„Zvezdana noć“ Vinsenta van Goga u skladu je sa naučnom teorijom

Kao uobičajena prirodna pojava koja se primećuje 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 delimično u smeru glavnog strujanja, delimično suprotna smeru strujanja.

Običnom posmatraču ova pojava može da deluje kao nasumična, ali turbulencija ipak prati kaskadni obrazac koji se može proučavati i, barem delimično, objasniti pomoću matematičkih jednačina.

„Zamislite da stojite na mostu i gledate kako reka teče. Videćete vrtloge na površini, a ti kovitlaci nisu slučajni. Oni se uređuju u specifične obrasce, a ove vrste obrazaca mogu se predvideti 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 Zvezdana noć, kako je navedeno u studiji, prikazuje izgled neba neposredno pre izlaska sunca sa prozora okrenutog prema istoku umetnikove sobe u Sen Remiju u južnoj Francuskoj gde je umetnik bio smešten pošto je sebi odsekao levo uvo.

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.

Zvezdana noć i teorije turbulencije

Atmosfersko kretanje naslikanog neba ne može se direktno izmeriti, pa su Huang i njegove kolege precizno izmerili poteze četkicom i uporedili veličinu poteza sa matematičkim skalama teorija turbulencije. Da bi procenili fizičko kretanje, koristili su relativnu osvetljenost ili osvetljenost različitih tonova boje.

Otkrili su da veličina 14 vrtloga u Zvezdanoj 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.

Huang i tim su takođe otkrili da se boja, u najmanjoj skali, meša 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 vetru, 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 Odeljenju za astrofiziku na Univerzitetu Prinston u Nju Džersiju za Si-En-En. Biti nije bio uključen u pomenutu studiju, ali se bavio sličnim istraživanjima umetničkih dela.

„U svojim istraživanjima sam zaista proučavao samo velike vrtloge na slikama, tako da nisam uočio ovu drugu relaciju“, dodaje, misleći na Bačelorovo skaliranje.

'Neverovatna slučajnost'

Naravno, rekao je Huang, Van Gog sigurno nije bio upućen u matematičke jednačine, ali je verovatno proveo dosta vremena posmatrajući turbulencije u prirodi.

„Mislim da je ova fizička veza morala biti ugrađena u njegov um, i otud ova čuvena slika, Zvezdana noć, oponaša pravi tok", ističe Huang.

Biti se slaže.  „Neverovatna je slučajnost da Van Gogova prelepa 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?"

Istraživački tim je izvršio istu analizu i otkrio isti fenomen na dve druge slike, na jednoj slici, Luka u Brajtonu, koju je napravio britanski umetnik Džon Konstabl 1826-7, a na drugoj fotografiji Jupiterove velike crvene mrlje, snimljene Nasinom svemirskom sondom „Vojadžer“ 15. marta 1979. godine.

„Za razliku od Zvezdane noći, ovoj slici nedostaju dobro definisani vrtložni obrasci, ali oblaci su bogati strukturama različitih razmera, koje podsećaju na one koje se često viđaju na nebu," navodi se u studiji o Konstablovom umetničkom delu.

Na izložbi u Muzeju moderne umetnosti u Njujorku, Zvezdana noć je izuzetno popularno umetničko delo 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 razumevanje bi pomoglo u prognozi vremena, turbulencijama tokom leta i mnogim drugim procesima, ističe naučnik.

„Čak i posle 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 Zvezdana noć podudara sa statističkim modelima turbulencije iako se umetničko delo zapravo ne pomera može ukazivati da su statističke metode i alati manje precizni nego što su naučnici možda mislili, navodi Biti. Slika se ne može precizno izmeriti jer „Zapravo nije turbulencija. Nema kinetičke energije.”

Međutim, Biti naglašava da je veliki obožavalac ovog umetničkog dela i da ono odražava univerzalnost i lepotu turbulencije.

„Ono što se iz ovakvih studija može zaključti je i to da je Van Gog uhvatio deo ove univerzalnosti u svojoj Zvezdanoj noći. I mislim da ljudi to znaju. Oni znaju da je nešto divno ugrađeno u ovu sliku i to nas privlači“, zaključuje Biti.