Китайские физики проанализировали небо на картине Винсента Ван Гога «Звездная ночь», чтобы разобраться, можно ли считать знаменитые вихри на полотне турбулентностью. Результат удивил исследователей: художнику удалось изобразить вихревые потоки, которые согласуются с двумя математическими моделями.
(a) Картина Ван Гога «Звездная ночь» в высоком разрешении 30 000 на 23 756 пикселей. Визуально небо кажется текущим с завихрениями. (b) Серый вариант «Звездной ночи», где ранее анализируемая область показана белым квадратом. Непотоковая часть маскировалась вручную. Вихри/потоки распознаются невооруженным глазом / © Physics of Fluids, Yinxiang Ma et al.
Живопись как объект исследования привлекает далеко не только искусствоведов. Европейские физики, например, изучая картину Рембрандта «Сусанна и старцы», выяснили, что ранее у нее был другой фон. Naked Science уже писал, как химики анализировали краски на другой картине голландского художника. Биологи регулярно находят грибки и колонии различных микроорганизмов в галереях и вместе с реставраторами возвращают полотнам прежний вид.
Картина Винсента Ван Гога «Звездная ночь», признанный шедевр, завораживает своими яркими вихрями не только ценителей постимпрессионизма, но и физиков. Специалисты не могли прийти к однозначному выводу, можно ли считать вихри в небе «Звездной ночи» турбулентностью. Ведь нечто подобное наблюдается на гравюре «Большая волна в Канагаве», где в турбулентных узорах изображена волна-убийца.
Китайские физики рассмотрели картину Ван Гога с точки зрения фундаментальной теории 1941 года и обнаружили, что завихрения на ней соответствуют как турбулентности, сформулированной советским математиком Андреем Колмогоровым, так и закону Бэтчелора, который описывает беспорядочные потоки. Результаты новой научной работы опубликованы в журнале Physics of Fluids.
Специалисты преобразовали исходное изображение картины, взятое из постоянной коллекции Музея современного искусства в Нью-Йорке, из кодировки RGB в серый цвет, где красный, синий и зеленый обозначились разной интенсивностью. Затем вручную закрыли области, не относящиеся к небу, чтобы изучить вихри и их повторяющуюся структуру. Для этого физики применили быстрое преобразование Фурье и структурную функцию второго порядка. Также они рассматривали мазки, которыми Ван Гог изображал вихри, и расстояние между ними.
Результаты вычислений подтвердили закон масштабирования Колмогорова, согласно которому вихри масштабируются каскадом при необходимом количестве завихрений. То есть у больших вихрей есть малые, у тех — еще меньше, и так далее, пока они не рассеются в тепловой вязкости. Вдобавок физики нашли подтверждение закона Бэтчелора, по которому вихри масштабируются с одинаковой пропорцией — это пассивная скалярная турбулентность.
Говоря иначе, художник, рисуя узоры ночного неба, вероятнее всего, долго изучал реальное движение воздушных потоков. Примечательность нового исследования в том, что, как выяснилось, вихри на картине Ван Гога согласовывались с двумя математическими масштабированиями. А это сложно воссоздать экспериментально, отметили ученые.
«Масштаб мазков краски сыграл решающую роль. Благодаря цифровому изображению с высоким разрешением мы смогли точно измерить типичный размер мазков и сравнить их с масштабами, которые предполагаются теорией турбулентности. В этом проявляется глубокое и интуитивное понимание природных явлений. Точное изображение Ван Гогом турбулентности может быть результатом изучения движения облаков и атмосферы или врожденного чувства, как передать динамизм неба», — добавил соавтор исследования Юнсян Хуан.
