En 1998, l'ancien consultant en technologie Hank Eskin a lancé une campagne pour suivre les billets d'un dollar. À travers le "Où est George?" initiative, les dollars ont été tamponnés avec des messages sur le projet de suivi des devises, et les gens ont été invités à entrer leurs codes postaux et le numéro de série trouvé sur les factures timbrées dans une base de données, avant de remettre la monnaie.

Le suivi de ces billets d'un dollar était une première étude des habitudes de déplacement des humains et des « systèmes complexes ».

Un système complexe est un concept souvent nébuleux; des séminaires entiers sont consacrés à la définition du terme. Mais, mettre tout simplement, un système complexe est tout ce qui est composé de nombreuses parties qui interagissent de telle manière que le comportement global du système dépend entièrement de l'interaction et est quelque chose de différent d'une somme des parties. Les systèmes complexes comprennent les marchés financiers, réseaux de rues, et même le cerveau humain, constitué d'un système de neurones qui travaillent ensemble pour permettre à une personne de penser, prendre des décisions, et effectuer des tâches quotidiennes.

"Quand vous pensez à des choses comme le cerveau humain ou la bourse, le marché, par exemple, n'existe qu'en raison de l'interaction de l'achat et du commerce, " dit Gourab Ghoshal, professeur assistant de physique à l'Université de Rochester, qui étudie les systèmes complexes. "Si vous avez un commerçant, il n'y a pas de marché. Si vous n'avez qu'un seul neurone, il n'y a pas de cerveau."

Aujourd'hui, la disponibilité croissante des traces numériques fournit aux chercheurs comme Ghoshal et aux membres de son laboratoire une quantité incroyable de données pour la recherche sur les systèmes complexes. En utilisant le suivi de localisation GPS, check-ins sur des applications comme Foursquare, géocaching à partir de publications Twitter, et, dans certaines circonstances, appels d'enregistrements de données à partir de téléphones portables, ils sont capables de trouver des modèles dans la mobilité humaine, circulation, et les progressions de la maladie avec plus d'exactitude et de précision que jamais. Mais la quantité de données disponibles signifie également que le domaine en plein essor des systèmes complexes peut être débordé sans certaines contraintes.

« Vous passez d'ordres de dizaines et de centaines de points de données à des ordres de millions et de milliards, " dit Ghoshal. " Quand vous avez ce changement d'échelle, les manières simples de dessiner des diagrammes ne fonctionnent pas; vous avez besoin de lois pour dicter la façon dont les données interagissent."

C'est là que la physique entre en scène.

La physique des systèmes complexes

Dans une série d'articles publiés dans Physics Reports et Communication Nature , Ghoshal et les membres de son laboratoire ont utilisé la science pour démêler des systèmes et des réseaux complexes. Leurs travaux s'étendent à trois branches principales :les dynamiques et comportements humains; systèmes urbains et sciences de la ville; et réseaux sociaux. Appliquer les règles universelles de la physique et des mathématiques, ils sont capables de construire des modèles fondamentaux sur lesquels d'autres chercheurs, tels que des économistes ou des urbanistes, peuvent introduire des variables plus complexes.

"Il y a des différences entre la façon dont un physicien regarde un problème par rapport à un informaticien, " dit Hugo Barbosa, chercheur post-doctorant dans le laboratoire de Ghoshal, dont le doctorat est en informatique. « Les physiciens s'intéressent davantage aux règles fondamentales, les choses qui sont universelles, quelles que soient les populations. Ils veulent comprendre les composants de base de ces modèles et rendre ces composants aussi généraux et universels que possible."

Imaginer, par exemple, vous voulez comprendre comment les gens marchent sur un campus. Une façon d'aborder ce problème serait de rassembler toutes les données possibles sur chaque personne sur le campus :ce qu'ils ont mangé ce matin-là, quels cours ils ont à quelles heures, qui sont leurs amis, où les bâtiments sont situés sur le campus, etc.

