Smatra se da zvjezdana svjetlost i uskovitlani oblaci „Zvjezdane noći” Vinsenta van Goga odražavaju umjetnikovo burno stanje uma kada je slikao djelo 1889. godine. Analiza kineskih i francuskih fizičara ukazuje da je umjetnik imao duboko intuitivno razumijevanje matematičke strukture turbulencije.
Kao uobičajena prirodna pojava koja se primjećuje kod tečnosti i gasa – vrtlozi vode, okeanske struje, protok krvi, olujni oblaci i dim cigarete ili iz dimnjaka – turbulentni tok je haotičan, jer pored srednje brzine strujanja, svaka čestica tečnosti ili gasa ima još i dodatnu brzinu koja može biti djelimično u smjeru glavnog strujanja, djelimično suprotna smjeru strujanja.
Običnom posmatraču ova pojava može da djeluje kao nasumična, ali turbulencija ipak prati kaskadni obrazac koji se može proučavati i, barem djelimično, objasniti pomoću matematičkih jednačina.
„Zamislite da stojite na mostu i gledate kako rijeka teče. Vidjećete vrtloge na površini, a ti kovitlaci nisu slučajni. Oni se uređuju u specifične obrasce, a ove vrste obrazaca mogu se predvidjeti fizičkim zakonima“, navodi Jongšijang Huang, vodeći autor studije koja je objavljena u naučnom časopisu Fizika fluida (Physics of Fluids). Huang je istraživač u Državnoj laboratoriji na Univerzitetu Sjamen u jugoistočnoj Kini.
Van Gogovo ulje na platnu Zvjezdana noć, kako je navedeno u studiji, prikazuje izgled neba neposredno prije izlaska sunca sa prozora okrenutog prema istoku umjetnikove sobe u Sen Remiju u južnoj Francuskoj gdje je umjetnik bio smješten pošto je sebi odsjekao lijevo uvo.
Istraživači su proučavali 14 vrtloga ili kovitlaca na Van Gogovoj proslavljenoj slici
Pošto su digitalizovali sliku, Huang i njegove kolege proučavali su skalu njenih 14 glavnih vrtložnih oblika da bi otkrili da li su u skladu sa fizičkim teorijama koje opisuju prenos energije od velikih vrtloga do malih dok se sudaraju i stupaju u interakciju jedni s drugima.
Zvjezdana noć i teorije turbulencije
Atmosfersko kretanje naslikanog neba ne može se direktno izmjeriti, pa su Huang i njegove kolege precizno izmjerili poteze četkicom i uporedili veličinu poteza sa matematičkim skalama teorija turbulencije. Da bi procijenili fizičko kretanje, koristili su relativnu osvjetljenost ili osvjetljenost različitih tonova boje.
Otkrili su da veličina 14 vrtloga u Zvjezdanoj noći i njihova relativna udaljenost i intenzitet prate fizički zakon koji upravlja dinamikom fluida poznat kao Kolmogorovljeva teorija turbulencije.
Tokom četrdesetih, sovjetski matematičar Andrej Kolmogorov opisao je matematičku vezu između fluktuacija brzine protoka i brzine kojom se njegova energija raspršuje.
Istraživači su analizirali poteze četkice i poredili sa matematičkim proračunima
Huang i tim su takođe otkrili da se boja, u najmanjoj skali, miješa sa nekim pozadinskim vrtlozima i kovitlacima na način koji predviđa teorija turbulencije, prateći statistički obrazac poznatog kao Batčelorovo skaliranje. Batčelorovo skaliranje matematički predstavlja kako se male čestice, kao što su alge koje lebde u okeanu ili komadići prašine na vjetru, pasivno mešaju sa turbulentnim tokom.
