浅谈星夜中的湍流
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。
2 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。 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。 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。 梵高的《麦田群鸦》(1890年)。| 图片来源：www.galeriacanvas.pl
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。 三种不同颜色的频道。| 图片来源：
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。 《星夜》中的蓝色和黄色漩涡与W48等分子云具有相同的湍流特征。| 图片来源：ESA/Herschel/PACS/SPIRE/HOBYS
4 除了梵高之外，许多艺术家都曾描绘过湍流结构，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? 古斯塔夫·克里姆特《生命之树》| 图片来源：Museum of Applied Arts, Vienna, Austria
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
来源：原理微信公众号(ID：principia1687)
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