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."
Uno de los aspectos más extraordinarios del cerebro humano es su habilidad de reconocer patrones y describirlos. Entre los patrones más complicados que hemos intentado comprender está el concepto de flujo turbulento en la dinámica de fluidos. El físico alemán Werner Heisenberg dijo: "Cuando me encuentre a Dios, le haré dos preguntas: ¿Por qué la relatividad? y ¿por qué la turbulencia? De veras creo que tendrá respuesta para la primera".
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.
Tan difícil como es de entender la turbulencia matemáticamente, podemos usar el arte para representar su aspecto. En junio de 1889, Vincent van Gogh pintó las vistas justo antes del amanecer desde la ventana de su habitación en el psiquiátrico Saint Paul-de-Mausole en Saint-Rémy-de-Provence, donde se había internado tras mutilarse su propia oreja en un episodio psicótico. En "La noche estrellada", sus pinceladas circulares crean un cielo nocturno lleno de nubes revueltas y remolinos de estrellas. Van Gogh y otros expresionistas representaron la luz de una forma diferente a la de sus predecesores, pareciendo capturar su movimiento, por ejemplo, a través de aguas moteadas por el sol, o aquí, en la luz de las estrellas que parpadea y se derrite a través de ondas blanquecinas del cielo azul nocturno. El efecto es causado por la luminosidad, la intensidad de la luz en los colores del lienzo. La parte más primitiva de la corteza visual, que ve el contraste y el movimiento de la luz, pero no el color, mezcla dos áreas de diferente color si tienen la misma luminosidad. Pero la subdivisión primitiva de nuestro cerebro verá los contrastes de color sin mezclarse. Con estas dos interpretaciones ocurriendo a la vez, la luz en muchas obras impresionistas pareciera vibrar, parpadear e irradiar extrañamente. Así es como esta y otras obras impresionistas usan pinceladas prominentes ejecutadas rápidamente para capturar algo impresionantemente real como la forma en que se mueve la luz.
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.
Sesenta años más tarde, el matemático ruso Andrey Kolmogorov impulsó nuestra comprensión matemática de la turbulencia cuando propuso que la energía en un flujo turbulento a longitud R varía en proporción 5/3 la potencia de R. Mediciones experimentales demuestran que Kolmogorov estaba notablemente cerca de la forma en que funciona el flujo turbulento, aunque una descripción completa de la turbulencia aún es uno de los problemas sin resolver de la física. Un flujo turbulento es autosimilar si hay una cascada de energía. en otras palabras, los remolinos grandes transfieren energía a los pequeños, los cuales hacen lo mismo a otra escala. Ejemplos de esto incluyen la gran mancha roja de Júpiter, formaciones de nubes y partículas de polvo interestelar.
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.
En 2004, usando el telescopio espacial Hubble, científicos vieron los remolinos de nube de polvo y gas lejana alrededor de una estrella, y les recordó a la "Noche estrellada" de Van Gogh. Esto motivó a científicos de México, España e Inglaterra a estudiar la luminosidad en las pinturas de Van Gogh con detalle. Descubrieron que hay un patrón distinto de estructuras de fluidos turbulentos cercana a la ecuación de Kolmogorov escondido en muchas pinturas de Van Gogh.
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."
Los investigadores digitalizaron las pinturas, y midieron cómo el brillo varía entre dos píxels cualquiera. Por las curvas medidas de las de las separaciones de píxels, concluyeron que las pinturas del período de agitación psicótica de Van Gogh se comportaban de manera muy similar a las del fluido turbulento. Su autorretrato con una pipa, de un periodo más calmado de Van Gogh, no mostró signos de esta correspondencia. ni tampoco las obras de otros artistas que parecían igualmente turbulentos a primera vista, como "El grito" de Munch.
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.
A pesar de que es muy fácil decir que Van Gogh era un genio turbulento capaz de representar la turbulencia, también es muy difícil expresar con exactitud la belleza emocionante del hecho, de que en un período de sufrimiento intenso, Van Gogh fue de alguna manera capaz de percibir y representar uno de los conceptos más difíciles que la naturaleza ha puesto ante la humanidad, y unirse con su singular ojo mental al misterio más profundo del movimiento, el fluido y la luz.