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编译：黄诗欣
校对：DAIKIN
排版：宁致远
后台：朱宸宇
https://www.sciencealert.com/this-famous-van-gogh-painting-features-astonishingly-accurate-physics
https://www.astronomy.com/science/the-starry-night-captures-the-physics-of-turbulence-and-twinkling-stars-study-finds/
我什么时候才能把盘旋在脑海中的星空沉淀到纸上呢？
——文森特·梵高
约1888年6月18日
节选自《梵高手稿》
01 神秘的旋涡
梵高的《星月夜》。（图源：Wikimedia Commons）
1889年，荷兰画家文森特·梵高在法国圣保罗修道院创作出这幅闻名遐迩的作品——《星月夜》。
星空、柏树、村庄、山峦，梵高用扭曲的线条与热烈的色彩勾勒出一个亦真亦幻的画面，其神秘、暧昧、深邃的意境让《星月夜》成为人类艺术史上最“出圈”的作品之一，相关的二创和研究数不胜数。
整幅画最耐人寻味的元素莫过于天空中那巨大的、翻滚的旋涡。最近有研究发现，梵高的笔触与地球大气（甚至是宇宙）的流体运动完全吻合。这是巧合吗？还是说，这位伟大的艺术家早已“看透一切”？
02 梵高的眼睛：艺术和科学的交汇点
该项目的研究人员之一、来自厦门大学海洋与地球学院的黄永祥教授表示：“（从这幅画）可以看出来，艺术家对自然现象有着敏锐的直觉与深刻的洞察力。梵高能把大气湍流如此准确地呈现在画布之上，也许是因为他研究过云层和大气的运动，亦或是天生就能感知气体的流向。”
大气是一团永远在移动、变化、翻腾的流体。湍流是流体的一种流动状态，在自然界中十分常见，典型的例子有龙卷风、木星大红斑等等。湍流会使光线发生偏折，这就是为什么我们眼里的星星总是一闪一闪的。同时，湍流也是影响天体观测的重要因素，我们通常用“视宁度”一词来衡量在湍流影响下的天体成像质量。
当梵高的《星月夜》问世，科学界对湍流的理解还很落后。直到上世纪四十年代，俄罗斯物理学家安德烈·柯尔莫哥洛夫才写出第一个关于湍流的方程式。
他的湍流理论描述了能量如何从较大的旋涡流向较小的旋涡，而我们可以在自然界中观察到这种现象。比如，木星的大红斑在低分辨率图像中就像一个单独的大旋涡，但把图像放大之后，我们就会发现附近有不少小旋涡在吸收大红斑的能量。
由美国宇航局朱诺号航天器拍摄的木星大红斑清晰地展现出湍流的分形特性，即大旋涡会产生小旋涡。
（图片来源：NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Gerald Eichstädt/Seán Doran）
黄永祥的团队分析了《星月夜》中的所有旋涡，总共14个。与前人对《星月夜》旋涡的研究不同，他们屏蔽掉天空中的其他元素，只关注旋涡本身。该团队仔细研究了每一个笔触的空间特性和颜料亮度，并将其与柯尔莫罗戈夫的湍流理论进行比较。
结果显示，这些旋涡和半个世纪后才被提出的流体力学理论完全吻合。
对《星月夜》笔触的分析。（图源：马寅翔）
研究结果表明，梵高对大气流动的观察非常仔细。《星月夜》中的旋涡不仅是大小，就连相对距离和强度也符合湍流的物理定律。”
03 艺术与真理之间的距离
在柯尔莫罗戈夫之前，科学家一直无法找到描述湍流的数学公式，因此他们都很钦佩艺术家观察湍流的能力。实际上，“湍流”一词在列奥纳多·达·芬奇的手稿中才被第一次用来描述流体的运动，这位艺术家对水流有着十分深入的研究。
然而，经过进一步比对，我们会发现许多描绘湍流的艺术作品并不符合柯尔莫哥洛夫提出的定律，其中就包括达·芬奇的素描。爱德华·蒙克的《呐喊》亦是如此，画中的天空起伏不定，令人不安。
达·芬奇的素描和爱德华·蒙克的《呐喊》均包含对湍流的描绘，但它们并不像《星月夜》那样符合流体运动的物理规律。（图源：Wikimedia Commons; National Gallery of Norway）
除了柯尔莫罗戈夫的湍流理论，研究团队发现《星月夜》也符合澳大利亚数学家乔治·巴彻勒在1959年提出的巴彻勒尺度（Batchelor scale），该理论描述了液滴在湍流内扩散的最小尺度。只要把染料或者油漆滴入湍流之中，我们就能看到它是如何扩散的。
研究团队表示，巴彻勒尺度在《星月夜》中的体现得益于它所用的油画颜料，梵高快速作画的习惯使得亚麻油和色素在画布上产生了奇妙的融合。
先前还有一项研究发现，宇宙中的分子云也会形成和《星月夜》一样的旋涡，而分子云正是恒星诞生的地方。事实证明，艺术家对自然规律的直觉认知可能比我们知道的更加深刻。
责任编辑：DAIKIN
牧夫新媒体编辑部
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《天空中的日出阴影》
图片来源及版权：Emili Vilamala
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