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."
Một trong những điểm nổi bật của bộ não con người là khả năng nhận ra họa tiết và mô tả nó. Trong số những họa tiết khó nhất mà ta cố tìm hiểu là khái niệm về dòng chảy hỗn loạn trong động lực học chất lỏng. Nhà vật lý người Đức Werner Heisenberg nói, "Khi tôi gặp Chúa, tôi sẽ hỏi ngài hai câu hỏi: tại sao lại có tương đối và tại sao lại có hỗn loạn? Tôi tin rằng ngài sẽ có câu trả lời cho điều thứ nhất."
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.
Dù sự hỗn loạn rất khó để hiểu dựa trên toán học, chúng ta có thể dùng hội họa để minh họa nó. Tháng 6 năm 1889, Vincent van Gogh vẽ cảnh ngay trước bình minh từ cửa sổ phòng ông ở nhà thương điên Saint-Paul-de-Mausole ở Saint-Rémy-de-Provence, nơi ông đã tự nhập viện sau khi cắt một bên tai khi bị rối loạn tâm thần. Trong bức Trời Sao, những nét cọ tròn tạo nên một bầu trời đầy những đám mây xoáy và xoáy lốc của các ngôi sao. Van Gogh và những họa sĩ trường phái Ấn tượng khác thể hiện ánh sáng khác với người đi trước, dường như bắt lấy chuyển động của chúng, ví dụ như mặt nước sáng lấp lánh ánh mặt trời, hoặc trong ánh sao nhấp nháy và tan chảy trong biển sao của trời đêm. Hiệu ứng này là do độ chói của ánh sáng, cường độ của ánh sáng trong màu sắc trên bức vẽ. Các phần tế bào nguyên thủy của vỏ não, phần nhìn thấy ánh sáng tương phản và chuyển động, nhưng không thấy màu, sẽ trộn hai cùng màu khác nhau lại nếu chúng có cùng cường độ ánh sáng. Nhưng phần phụ của não sẽ thấy những màu tương phản này mà không bị trộn lẫn. Với cả hai sự nhận thức này diễn ra cùng lúc, ánh sáng ở nhiều tác phẩm Ấn tượng dường như chuyển động và nhấp nháy. Đó là cách mà các họa sĩ Ấn tượng dùng những nét vẽ nhanh và nổi bật để khắc họa chân thực chuyển động của ánh sáng.
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 năm sau, nhà toán học Nga Andrey Kolmogorov cho ta hiểu thêm mặt toán học của sự hỗn loạn khi ông nói năng lượng trong một chất lỏng hỗn loạn ở độ dài R dao động trong khoảng 5/3 lần R. Các thí nghiệm cho thấy Kolmogorov đã đến rất gần với cách mà sự hỗn loạn vận hành, mặc dù mô tả hoàn chỉnh về sự hỗn loạn vẫn chưa có lời giải đáp trong vật lý. Dòng chảy hỗn loạn giống như chính nó với một thác năng lượng. Nói cách khác, xoáy lớn chuyền năng lượng sang những xoáy nhỏ, và tương tự như vậy ở các bậc khác. Ví dụ của việc này bao gồm cả Vết đỏ lớn của sao Mộc, sự hình thành sao và những phần tử bụi ngoài vũ trụ.
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.
Năm 2004, dùng kính thiên văn Hubble, các nhà khoa học thấy xoáy của những đám bụi quanh một ngôi sao, và nó nhắc họ nhớ đến bức "Trời sao" của Van Gogh. Những nhà khoa học đến từ Mexico, Tây Ban Nha và Anh nghiên cứu sự phát sáng trong tranh Van Gogh thật chi tiết. Họ phát hiện ra có những phần giống sự hỗn loạn của chất lỏng gần với phương trình của Kolmogorov ẩn chứa sau nhiều bức họa 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."
Các nhà phân tích phân chia bức tranh, và nghiên cứu độ sáng giữa hai điểm ảnh. Từ đường cong đo đạc sự phân bố các điểm ảnh, họ kết luận rằng bức tranh Van Gogh vẽ trong lúc bị bệnh có nhiều điểm rất giống sự hỗn loạn chất lỏng. Bức tự họa với ống điếu vẽ lúc ông không bị bệnh, không có dấu hiệu tương tự nào. Và không có tác phẩm nào có sự hỗn loạn dễ thấy từ cái nhìn đầu tiên như Tiếng Thét của 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.
Quá dễ khi nói thiên tư hỗn loạn của Van Gogh cho phép ông diễn tả sự hỗn loạn, vẫn quá khó để thể hiện chính xác sức sống mãnh liệt của cái đẹp trong thời gian bệnh nặng như vậy, Van Gogh bằng cách nào đó đã nhận thức và thể hiện một trong những khái niệm khó nhất thiên nhiên từng mang đến, và hợp nhất não và mắt với sự bí ẩn tột cùng của chuyển động, chất lỏng và ánh sáng.