星夜中的湍流
星夜中的湍流原理
3 days ago
https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/tqOuxs8dsHPVT4Ecp8ll0w9Gy7qn30s279cZLVlpBDOc5AqJVOmZWCDnSr9YlJcRkYxp1ArkPFbPjaWF1VV8eg/640?wx_fmt=jpeg○ 梵高的《星夜》（1889年）。| 图片来源：MoMa’s online Collection
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无论你是不是一位深度艺术爱好者，应该都知道梵高的《星夜》。这幅由蓝色与黄色旋涡构成的星空图画，极具视觉震撼力，让无数人为之着迷，更是激发了许多创作。James Beattie是澳大利亚国立大学的一名学生，他研究的是分子云的结构和动力学。分子云是恒星诞生的摇篮，它那搅动的旋涡常常让Beattie联想到梵高的这幅画。
最近，他与另一名学生Neco Kriel一起，决定对分子云与《星夜》的相似之处进行测试。他们利用那些用于分析模拟分子云图样的技术，将艺术和现实进行了比较，结果发现这两者展现出了同样的湍流特征（湍流是指一个有序流动的流体变化成看似不可预知的漩涡）。虽然恒星图案出现在梵高的画作中一事可能是一个令人欢喜的巧合，不过湍流图案在绘画中却非常普遍，这或许是因为湍流现象在我们的日常生活中非常常见，例如香烟头升起的一缕青烟在空气中扩散开来，以及牛奶和咖啡的混合等等。
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其实，人们早就注意到了《星夜》与天空以及湍流结构的联系。比如在2004年，哈勃望远镜在恒星麒麟座v838（位于麒麟座的一颗红色变星）周围捕捉到了一个膨胀的光晕图像，一度被描述为是梵高画作的宇宙版本。
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○ 麒麟座v838。| 图片来源：Hubble Heritage
2008年，墨西哥国立自治大学的Jose Luis Aragón与同事们发现，湍流的迹象不仅出现在《星夜》中，也同样出现在梵高的其他画作中，比如在《有丝柏的道路》和《麦田群鸦》的背景中，都弥漫着这样的湍流图案。于是，他们对《星夜》天空的亮度变化进行了逐点分析。结果发现，这些亮度涨落的统计数据似乎与数学家柯尔莫果洛夫（Andrei Kolmogorov）对亚音速湍流的预测相符，而亚音速湍流驱动着恒星的对流与地球的大气运动。
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○ 梵高的《有丝柏的道路》（1890年）。| 图片来源：Kröller-Müller Museum
但十多年来，这幅画中的湍流的确切形式始终没有得到证实。Aragón说：“我们的方法只是一个近似，要确定《星夜》中是否真的包含湍流，得到一份详细的功率谱是非常必要的。”在他们的研究中，并没有进行过功率谱的计算，而新的研究则弥补了这个缺憾。
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Beattie和Kriel将注意力集中在《星夜》中心的旋涡上。首先，他们在画的天空部分选取了一块正方形的区域，再用三种不同的颜色“频道”创建了一些二维的示意图。
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然后他们用傅里叶分析方法计算了这幅画的二维功率谱，这是对图像的一种统计分解，可以给出结构的主要长度尺度。
与Aragón不同的是，他们发现与这些结构相匹配的是超音速湍流的结构，而超音速湍流是在分子气体云中会观察到的湍流类型。Beattie表示，这种数值上的匹配非常激动人心，因为它解释了为什么《星夜》中那些似乎在“驱动”较小旋涡的大旋涡与在湍流云中发现的情况会如此相似。
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除了梵高之外，许多艺术家都曾在描绘过湍流结构，比如奥地利画家古斯塔夫·克里姆特（Gustav Klimt）也经常在他的作品中包含旋涡的特征，他的《生命之树》就是一个例子。是什么激发了艺术家的灵感，让他们将在作品中加入这样的素材呢？
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多伦多大学的心理学家Gerald Cupchik和他的同事通过进行脑部活动实验来理解人类对艺术的反应。他们发现，当受试者被要求专注于一幅画的颜色、形状以及其他构图特征时，大脑中的情感区域会活跃起来，旋涡形图案可能对某种天生的审美感知具有吸引力。但是梵高在创作《星夜》时，应该并不会考虑大脑会作何反应。
Cupchik认为，湍流的旋涡之所以经常出现在绘画中很大概率是因为这种图案在自然界中大量存在。湍流是一种我们都经历过的物理现象，我们可以在水流进排水沟时看见螺旋的形状，在汹涌的大海上看见卷曲的波浪。像梵高这样的艺术家或许对这世界上的某些特征特别敏感，所以便很自然地在自己的作品中包含了这些特征。
Cupchik说并不为梵高的旋涡与物理学中的旋涡表现出的一致性而惊讶。因为他认为艺术作品中的元素是需要相互配合、连贯一致的，否则就会是一件失败的作品。如果《星夜》中湍流旋涡与自然界中的不像，那么人们可能就会觉得有什么东西不太对劲。
艺术与科学可以相互激发，为彼此带来灵感。如此一来，当艺术家观察到自然界中的某些复杂性，并在作品中体现出了一些关键的特征，并不是一件多么不可思议的事。在创作《星夜》时，梵高不太可能真的预测到了真实恒星中存在的湍流旋涡，这一切应该只是一个美妙的巧合。
参考来源： https://arxiv.org/abs/1902.03381 https://physics.aps.org/articles/v12/45
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