"Ce serait, d'abord, être pratiquement impossible de collecter toutes ces données, " Ghoshal dit, "De plus, vous ne seriez pas en mesure d'appliquer les mêmes conclusions à la façon dont les gens marchent sur d'autres campus. Les bâtiments sont différents, la géographie est différente."

Une deuxième façon d'aborder le problème consiste à utiliser les méthodes que Ghoshal et les membres de son laboratoire emploient :distiller un système à ses bases et appliquer la physique, mathématiques, et statistiques.

Il y a quelques facteurs essentiels qui s'appliquent à presque tous les cas dans lesquels les gens se déplacent. Les gens veulent se déplacer dans une direction (ce que les physiciens appellent la vitesse de dérive). Ils ne veulent pas tomber sur d'autres personnes, ou dans des bâtiments ou d'autres objets, démontrant ce que l'on appelle le potentiel répulsif.

Ils peuvent sembler simples, mais avec juste ces éléments de base, "Je peux plus ou moins reproduire le comportement piéton des gens partout sur la planète, " dit Ghoshal. " Il y a beaucoup de choses qui entrent en jeu comme les facteurs culturels, mais maintenant tu as une fondation sur laquelle bâtir, contenus dans ces facteurs essentiels.

Le nombre de personnes se déplaçant de l'emplacement A vers l'emplacement B, par exemple, s'avère également inversement proportionnelle à la distance au carré, qui est similaire à une force gravitationnelle. Le débit dépend de la distance (plus vous devez voyager longtemps, moins vous êtes susceptible de voyager), mais est aussi fonction de la population, qui s'apparente à la masse, dit Ghoshal. "Parfois, la façon dont les physiciens pensent aux particules de poussière se déplaçant dans une pièce peut être appliquée de la même manière aux humains. »

Application de la physique aux données TIC

Les recherches actuelles de Ghoshal appliquent les règles de la physique aux systèmes urbains et aux villes en utilisant les données des technologies de l'information et de la communication (TIC). Les données permettent à son groupe de découvrir des modèles dans la structure organisationnelle des villes, ainsi que la dynamique du mouvement humain et ses effets sur l'utilisation des terres, conception des transports, la propagation des épidémies, indicateurs socio-économiques, et durabilité. Les chercheurs doivent signer des accords de non-divulgation pour utiliser les données et il existe des couches de confidentialité et de cryptage, il est donc impossible de tracer des points de données jusqu'à une personne en particulier. Les données peuvent inclure des tampons géolocalisés sur un Tweet qui indiquent l'emplacement géographique du tweeter, les données de recensement qui indiquent où les gens ont migré, et les données GPS qui montrent à quelle vitesse une voiture a atteint sa destination prévue et quel itinéraire le conducteur a choisi—distance la plus courte, moins de traffic, plus pittoresque, etc.

Un projet, dirigé par Surendra Hazarie, un doctorant en physique, utilise les données pour examiner les modèles de ségrégation dans les villes, en fonction des revenus, course, ou d'autres caractéristiques. « En observant les flux de population autour des villes dans les différentes régions, nous pouvons examiner la façon dont ces populations sont réparties de manière importante, " dit-il. " Peut-être que les communautés les plus riches ont tendance à s'enfermer et des choses comme ça. "

Ghoshal et d'autres membres de son groupe utilisent les données des TIC pour développer des mesures spécifiques qui définissent la façon dont les citadins se déplacent dans une ville. Leur " métrique intérieure, " par exemple, montre comment, lorsque les gens naviguent dans une ville, ils ont tendance à graviter vers le centre socio-économique. Les chercheurs ont découvert que le facteur d'inness est étroitement corrélé avec le niveau de développement socio-économique d'une ville, le développement des infrastructures, et les taux de mortalité et de mortalité. Des niveaux élevés d'inness accompagnent souvent de faibles niveaux de développement parce que les villes en cours de développement n'ont qu'un seul centre-ville. Inversement, les villes bien développées ont de multiples centres socio-économiques, et l'inness a tendance à être faible ou statistiquement insignifiante.

