Една от най-забележителните характеристики на човешкия мозък е способността му да разпознава мотиви и да ги описва. Един от най-трудните мотиви, които сме се опитвали да разберем е идеята за турбулентнo течение в хидродинамиката. Немският физик Вернер Хайзенберг е казал: "Като срещна Бог, ще му задам два въпроса: защо относителността и защо турбулентността? Вярвам, че ще може да отговори на първия."
One of the most remarkable aspects of the human brain is its ability to recognize patterns and describe them. Among the hardest patterns we've tried to understand is the concept of turbulent flow in fluid dynamics. The German physicist Werner Heisenberg said, "When I meet God, I'm going to ask him two questions: why relativity and why turbulence? I really believe he will have an answer for the first."
Макар и турбулентността да е трудна за разбиране математически, можем чрез изкуство да опишем начина, по който изглежда. През юни 1889, Винсент ван Гог нарисувал гледката точно преди изгрев от прозореца на стаята си в лудницата Сен-Пол-дьо–Мосол в Сен-Реми-дьо-Прованс, където постъпил след като осакатил собственото си ухо в епизод на психоза. В "Звездна нощ" кръгообразните краски пресъздават нощно небе, изпълнено с въртящи се облаци и вихрушки от звезди. Ван Гог и другите импресионисти изобразявали светлината по различен начин от предшествениците си, сякаш улавяйки движението й, например във водата, изпъстрена със слънчеви петна или звездната светлина тук, която блещука и се топи в млечните вълни на синьото нощно небе. Причина за този ефект е яркостта, интензивността на светлината в цветовете на платното. По-примитивната част от зрителната ни кора, която вижда светлинни контрасти и движение, но не и цвят, ще смеси две области, оцветени различно, ако са еднакво ярки. Но частта от мозъка ни на примати ще види контрастните цветове без да ги смесва. С тези две интерпретации, които се случват едновременно, светлината в много импресионистични творби сякаш пулсира, проблясва и излъчва особено. Ето как тази и други импресионистични творби използват бързо нанесени, изпъкващи щрихи, за да уловят по поразително истински начин движението на светлината.
As difficult as turbulence is to understand mathematically, we can use art to depict the way it looks. In June 1889, Vincent van Gogh painted the view just before sunrise from the window of his room at the Saint-Paul-de-Mausole asylum in Saint-Rémy-de-Provence, where he'd admitted himself after mutilating his own ear in a psychotic episode. In "The Starry Night," his circular brushstrokes create a night sky filled with swirling clouds and eddies of stars. Van Gogh and other Impressionists represented light in a different way than their predecessors, seeming to capture its motion, for instance, across sun-dappled waters, or here in star light that twinkles and melts through milky waves of blue night sky. The effect is caused by luminance, the intensity of the light in the colors on the canvas. The more primitive part of our visual cortex, which sees light contrast and motion, but not color, will blend two differently colored areas together if they have the same luminance. But our brains' primate subdivision will see the contrasting colors without blending. With these two interpretations happening at once, the light in many Impressionist works seems to pulse, flicker and radiate oddly. That's how this and other Impressionist works use quickly executed prominent brushstrokes to capture something strikingly real about how light moves.
60 години по-късно руският математик Андрей Колмогоров разширил математическото ни разбиране за турбулентността, като предположил, че енергията на турбулентен флуид с дължина R варира пропорционално на R на степен 5/3. Пробните измервания показват, че Колмогоров е бил изключително близо до начина на работа на турбулентния поток, въпреки че пълното описание на турбулентността остава една от нерешените задачи във физиката. Един турбулентен поток е себеподобен, ако има енергийна каскада. С други думи, големите вихри прехвърлят енергията си към по-малки, които правят същото в друг мащаб. Примери за това са Голямото червено петно на Юпитер, облачни формации и частици междузвезден прах.
Sixty years later, Russian mathematician Andrey Kolmogorov furthered our mathematical understanding of turbulence when he proposed that energy in a turbulent fluid at length R varies in proportion to the 5/3rds power of R. Experimental measurements show Kolmogorov was remarkably close to the way turbulent flow works, although a complete description of turbulence remains one of the unsolved problems in physics. A turbulent flow is self-similar if there is an energy cascade. In other words, big eddies transfer their energy to smaller eddies, which do likewise at other scales. Examples of this include Jupiter's Great Red Spot, cloud formations and interstellar dust particles.
През 2004, чрез космическия телескоп Хъбъл, учените видяха вихрите на далечен облак прах и газ около една звезда и тя им заприлича на "Звездна нощ" на Ван Гог. Това мотивира учени от Мексико, Испания и Англия да изследват подробно яркостта в картините на Ван Гог. Те откриха, че има явен мотив на структури на турбулентен флуид, близки до уравнението на Колмогоров, скрити в много от картините на Ван Гог.
In 2004, using the Hubble Space Telescope, scientists saw the eddies of a distant cloud of dust and gas around a star, and it reminded them of Van Gogh's "Starry Night." This motivated scientists from Mexico, Spain and England to study the luminance in Van Gogh's paintings in detail. They discovered that there is a distinct pattern of turbulent fluid structures close to Kolmogorov's equation hidden in many of Van Gogh's paintings.
Изследователите дигитализираха картините и измериха как се променя яркостта между всеки два пиксела. От измерените криви на разстоянието между пикселите те заключиха, че картините от периода на психотична възбуда на Ван Гог са забележително подобни на турбулентността на флуидите. Неговият автопортрет с лула от по-спокоен период в живота му не показва такава прилика. Нито пък я има в творбите на други художници, които изглеждат също толкова турбулентни на пръв поглед, като "Викът" на Мунк.
The researchers digitized the paintings, and measured how brightness varies between any two pixels. From the curves measured for pixel separations, they concluded that paintings from Van Gogh's period of psychotic agitation behave remarkably similar to fluid turbulence. His self-portrait with a pipe, from a calmer period in Van Gogh's life, showed no sign of this correspondence. And neither did other artists' work that seemed equally turbulent at first glance, like Munch's "The Scream."
Твърде лесно е да кажем, че турбулентният гений на Ван Гог му е помогнал да опише турбулентността, но е доста по-трудно да изразим точно вдъхновяващата красота на факта, че в период на тежко страдание Ван Гог е бил в състояние да улови и пресъздаде едно от крайно трудните понятия, които природата някога е представяла на човечеството и да слее погледа на уникалното си съзнание с най-дълбоките тайни на движението, течностите и светлината.
While it's too easy to say Van Gogh's turbulent genius enabled him to depict turbulence, it's also far too difficult to accurately express the rousing beauty of the fact that in a period of intense suffering, Van Gogh was somehow able to perceive and represent one of the most supremely difficult concepts nature has ever brought before mankind, and to unite his unique mind's eye with the deepest mysteries of movement, fluid and light.