Голландский художник запечатлел сложное турбулентное поведение потоков за десятилетия до того, как ученые формально их описали.
В 1889 году Винсент Ван Гог боролся со своими демонами в приюте Сен-Реми-де-Прованс, и за несколько недель создал одну из самых знаковых картин всех времен – “Звездную ночь”. Шедевр всегда интерпретировался как отражение раздробленной психики Ван Гога. Всего годом ранее он отрезал часть своего левого уха после нервного срыва.
Но кружащееся небо в его шедевре может быть чем-то большим, чем просто проекцией его внутренних переживаний. Изображение ночного неба Ван Гогом является поразительно точным представлением сложного физического явления: турбулентности.
Содержание
Скрытая турбулентность в звездах
На протяжении многих лет кружащееся синее небо, усыпанное яркими желтыми звездами и полумесяцем, захватывало любителей искусства своим динамичным движением. Теперь ученые заглянули глубже в картину и обнаружили нечто экстраординарное: Ван Гог, возможно, непреднамеренно запечатлел физику атмосферной турбулентности.
Исследователи из Китая и Франции проанализировали пространственный масштаб мазков картины и то, как свет, кажется, пульсирует вокруг звезд. “С помощью цифрового изображения высокого разрешения мы смогли точно измерить типичный размер мазков и сравнить их с масштабами, ожидаемыми от теорий турбулентности”, – сказал морской ученый Юнсян Хуан, один из авторов исследования.
Они обнаружили, что картина соответствует концепции, известной как закон Колмогорова – математической теории, которая предсказывает передачу энергии в турбулентных потоках через различные масштабы движения внутри жидкости. В турбулентном потоке большие вихри или завихрения жидкости распадаются на все меньшие и меньшие, каскадируя энергию от крупномасштабного движения к все более мелким масштабам, пока она не рассеивается в виде тепла на молекулярном уровне.
Это явление часто наблюдается в атмосферных или океанических системах, и ночное небо Ван Гога, заполненное кружащимися формами различных размеров, кажется, запечатлело этот процесс с удивительной точностью.
Новый взгляд на мастерство Ван Гога
Идея турбулентности в работах Ван Гога не нова. Предыдущие исследования уже намекали на соответствие между “Звездной ночью” и теорией турбулентности. Но что делает это последнее исследование выдающимся, так это то, насколько глубоко оно погружается в мельчайшие детали картины – вплоть до отдельных мазков кисти. Изучая яркость, или светимость, цветов Ван Гога, исследователи рассматривали картину так, как если бы она была физической системой, где яркость представляла поток энергии.
Их анализ выявил нечто еще более замечательное: в то время как большие завихрения на небе соответствуют закону Колмогорова, микрокосмос мазков Ван Гога – где свет затухает и рассеивается – следует другому принципу, известному как масштабирование Бэтчелора. Этот второй тип масштабирования описывает, как энергия ведет себя на гораздо меньшем масштабе, где диффузия берет верх над турбулентностью. “Это раскрывает глубокое и интуитивное понимание природных явлений”, – сказал Хуан.
Найти оба масштабирования в одной атмосферной системе редкость, и знаменитый голландский художник, похоже, запечатлел множество измерений атмосферной физики.
Исследователи не остановились на “Звездной ночи”. Они обнаружили подобные паттерны в двух других картинах позднего периода Ван Гога – “Пшеничное поле с воронами” и “Дорога с кипарисом и звездой” – что предполагает, что это явление не было единичным случаем. Ван Гог, кажется, обладал исключительной способностью переводить физический мир в искусство.
Больше, чем просто искусство
Интуитивное понимание Ван Гогом физики, особенно в запечатлении такого сложного движения, не что иное, как замечательно и раскрывает врожденное понимание природы.
По словам Хуана, недавние исследования побудили ученых переосмыслить, как мы определяем саму турбулентность. Традиционно считается, что турбулентность характерна исключительно для потоков с высоким числом Рейнольдса – где доминирует инерция, а вязкость играет незначительную роль. Но, как отмечают авторы исследования, в последние годы турбулентноподобное поведение наблюдалось на гораздо меньших масштабах.
“Похоже, пришло время предложить новое определение турбулентности, чтобы охватить больше ситуаций”, – сказал Хуан. Редкое сосуществование масштабирования и Колмогорова, и Бэтчелора в одной системе – как в картине Ван Гога – может расширить наше понимание того, как турбулентность проявляется в различных средах, от планетарных атмосфер до мельчайших масштабов в природе.
В конечном итоге, картина Ван Гога может предложить больше, чем просто эстетическую красоту. Она представляет новую призму, через которую можно рассматривать и искусство, и науку, где интуиция и физика сходятся в кружащемся ночном небе.
Результаты исследования опубликованы в журнале Physics of Fluids.
Читайте также: Теория хаоса: маленькие причины, огромные последствия
