藝術家的直覺還是科學洞察？1889年梵谷《星夜》暗藏2024年的物理學突破

由荷蘭畫家文森·梵谷（Vincent van Gogh）於 1889 年創作的《星夜》，是藝術界最引人入勝的作品之一。它不僅令人驚嘆，而且畫面中翻滾、旋轉的天空似乎暗示著對湍流物理學的深刻理解。

現在，一項新的深入分析證實了這一點。梵谷傑作中的筆觸與地球大氣的流體動力學一致，甚至可能與更廣闊的宇宙一致。

「（這幅畫）揭示了對自然現象深刻而直觀的理解，」中國廈門大學物理學家黃永祥說。

「梵谷對湍流的精確表現可能來自於對雲和大氣運動的研究，或者是一種捕捉天空動態的本能感覺。」

▲ 文森·梵谷的《星夜》。

我們大多數時候無法用肉眼看到它，但地球的大氣層是一個不斷運動、不斷變化、翻滾的流體湍體。雲朵可能會顯示出這種持續的活動，但要深入了解大氣湍流，通常需要儀器來仔細繪製其原本不可見的運動。

當然，我們無法測量梵谷在《星夜》中描繪的大氣湍流。但是，由廈門大學物理學家Yinxiang Ma領導的一組科學家可以做的是測量筆觸，看看它們是否與之前的研究相符，這些研究確定了這幅畫中展現的湍流與蘇聯數學家安德烈·柯爾莫哥洛夫（Andrey Kolmogorov）在 20 世紀 40 年代發表的理論是一致的。

「與之前只檢查這幅畫一部分的研究相比，這項工作根據理查森-柯爾莫哥洛夫的湍流級聯圖，考慮了畫中所有且僅有的渦流/漩渦，」研究人員在論文中寫道。

「[我們的]結果表明，梵谷對真實流動進行了非常仔細的觀察，因此不僅《星夜》中渦流/漩渦的大小，而且它們的相對距離和強度都遵循控制湍流的物理定律。」

研究人員使用這幅畫作的高解析度數位圖片，檢查了畫中描繪的天空中 14 個渦流和漩渦中的筆觸，作為大氣湍流的示蹤劑，類似於秋風中葉子的運動。

▲ 《星夜》的筆觸分析。（Yinxiang Ma）

對於這些筆觸中的每一個，他們仔細檢查了空間特性以及顏料的亮度，並將其與柯爾莫哥洛夫的湍流理論進行比較，該理論描述了能量如何不斷地從較大的漩渦流向較小的漩渦，然後消散。

他們發現，畫中的漩渦滿足了柯爾莫哥洛夫湍流定律的要求，這與之前研究者的發現一致。

但是，透過分析筆觸的最小尺度，研究小組發現，這幅畫也與澳大利亞數學家喬治·巴奇勒（George Batchelor）在 1959 年定義的標量功率譜一致。巴奇勒發現，湍流中的標量，即不同大小的旋渦，應該顯示出與其大小相符的功率譜。。

先前的研究還發現，《星夜》中揭示的湍流也可以在恆星誕生之地的太空分子雲中看到。這項新研究證實，這位藝術家對自然物理學的直觀理解可能比我們意識到的還要深刻。

「文森·梵谷作為最著名的後印象派畫家之一，對湍流有著非常仔細的觀察：他能夠在他的畫作中不僅再現渦流/漩渦的大小，還能再現它們的相對距離和強度。」研究人員寫道。

未來對繪畫湍流的實驗研究可以幫助我們了解這位藝術家是如何捕捉湍流的，不僅是在描繪天空方面，而且是在繪畫本身的物理行為方面。

這項研究已發表在《流體物理學》期刊上。