、交通流、行人运动、决策、投票和联系网络等，如上所示，并且得出了一些比较好的描述。当然社会物理学的发展要走的路仍然很长，主要由于实证现象的不易观测性和数据的难以获得，让我们暂时无法象物理学一样很精确的给出某个普适性的方程对某类现象进行描述。关于社会物理学我们还有很多值得研究的地方，尤其是社会网络分析和计算机仿真技术的蓬勃发展，给各种动力学有了演化的舞台和工具。虽然目前的理论尚不成型，模型对于现实只是一种近似粗糙的描述，希望能在将来在社会学家和物理学家的共同努力下把社会物理学确立和完善。
参考文献：
[1] Urry J, Global Networks, 2004, 4(2): 109-130
[2]Taras I. Lakoba, D. J. Kaup and Neal M. Finkelstein, Simulation, 2005, 81(5):339-352
[3] Dirk Helbing, Péter Molnár, 1995, arxiv: 9805244
[4] Dirk Helbing, IIIés Farkas, Tamás Vicsek, Nature, 2000, 407: 487-490
[5] Stephen P. Borgatti, Ajay Mehra, Daniel J. Brass, Giuseppe Labianca, Science, 2009, 323：892-985
[6] Pluchino A., Latora V., Rapisarda A., 2004, arxiv: 0410217
社会物理学其中一个重要的难题就是，对于现象的定量描述，在技术和方法上都是一个难题。但随着技术和概念的进步，社会中人类行为的测量和定量描述成为可能，如在股市交易中个体的行为和策略，在社会交通中涌现的集群行为的可测性，在大规模人群的聚集和行人流疏散，以及在舆论形成的现象和机制，这些问题的提出和重大现实意义，给了社会物理学发展的依据和空间。社会物理学起初是物理学家的信念的体现。量子物理、统计物理学、自组织理论的提出、发展、成熟给了他们飞翔的翅膀。社会网络分析具有广阔的研究前景，让各个领域的专家可以有了一个共同对话的平台。有全球各地社会涉及60亿—70亿人或44000跨国公司的社会关系网络，有包括100亿个神经细胞和1万亿个神经腱的神经网络，主要包括小世界网络出现的原因和特性，对我们现实生活的反映和影响。社团和层级结构是其中一个重要的研究方向。