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 degli aspetti più straordinari del cervello umano è la capacità di riconoscere dei modelli e descriverli. Tra i modelli più difficili da comprendere c'è il concetto di flusso turbolento nella dinamica dei fluidi. Il fisico tedesco Werner Heisenberg disse: "Quando incontrerò Dio, gli farò due domande: "Perché la relatività?" e "Perché la turbolenza?" Di sicuro mi risponderà alla prima."
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.
Per quanto la turbolenza sia difficile da capire matematicamente, possiamo usare l'arte per rappresentarla. Nel giugno 1889, Vincent Van Gogh dipinse la vista poco prima dell'alba dalla finestra della sua stanza del manicomio Saint-Paul-de Mausole a Saint-Rémy-de-Provence, dove si era ricoverato dopo essersi tagliato un orecchio durante un episodio psicotico. In "Notte stellata" le pennellate circolari creano un cielo notturno pieno di vortici di nubi e di mulinelli stellari. Van Gogh e altri impressionisti rappresentavano la luce in modo diverso dai predecessori, sembravano catturarne il movimento, ad esempio, su acque screziate dal sole, o qui nella luce delle stelle che scintilla e si scioglie attraverso onde lattiginose del cielo blu della notte. L'effetto è causato dalla luminanza, l'intensità della luce nei colori sulla tela. La parte più primaria della nostra corteccia visiva, che vede i contrasti e i movimenti della luce, ma non il colore, mescola due aree di colori diversi se hanno la stessa luminanza. Ma la suddivisione cerebrale primaria vedrà i colori in contrasto senza mescolarli. Con entrambe le interpretazioni in contemporanea, la luce in molte opere impressioniste pare pulsare, baluginare e irradiarsi in modo strano. Ecco come questa e altre opere impressioniste usano rapide pennellate marcate per catturare qualcosa di considerevolmente reale sul modo di muoversi della luce.
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.
60 anni dopo, il matematico russo Andrey Kolmogorov incoraggiò la nostra comprensione matematica della turbolenza ipotizzando che l'energia in un fluido turbolento di lunghezza R varia in proporzione alla potenza 5/3 di R. Misurazioni sperimentali mostrano come Kolmogorov fosse straordinariamente vicino al modo in cui funzionano i flussi turbolenti, sebbene una descrizione completa delle turbolenze rimanga una delle questioni irrisolte della fisica. Un fluido turbolento è sempre simile a se stesso se c'è una cascata di energia: i mulinelli grandi trasferiscono energia a quelli più piccoli, che fanno lo stesso in scala. Esempi ne sono la macchia rossa di Giove, la formazione delle nubi e le particelle di polvere interstellare.
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.
Nel 2004, con il telescopio Hubble, degli scienziati osservarono i mulinelli di una nube di polvere intorno a una stella, e si ricordarono della "Notte stellata" di Van Gogh. Questo spinse scienziati di Messico, Spagna e Inghilterra a studiare in dettaglio la luminanza nei dipinti di Van Gogh. Scoprirono che c'è un preciso modello di strutture fluide turbolente, simile all'equazione di Kolmogorov, nascosto in molti dipinti di 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."
I ricercatori hanno digitalizzato i quadri e misurato come la luminosità vari ogni due pixel. Dalle curve misurate per la separazione in pixel, hanno concluso che i dipinti di Van Gogh del periodo di agitazione psicotica si comportano in modo straordinariamente simile alla turbolenza fluida. L'autoritratto con la pipa, di un periodo più calmo della vita di Van Gogh, non ha mostrato alcuna corrispondenza. E neanche opere di altri artisti che a prima vista sembrano ugualmente turbolente, come "L'urlo" di 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.
Mentre sarebbe troppo facile dire che il genio turbolento di Van Gogh gli ha consentito di raffigurare la turbolenza, è anche fin troppo difficile esprimere accuratamente la bellezza esaltante del fatto che in un periodo di profonda sofferenza, Van Gogh sia stato capace di percepire e rappresentare uno dei concetti più difficili in assoluto che la natura abbia mai offerto all'uomo, e di unire la sua singolare immaginazione ai misteri più profondi dei movimenti, dei fluidi e della luce.