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."
Viens no cilvēka smadzeņu apbrīnojamākajiem aspektiem ir to spēja atpazīt modeļus un tos aprakstīt. Viens no sarežģītākajiem modeļiem, ko esam mēģinājuši izprast, ir turbulentas plūsmas jēdziens šķidrumu dinamikā. Vācu fiziķis Verners Haizenbergs teica: „Kad satikšu Dievu, es viņam uzdošu divus jautājumus: kāpēc relativitāte un kāpēc turbulence? Es tiešām ticu, ka uz pirmo viņam būs atbilde.”
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.
Lai arī cik sarežģīti nebūtu izprast turbulenci matemātiski, mēs tās attēlošanai varam izmantot mākslu. 1889. gada jūnijā Vinsents van Gogs uzgleznoja ainavu pirms saulrieta, kas bija redzama no viņa istabas loga Senpolas de Mozolas psihiatriskajā dziednīcā Senremī de Provansā, kurā viņš iestājās pēc tam, kad psihozes epizodē sakropļoja pats savu ausi. „Zvaigžņotajā naktī” viņa apļveidīgie otas triepieni radīja naksnīgas debesis, kas pilnas mākoņu un zvaigžņu virpuļu. Van Gogs un citi impresionisti gaismu atainoja citādāk nekā viņu priekšteči, šķietami notverot tās kustību, piemēram, saules pielijušos ūdeņos vai šeit, zvaigžņu gaismā, kas vizuļo un izplūst naksnīgo debesu pienkrāsas viļņos. Šo efektu izraisa spilgtums, krāsu intensitātes atšķirība uz audekla. Mūsu vizuālās smadzeņu garozas primitīvākā daļa, kas uztver gaismas kontrastu un kustību, bet ne krāsu, sapludinās kopā dažādu krāsu apgabalus, ja tiem ir vienāds spilgtums. Taču mūsu smadzeņu primātu daļa uztvers kontrastējošās krāsas, tās nesapludinot. Šīm abām interpretācijām notiekot vienlaikus, gaisma daudzu impresionistu darbos šķiet savādi pulsējam, mirguļojam un izstarojam mirdzumu. Tieši tā šajā un citos impresionistu darbos ir izmantoti ātri un bagātīgi otas triepieni, lai gaismas kustībā notvertu ko pārsteidzoši īstu.
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 gadus vēlāk krievu matemātiķis Andrejs Kolmogorovs padziļināja mūsu turbulences matemātisko izpratni, ierosinot, ka enerģija turbulentā šķidrumā ar garumu R mainās proporcionāli R pakāpē 5/3. Eksperimentāli mērījumi pierāda, ka Kolmogorovs bija apbrīnojami tuvu tam, kā izpaužas turbulenta plūsma, lai arī pilnīgs turbulences skaidrojums joprojām ir viens no fizikas neatrisinātajiem uzdevumiem. Turbulenta plūsma ir pašlīdzīga, ja pastāv enerģijas kaskāde. Citiem vārdiem sakot, lielie virpuļi nodod enerģiju mazākajiem virpuļiem, kas to nodod tālāk vēl mazākā mērogā. Viens no piemēriem ir Jupitera Lielais sarkanais plankums, mākoņu veidojumi un starpzvaigžņu putekļu daļiņas.
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.
2004. gadā, izmantojot Habla kosmisko teleskopu, zinātnieki ap kādu zvaigzni ieraudzīja putekļu un gāzes mākoņa virpuļus, kas viņiem atgādināja van Goga „Zvaigžņoto nakti”. Tas pamudināja zinātniekus no Meksikas, Spānijas un Anglijas padziļināti izpētīt spilgtumu van Goga gleznās. Viņi atklāja, ka daudzās van Goga gleznās ir redzams turbulentu šķidrumu modelis, kas ir tuvs Kolmogorova vienādojumam.
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."
Pētnieki gleznas digitizēja un izmērīja, kāda ir spilgtuma atšķirība starp diviem pikseļiem. No izliekumiem izmērītajām pikseļu atšķirībām viņi secināja, ka van Goga psihotisko ciešanu laika gleznas ir pārsteidzoši līdzīgas šķidrumu turbulencei. Viņa pašportretā ar pīpi, no mierīgāka van Goga dzīves posma, šāda līdzība nav atrodama. Tādas nebija arī citu mākslinieku darbos, kas sākumā šķiet tikpat turbulenti, piemēram, Munka „Kliedzienā”.
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.
Lai arī ir viegli apgalvot, ka van Goga vētrainā ģenialitāte ļāva viņam atainot turbulenci, ir arī ļoti grūti izteikt vārdos saviļņojumu, ko rada fakts, ka šajā milzīgo ciešanu laikā van Gogs kaut kā bija spējīgs uztvert un attēlot vienu no vissarežģītākajiem jēdzieniem, ko daba jelkad radījusi, un apvienot sava unikālā prāta redzējumu ar vislielākajiem kustības, šķidruma un gaismas noslēpumiem.