Подпишитесь на научную рассылку Wonder Theory от CNN. Исследуйте вселенную с новостями о захватывающих открытиях, научных достижениях и многом другом.
Считается, что пятнистый звездный свет и клубящиеся облака на картине Винсента Ван Гога «Звездная ночь» отражают бурное состояние души художника, когда он писал эту работу в 1889 году.
Новый анализ, проведенный физиками из Китая и Франции, свидетельствует о том, что у художника было глубокое интуитивное понимание математической структуры турбулентного потока.
Турбулентный поток — обычное природное явление, наблюдаемое в жидкостях (движущейся воде, океанских течениях, кровотоке, клубящихся грозовых облаках и клубах дыма), — хаотичен, поскольку крупные завихрения или вихри образуются и распадаются на более мелкие.
Стороннему наблюдателю это может показаться случайным, но турбулентность, тем не менее, следует каскадной схеме, которую можно изучить и, по крайней мере частично, объяснить с помощью математических уравнений.
«Представьте, что вы стоите на мосту и смотрите на течение реки. Вы увидите завихрения на поверхности, и эти завихрения не случайны. Они выстраиваются в определенные узоры, и такие узоры можно предсказать с помощью физических законов», — сказал Юнсян Хуан, ведущий автор исследования, опубликованного во вторник в научном журнале Physics of Fluids. Хуан — научный сотрудник Государственной ключевой лаборатории морской экологической науки и Колледжа океанических и земных наук в Университете Сямыня на юго-востоке Китая.
«Звездная ночь» — это картина маслом на холсте, которая, как отмечается в исследовании, изображает вид перед восходом солнца из окна, выходящего на восток, комнаты художника в приюте в Сен-Реми-де-Прованс на юге Франции. Ван Гог сам себя поместил в приют после того, как изуродовал свое левое ухо.
Используя цифровое изображение картины, Хуан и его коллеги изучили масштаб ее 14 основных вихревых форм, чтобы понять, соответствуют ли они физическим теориям, описывающим передачу энергии от крупных вихрей к мелким при их столкновении и взаимодействии друг с другом.
«Звездная ночь» и теории турбулентности
Атмосферное движение нарисованного неба невозможно измерить напрямую, поэтому Хуан и его коллеги точно измерили мазки и сравнили размер мазков с математическими шкалами, ожидаемыми из теорий турбулентности. Для измерения физического движения они использовали относительную яркость или светимость различных цветов краски.
Они обнаружили, что размеры 14 вихрей или завихрений в «Звездной ночи», а также их относительное расстояние и интенсивность следуют физическому закону, который управляет динамикой жидкости, известному как теория турбулентности Колмогорова.
В 1940-х годах советский математик Андрей Колмогоров описал математическую связь между колебаниями скорости потока и скоростью рассеивания его энергии.
Хуан и его команда также обнаружили, что краска в мельчайшем масштабе смешивается с некоторыми фоновыми завихрениями и вихрями способом, предсказанным теорией турбулентности, следуя статистической модели, известной как масштабирование Бэтчелора. Масштабирование Бэтчелора математически представляет, как мелкие частицы, такие как дрейфующие водоросли в океане или частицы пыли на ветру, пассивно перемешиваются турбулентным потоком.
«Это круто. Действительно, это тот тип статистики, который можно было бы ожидать от цветения водорослей, переносимого океанскими течениями, или пыли и частиц в воздухе», — написал Джеймс Битти, научный сотрудник кафедры астрофизических наук Принстонского университета в Нью-Джерси, в электронном письме. Битти не принимал участия в этом исследовании, но провел похожее исследование произведения искусства.
«В своей работе я рассматривал только крупные (завитки на картине), поэтому не видел этой второй связи», — сказал он, имея в виду масштабирование Бэтчелора.
«Удивительное совпадение»
Конечно, сказал Хуан, Ван Гог не мог знать о таких уравнениях, но, вероятно, он провел много времени, наблюдая за турбулентностью в природе.
«Я думаю, что эти физические отношения, должно быть, были заложены в его сознании, поэтому, когда он создал эту знаменитую картину «Звездная ночь», она имитировала реальный поток», — сказал Хуан.
Битти согласился: «Это удивительное совпадение, что прекрасная картина Ван Гога во многом соответствует той же статистике, что и турбулентность», — сказал он.
«Это имеет некоторый смысл — модели были построены, чтобы попытаться захватить статистику водоворотов и завихрений в нескольких масштабах, где каждый водоворот сообщается с другими водоворотами через турбулентный каскад. В каком-то смысле Ван Гог нарисовал что-то, что представляет это явление, так почему бы не быть некоторой конвергенции между теоретическими моделями и статистикой водоворотов Ван Гога?»
Исследовательская группа провела тот же анализ и обнаружила то же явление на двух других изображениях: одно из них — картина «Цепной пирс, Брайтон», созданная британским художником Джоном Констеблом в 1826–1827 годах, а другое — фотография Большого Красного Пятна Юпитера, сделанная космическим аппаратом НАСА «Вояджер-1» 5 марта 1979 года.
«В отличие от «Звездной ночи» на этой картине отсутствуют четко выраженные закрученные узоры, но облака богаты структурами разного масштаба, напоминающими те, которые часто можно увидеть на небе», — отмечается в исследовании художественного произведения Констебла.
«Звездная ночь», выставленная в Музее современного искусства в Нью-Йорке, — чрезвычайно популярное произведение искусства, воссозданное из кубиков Lego, дронов и домино.
Хуан сказал, что ученые долго пытались описать турбулентный поток в динамике жидкости таким образом, чтобы это позволило им предсказать явление, и что полное объяснение остается преобладающей загадкой физики. Полное понимание помогло бы с прогнозированием погоды, турбулентностью полета и многими другими процессами, сказал он.
«Даже после более чем 100 лет (изучения) мы даже не знаем, как определить это сложное явление», — сказал Хуан. «Это чрезвычайно важно, но и чрезвычайно сложно».
По словам Битти, тот факт, что «Звездная ночь» соответствует статистическим моделям турбулентности, хотя произведение искусства на самом деле не движется, может указывать на то, что статистические методы и инструменты менее точны, чем предполагали ученые.
Картину невозможно точно измерить, потому что «она на самом деле не является турбулентностью. … Она не имеет кинетической энергии», — сказал он.
Однако Битти заявил, что он большой поклонник этого произведения искусства и что оно отражает универсальность и красоту турбулентности.
«Мне очень нравится тот факт, что я могу применить свое понимание турбулентности в плазме между галактиками к турбулентности между звездами, между Землей и Солнцем или в наших собственных озерах, океанах и атмосфере», — сказал он.
«Из подобных исследований я извлекаю то, что (Ван Гог) запечатлел часть этой универсальности в прекрасном («Звездная ночь»)», — добавил Битти. «И я думаю, люди это знают. Они знают, что в этой картине заложено что-то прекрасное, и нас это тянет».
