Mobiele Stagnatie

Blog 103, Mobiele Stagnatie

Je hebt er lekker de gang in, voor en achter je is weinig verkeer en dan zie je de waarschuwingsborden boven de weg oplichten. 70 verandert in 50, voor je wordt het drukker, remlichten flitsen aan, alarmlichten beginnen te knipperen en je moet in de remmen.
Stilstand. Wat zou er gebeurd zijn? Je rolt een paar meter verder en staat weer stil. Je irritante buurman dringt zich in jouw rij, dus sluit je vanaf dan dicht aan op jouw voorganger. En dan, na een kwartier of meer optrekken en stilstaan, begint alles weer te rijden en ben je weer lekker op gang. 

Geen enkel teken van een ongeluk of werkzaamheden te zien. Het is een raadsel waarom de file ontstond. Men noemt dit een 'spookfile'. Dit soort files verplaatst zich vanzelf achteruit over de weg doordat er nieuwe voertuigen aanschuiven en de voertuigen aan de voorkant weer doorrijden, waardoor er een harmonica effect ontstaat. Het ontstaan van deze files is te verklaren doordat er, zelfs als iedereen zich aan de snelheidslimiet houdt, kleine verschillen tussen de auto's optreden door menselijke besturing. Even op de rem trappen, kan een kettingreactie aan afremmende auto's veroorzaken, waardoor alles in elkaar schuift en de file daar is.

De wetenschap vraagt zich af of als je de menselijke factor weghaalt, bijvoorbeeld door de besturing van de auto's op de snelweg over te laten nemen door een geavanceerd verkeerssysteem, deze spookfiles zullen verdwijnen. De verwachting is, helaas, dat er nog steeds spookfiles kunnen ontstaan, doordat mechanische verschillen kleine snelheidsveranderingen zullen veroorzaken. Dit werd in een onderzoek van Micha de Groot en Peter Bontenbal (2013) ook aangetoond. Hun conclusie:

Zoals verwacht kon er, ondanks de software met als doel om een exacte afstand aan te houden met

de robot voor zich, een spookfile niet vermeden worden. Hierdoor is er geconcludeerd dat het creëren van files niet alleen beïnvloed wordt door menselijk aspecten, maar ook door de chaos theorie, waarbij dit natuurkundige verschijnsel niet te voorspellen of te controleren is.

De chaostheorie komt hier om de hoek kijken. Veel mensen kennen deze theorie van het zogenaamde butterfly-effect. Een vlinder die van een blad in Japan opvliegt, kan een windvlaagje voortbrengen dat uiteindelijk een enorme storm elders veroorzaakt. Een zeer klein effect met grote gevolgen.

De ontwikkeling van de chaostheorie begon met een bijzonder verhaal. Edward Lorenz was een wiskundige die zich met het voorspellen van het weer ging bezig houden. Hij deed dat met behulp van een door hem zelf ontworpen weersysteem. Hij gebruikte daarvoor de eerste draagbare computer (van 400 kg) die door veel wetenschappers werd gebruikt. De machine produceerde iedere minuut een dag weer. De winden en temperaturen in dit eenvoudige systeem veranderden volgens een bepaald patroon, dat nooit precies hetzelfde was. Dat laatste was een niet geringe prestatie. Door deze niet-repeterende periodiciteit werd het op het instituut waar hij werkte een sport om aan de hand van de uitdraaien 'het weer van Lorentz' te voorspellen.

Op een dag voerde hij de gegevens van een paar dagen eerder in en startte het systeem opnieuw op.  Na een uur bleken de resultaten zeer verrassend. In plaats van dat het weer zich exact op dezelfde manier ontwikkelde als eerder, bleken er afwijkingen op te treden in een tempo waarbij uiteindelijk elke gelijkenis met de vorige uitdraaien verdwenen was. Lorentz dacht eerst dat er iets mis was met de computer, maar toen kreeg hij een brainwave. Bij het overtypen van de gegevens had hij gebruik gemaakt van afgeronde getallen, met de veronderstelling dat een afronding op duizendsten een te verwaarlozen verschil in de uitkomsten zou opleveren. Maar de computer rekende met zes cijfers achter de komma. Hij geeft het voorbeeld van de afgeronde waarde 0,506 die in de computer als 0,506127 was opgeslagen, een fout van ongeveer 0,025 %. De wetenschappelijke intuïtie voorspelde dat al die kleine verschillen elkaar wel zouden opheffen voordat ze ook maar enige invloed op zo'n groot en complex systeem als het weer zouden krijgen. Het feit dat dat toch gebeurde, was een verrassing die Lorentz tot de conclusie bracht dat systemen die niet-periodiek gedrag vertoonden, zoals zijn eigen weer dat iedere dag weer anders was, onvoorspelbaar waren. Het zou uitmonden in de chaostheorie, een tak van de wiskunde die zich bezig houdt met dynamische systemen die sterk afhankelijk zijn van kleine verschillen in de begincondities. Voorbeelden van dit soort systemen zijn het weer, het verkeer, biologie en economie. Een spin-off van de theorie zijn de fractals. Prachtige meetkundige figuren die soms een opvallende gelijkenis vertonen met zaken die we in de natuur tegenkomen:

   

                Varen                                    Zeepaardje                                    Aloë