„Ovo je kul. Zaista, ovo je vrsta statistike koju biste očekivali od okeanskih struja ili prašine i čestica u vazduhu“, rekao je Džejms Biti, postdoktorand na Odjeljenju za astrofiziku na Univerzitetu Prinston u Nju Džersiju za Si-En-En. Biti nije bio uključen u pomenutu studiju, ali se bavio sličnim istraživanjima umjetničkih djela.
„U svojim istraživanjima sam zaista proučavao samo velike vrtloge na slikama, tako da nisam uočio ovu drugu relaciju“, dodaje, misleći na Bačelorovo skaliranje.
Vinsent van Gog, „Zvjezdana noć“
‘Nevjerovatna slučajnost’
Naravno, rekao je Huang, Van Gog sigurno nije bio upućen u matematičke jednačine, ali je vjerovatno proveo dosta vremena posmatrajući turbulencije u prirodi.
„Mislim da je ova fizička veza morala biti ugrađena u njegov um, i otud ova čuvena slika, Zvjezdana noć, oponaša pravi tok”, ističe Huang.
Biti se slaže. „Nevjerovatna je slučajnost da Van Gogova prelijepa slika poklapa sa formulama turbulencije.“
„Ovo ima nekog smisla – modeli su konstruisani u pokušaju da se shvati statistika vrtloga i turbulencije na više skala, pri čemu svaki vrtlog komunicira sa drugim kroz turbulentnu kaskadu. U nekom smislu, Van Gog je naslikao nešto što predstavlja ovaj fenomen, pa zašto onda ne bi došlo do konvergencije između teorijskih modela i statistike Van Gogovih vrtloga?”
Oblaci koje je Konstabl oslikao takođe su bili predmet proučavanja naučnika
Istraživački tim je izvršio istu analizu i otkrio isti fenomen na dvije druge slike, na jednoj slici, Luka u Brajtonu, koju je napravio britanski umjetnik Džon Konstabl 1826-7, a na drugoj fotografiji Jupiterove velike crvene mrlje, snimljene Nasinom svemirskom sondom „Vojadžer“ 15. marta 1979. godine.
Turbulencija na Jupiteru
„Za razliku od Zvjezdane noći, ovoj slici nedostaju dobro definisani vrtložni obrasci, ali oblaci su bogati strukturama različitih razmjera, koje podsjećaju na one koje se često viđaju na nebu,” navodi se u studiji o Konstablovom umjetničkom djelu.
Na izložbi u Muzeju moderne umjetnosti u Njujorku, Zvjezdana noć je izuzetno popularno umjetničko djelo koje je reprodukovano od Lego kockica, dronovima i dominama.
Misterija fizike
Huang napominje da su se naučnici dugo borili da opišu turbulentni tok u dinamici fluida na način koji bi im omogućio da predvide fenomen i da kompletno objašnjenje ostaje preovlađujuća misterija fizike. Temeljno razumijevanje bi pomoglo u prognozi vremena, turbulencijama tokom ljeta i mnogim drugim procesima, ističe naučnik.
„Čak i poslije više od 100 godina proučavanja, mi čak ne znamo kako da definišemo ovaj složeni fenomen”, naglašava Huang. „To je izuzetno važno, ali je izuzetno teško.”
Činjenica da se Zvjezdana noć podudara sa statističkim modelima turbulencije iako se umjetničko djelo zapravo ne pomjera može ukazivati da su statističke metode i alati manje precizni nego što su naučnici možda mislili, navodi Biti. Slika se ne može precizno izmjeriti jer „Zapravo nije turbulencija. Nema kinetičke energije.”
Međutim, Biti naglašava da je veliki obožavalac ovog umjetničkog djela i da ono odražava univerzalnost i ljepotu turbulencije.
„Ono što se iz ovakvih studija može zaključti je i to da je Van Gog uhvatio dio ove univerzalnosti u svojoj Zvjezdanoj noći. I mislim da ljudi to znaju. Oni znaju da je nešto divno ugrađeno u ovu sliku i to nas privlači“, zaključuje Biti, prenosi rts.