« La présence ou l'absence de cette « force d'attraction » sert d'indicateur historique du développement d'une ville, "                                                                                                   , au moins d'un point de vue infrastructurel.

Une autre métrique est la « centralité d'intermédiation ». Être central, c'est être entre beaucoup de choses. Par exemple, si vous vous trouvez dans une zone située entre plusieurs itinéraires, disons la zone Twelve Corners à Brighton, près de Rochester, ou un rond-point à Washington, D.C.—il y aura une centralité intermédiaire plus élevée. Contre-intuitivement, avec une connectivité accrue, que ce soit par plus de routes, pistes cyclables, ou des neurones dans le cerveau :le flux de personnes et d'informations développe une dépendance spatiale et la congestion se développe vers le centre-ville. L'implication est que les régions métropolitaines sont mieux desservies en construisant des systèmes de transport multimodaux qui permettent diverses formes de transport, plutôt que de simplement construire plus de routes.

Partenariats interdisciplinaires

Des facteurs tels que l'intérieur et l'intermédiarité peuvent aider à informer les urbanistes en leur donnant des éléments de base qui peuvent être appliqués n'importe où dans le monde. Le but ultime, cependant, n'est pas de remanier complètement les villes ou les structures existantes, dit Barbosa. « Il s'agit davantage de savoir comment tirer parti de ces connaissances pour, par exemple, améliorer la synchronisation des feux de circulation et dévier le flux de personnes vers un autre quartier de la ville en cas d'accident ? Comment favoriser et promouvoir la réduction de la ségrégation ? Comment pouvons-nous aider à prévenir la propagation de maladies dans les aéroports ou les hôpitaux existants ? »

À cette fin, Ghoshal et les membres de son laboratoire s'associent à des chercheurs de disciplines à travers l'Université. Kristen Bush Marshall est associée postdoctorale dans le laboratoire de Martin Zand, professeur de médecine au Centre médical, et a travaillé avec Ghoshal sur la recherche de systèmes complexes. Marshall utilise des données amalgamées anonymes provenant de dossiers de santé électroniques pour construire des réseaux de mobilité hospitalière. En utilisant ces réseaux, elle espère développer une « mesure du risque » pour la propagation des infections bactériennes à C. difficile dans les services hospitaliers.

"Comprendre comment les personnes et les emplacements sont connectés et analyser ces relations via la centralité du réseau aide à éclairer mes modèles prédictifs d'une manière qui n'aurait pas été possible avec les méthodes statistiques traditionnelles, " dit Marshall. " La science des réseaux change la façon dont nous voyons les mouvements des patients à l'hôpital et nous aide à développer des outils pour améliorer les résultats des patients et réduire la propagation des infections. "

Ghoshal et son groupe travaillent également avec Ehsan Hoque, le professeur assistant de la famille Asaro-Biggar ('92) en informatique, et son Human Computing Interaction Group pour analyser l'efficacité et la formation d'équipes réalisant des tâches spécifiques, en tirant parti de l'outil de prise de parole en public de Hoque, RocSpeak.

D'autres projets futurs incluent la cartographie des séquelles de la maladie, comme les mouvements de personnes en Afrique après la crise Ebola ou les effets du conflit en Syrie sur les mouvements transfrontaliers. L'application de principes physiques et l'implication de recherches dans différents domaines peuvent fournir des informations importantes, Ghoshal dit :"Récemment, nous avons franchi une étape importante :plus de la moitié de la population mondiale réside désormais dans des centres urbains, et cette tendance devrait se poursuivre de façon exponentielle. Comprendre ce qui fait fonctionner les systèmes urbains et comment les rendre durables est peut-être l'une des questions les plus importantes du 21e siècle. La seule façon d'aborder un problème aussi complexe est de combiner les outils, des métiers et des idées provenant de divers horizons de recherche. »