通过梵高的画,了解经典物理学最后的疑团

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“今早,日还未出之时,我久久望着窗外的村子景色。除了晨星,空空荡荡的,显得异常的宽广。”梵高在给他哥哥的一封信中写道。

 

写这封信时,梵高刚刚进入法国圣雷米小镇的圣保罗精神病院 (Saint-Paul asylum) 疗养。当时的梵高并不知晓,他对窗外这番风景的描绘,有一天会被视作西方艺术的杰作——《星夜》。

 

通过梵高的画,了解经典物理学最后的疑团

梵高画作《星夜》,与漩涡的物理原理相吻合。

 

初看这幅画作,主题没有任何特别激进的内容。画作的名字恰如其分的彰显了它的主题,这就是一幅描绘星光灿烂夜晚的油画。

 

然而,梵高画作的迷人之处就在于,他不仅成功地表达了自己奔腾慌乱的内心,同时也表现着我们在自然界举目可见的湍流结构——这也是为什么梵高的画作,会让物理学家与数学家们如痴如醉。

 

2006年,墨西哥国立自治大学物理学家何塞·路易斯·阿拉贡 (José Luis Aragón) 和他的团队发表了一篇论文,论述梵高“精神错乱”时期的作品,非常严密地遵循了自然界中湍流的数学结构,如漩涡的数学构造。

 

“梵高有过很长一段时间的精神错乱,我们分析了他在这段时期前后创作的画作的明暗变化,并按(苏联物理学家)柯尔莫戈洛夫 (Kolmogorov) 统计理论测算出湍流的速度差异,发现两者的概率分布函数高度吻合。”何塞在他们的论文中如是写道。

 

通俗来说,就是物理学家们通过柯尔莫戈洛夫的湍流模型计算出自然界湍流的速度,并研究了梵高油画与湍流之间的关系,以确定梵高画作中到底有多少“写实”的因素。最后,他们发现梵高在“精神错乱”时期前后完成的油画作品,非常密切地反映了现实自然中的湍流。

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何塞还提到了另一个细节,说有人将梵高的《星夜》与美国国家航空和宇宙航行局 (NASA) 的观测图进行比较。他在论文中写道:“特别需要提到的是,世界名画《星夜》非常生动地传达出了湍流的感觉。也有人把《星夜》与NASA哈勃望远镜拍到的一颗遥远恒星的图像进行比较,图像上由尘埃和气流构成的漩涡非常清晰。

 

 

通过梵高的画,了解经典物理学最后的疑团
湍流的奥义
 

可能还有人不太了解湍流,湍流问题曾被称为“经典物理学最后的疑团”。

 

何塞用于与梵高画作进行对比的柯尔莫戈洛夫理论提出于1940年代,已经非常接近湍流的真实原理。然而,对湍流运行的完整描述,依然是物理学界一大未解难题。诺贝尔物理学奖获得者维尔纳·海森堡 (Werner Heisenberg) 甚至在一次采访中表示:“如果我能见到上帝,我会问他两个问题:‘为什么万物相对?什么造就了湍流?’我想,他至少知道第一个问题的答案。”然而,梵高坐在疗养院里,就画出了神秘的湍流。

 

虽然一百多年来人们对湍流的研究不断深入,但是由于湍流运动的极端复杂性,它的基本机理至今仍未被人们所掌握,甚至至今仍然没有一个精确的定义。

 

雷诺 (Osborne Reynolds,1842—1912) 把湍流定义为一种蜿蜒曲折、起伏不定的流动 (sinuous motion),泰勒 (G. I. Taylor,1886—1975) 和冯 · 卡门对湍流的定义是“湍流是常在流体流过固体表面或者相同流体分层流动中出现的一种不规则的流动”,欣策 (J. O. Hinze) 在他的著作“Turbulence”一书中则认为湍流的更为确切的定义应该是“湍流是流体运动的一种不规则的情形。在湍流中各种流动的物理量随时间和空间坐标而呈现出随机的变化,因而具有明确的统计平均值”。同时,在这本书中还把泰勒和 · 卡门对湍流所下定义中提到的两种流动状况给予专门名称:“壁面湍流”表示流过固体壁面的湍流;“自由湍流”表示流动中没有固体壁面限制的湍流流动。

 

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湍流流动是一种大雷诺数、非线性、三维非定常流动。它具有随机性、扩散性、耗散性、有旋性、记忆特性和间歇现象等特点,运动极不规则。而雷诺数 (Reynolds number) 是一种可用来表征流体流动情况的无量纲数。利用雷诺数可区分流体的流动是层流或湍流,也可用来确定物体在流体中流动所受到的阻力。

 

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例如在管流中,雷诺数小于2300的流动是层流;雷诺数等于2300~4000为过渡状态;雷诺数大于4000时的是湍流。

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“画家华丽的笔触直观地运用了亮度的属性,即对不同视觉点的相对明亮程度的辨识。比起颜色变化,人眼睛对亮度的变化更加敏感。这意味着,我们对于明暗变化的反应更加迅速。这也是为什么许多印象派画家的作品在情感上更加动人。”达特茅斯大学物理学家马塞洛·格莱泽 (Marcelo Gleiser) 写道,“值得注意的是,梵高精神混乱时期的油画表现出的明暗缩放,非常类似于漩涡的数学理论。

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然而,梵高只有在精神错乱时期,才画出过这样的作品。在梵高的“理智”(我们找不到更贴切的用词)时期,他的作品从来没有反映出这样的漩涡。

 

一个非常有趣的例子是梵高的油画《割耳朵后的自画像》。科学杂志《自然》中提到:“梵高称,自己是在‘绝对冷静’的状态下画出的这幅画——是在割耳事件后,服用了药用溴化钾之后进行的创作。正如我们所见,这幅自画像中,烟斗上氤氲的云雾并没有《星夜》中那样的“湍流”。

通过梵高的画,了解经典物理学最后的疑团

画家华丽的笔触直观地运用了亮度的属性,即对不同视觉点的相对明亮程度的辨识

 

值得一提的是,上述梵高的自画像远没有《星夜》著名。诚然,这只是两幅油画,并不能说明什么。但我们的大脑究竟会如何阐释这两幅作品,以及我们对于《星夜》的集体偏好是否与它近乎完美地演绎了湍流有关,确实是两个非常有趣的问题。如果只是以偏概全,认为是精神混乱的状态“使”梵高“解决了”一个复杂的物理问题,这显然是不合适的。

 

娜塔莉亚·圣克莱尔 (Natalya St. Clair) 在Ted演讲中表示:“在极度的痛苦中,梵高奇迹般地感知到了大自然最复杂的创造之一。他独特的灵魂糅合大自然最神秘的动态、流体与光线,创造出了一种不可言述的、热烈的美。

 

不过,将看似无关的领域与水动漩涡关联起来进行研究,梵高的艺术并非首例。就像何塞在论文中提到的,漩涡原理同样还被“运用在外汇市场波动时序的研究中”。

原文始发于微信公众号(声振之家):通过梵高的画,了解经典物理学最后的疑团

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