교통 체증의 원인은 여러 가지다. 당연히 길이 막히는 첫째 이유는 자동차가 많고 도로가 좁기 때문이다. 지름이 커서 단면적이 넓은 파이프에는 작은 파이프보다 같은 시간 동안 더 많은 물이 지나갈 수 있다. 마찬가지로 차선이 많은 넓은 도로에서 더 많은 차가 다닐 수 있다. 하지만 하나의 차선 위를 달릴 수 있는 차량의 수는 정해져 있다.
교통공학자들에 따르면 한 차선에서 안전하게 달릴 수 있는 자동차의 수는 시간당 1,800대라고 한다. 자동차가 2초에 1대꼴로 지나가는 속도로, 최소 이 정도는 되어야 운전자가 앞차의 움직임을 파악하면서 안전하게 운전할 수 있다. 이 이상 자동차가 많아지면 그 도로는 막히고 사고 위험도 높아진다. 하지만 똑같은 넓이의 도로에 똑같은 수의 자동차가 있더라도 모든 곳에서 똑같이 길이 막히는 건 아니다. 왜 그럴까. 세계의 물리학자들은 이 문제를 놓고 1990년대부터 교통량 속에서 자연적 체증을 이끌어내는 인자들의 복잡한 상호작용을 수없이 연구해왔다. 그 결과 중 하나가 운전자의 특성이다. 차량 운전자들의 습관과 자신들의 판단대로 차량을 운전하기 때문에 차간거리가 불규칙해지면서 병목현상이 나타난다는 것이다. 도로에 차가 많더라도 앞뒤 차와 일정한 간격을 유지하면서 운전하면 느리지만 꾸준하게 움직일 수 있다. 하지만 실제 도로에서 자동차가 움직이는 모습은 파도치듯 일렁거린다. 많은 운전자가 어느 순간 속도를 확 냈다가 다시 확 줄이며 운전하기 때문이다.
잘 달리던 앞차가 돌발적인 상황으로 갑자기 속도를 줄이면 그 결과는 전후좌우 차에 영향을 미친다. 브레이크를 밟는 시점이 앞차에서 점점 뒤로 진행돼, 바로 뒤 차량은 급하게 브레이크를 잡아야 하고, 맨 뒤 차량은 아예 정지해야 한다. 교통량이 적으면 그 효과가 곧 없어지겠지만 교통량이 많은 경우 작은 정체 구역을 형성하고, 이러한 정체 구역은 점점 뒤로 전파되어 그 결과 흐름이 깨지면서 차가 막히게 되는 것이다.

그렇다면 신호등이나 교차로도 없는 고속도로가 막히는 이유는 뭘까. 자동차가 고속도로로 들어오는 합류부에서 발생하는 정체가 뒤로 전달되기 때문이다. 잘 흐르던 고속도로에 갑자기 자동차가 들어오면 뒤따라오던 자동차가 순간적으로 속도를 늦추게 된다. 예를 들어 시속 100㎞로 달리던 도로에 자동차가 계속 끼어들어 시속 40㎞로 줄었다고 하자. 당장은 합류부 근처만 속도가 줄어든다. 그러나 뒤따라오던 차량이 연쇄적으로 속도를 줄이면서 순식간에 전체 도로의 속도가 시속 40㎞로 떨어지게 된다. 서행 차량이 추월차선에 들어서는 경우도 마찬가지다. 그 뒤를 쫓던 고속 차량의 속도가 뚝 떨어지는 건 당연한 일. 감속의 파도는 곧 뒤로 물결쳐 간다. 결정적인 순간에 이런 일이 벌어지면 ‘한 대의 차량’ 때문에 많은 차량이 꼬리를 물고 기어가게 된다.