Physiker entdecken „versteckte Turbulenzen“ in van Goghs Sternennacht

Vincent van Goghs berühmtestes Gemälde ist Die Sternennacht (1889), entstanden (zusammen mit mehreren anderen Meisterwerken) während des Aufenthalts des Künstlers in einer Anstalt in Arles nach seinem Zusammenbruch im Dezember 1888. Wo einige die wirbelnden Wirbel des Nachthimmels gesehen haben, die in Sternennacht Als Spiegelbild von van Goghs innerem Aufruhr sehen Physiker oft eine meisterhafte Darstellung atmosphärischer Turbulenzen. Laut einer neues Papier Die Illusion der Bewegung in van Goghs blauem Himmel ist, wie in der Fachzeitschrift Physics of Fluids veröffentlicht wurde, auch auf die Größe der Pinselstriche zurückzuführen – eine zweite Art „versteckter Turbulenz“ im Mikromaßstab, die sich über die gesamte Leinwand ausbreitet.

„Es offenbart ein tiefes und intuitives Verständnis natürlicher Phänomene“, sagte Co-Autor Yongxiang Huang der Xiamen-Universität in China. „Van Goghs präzise Darstellung von Turbulenzen könnte auf dem Studium der Bewegung von Wolken und der Atmosphäre oder einem angeborenen Gespür dafür beruhen, wie man die Dynamik des Himmels einfängt.“

Wie bereits berichtet, TED-Ed-Vortrag 2014Natalya St. Clair, eine Wissenschaftliche/r Mitarbeiter/in beim Concord Consortium und Co-Autor von Die Kunst des Kopfrechnensgebraucht Sternennacht um das Konzept der Turbulenz in einer fließenden Flüssigkeit zu beleuchten. Insbesondere sprach sie darüber, wie van Goghs Technik es ihm (und anderen impressionistischen Malern) ermöglichte, die Bewegung des Lichts über Wasser oder das Funkeln der Sterne darzustellen. Wir sehen dies als eine Art schimmernden Effekt, weil das Auge empfindlicher auf Änderungen der Lichtintensität reagiert (eine Eigenschaft, die Leuchtdichte) als auf Farbveränderungen.

In der Physik bezieht sich Turbulenz auf starke, plötzliche Bewegungen in Luft oder Wasser, die normalerweise durch Wirbel und Strudel gekennzeichnet sind. Physiker haben jahrhundertelang darum gekämpft, Turbulenzen mathematisch zu beschreiben. Es ist immer noch eine der großen verbleibenden Herausforderungen auf diesem Gebiet. Aber ein russischer Physiker namens Andrei Kolmogorov machte in den 40er Jahren bedeutende Fortschritte, als er vorhersagte, dass es einen mathematischen Zusammenhang (heute als Kolmogorow-Skalierung bekannt) zwischen der zeitlichen Fluktuation der Strömungsgeschwindigkeit und der Rate, mit der diese durch Reibung Energie verliert, geben würde.

Das heißt, einige turbulente Strömungen weisen Energiekaskaden auf, wobei große Wirbel einen Teil ihrer Energie auf kleinere Wirbel übertragen. Die kleineren Wirbel übertragen wiederum einen Teil ihrer Energie auf noch kleinere Wirbel und so weiter, wodurch auf vielen räumlichen Skalen ein selbstähnliches Muster entsteht. Experimentelle Beweise haben seitdem gezeigt, dass Kolmogorov mit seiner Vorhersage gar nicht so weit daneben lag.

Im Jahr 2019 zwei australische Doktoranden mathematisch analysiert das Gemälde und kam zu dem Schluss, dass es die gleichen turbulenten Eigenschaften wie Molekülwolken aufweist (in denen buchstäblich Sterne geboren werden), basierend auf einer Hubble-Bild von 2004 von turbulenten Wirbeln staubiger Wolken, die sich um einen Superriesenstern bewegen. Sie untersuchten digitale Fotos mehrerer Gemälde von Van Gogh und maßen die Helligkeitsunterschiede zwischen zwei beliebigen Pixeln. Sie berechneten die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Pixel in einer bestimmten Entfernung die gleiche Leuchtdichte aufweisen. Sie fanden Beweise von etwas, das der Kolmogorov-Skalierung bemerkenswert nahe kommt, nicht nur in Sternennachtsondern auch in zwei anderen Gemälden aus derselben Zeit in van Goghs Leben: Weizenfeld mit Krähen Und Straße mit Zypresse und Stern (beide 1890 gemalt).

Pinselstriche im Mikromaßstab

Huang ist Meereswissenschaftler und hat mit Physikern zusammengearbeitet, um die turbulenten Muster in van Goghs Meisterwerk genauer zu untersuchen. Sie konzentrierten sich auf die Untersuchung der räumlichen Ausmaße der 14 primären Wirbel im Gemälde und nutzten die relative Helligkeit der Farben als Analogon zur kinetischen Energie. Insbesondere maßen sie die typische Pinselstrichgröße genau und verglichen diese Ausmaße dann mit den Vorhersagen der Strömungsdynamik.

Ihre Ergebnisse bestätigten die Schlussfolgerung von 2019, dass das Gesamtbild eng mit Kolmogorows Gesetz übereinstimmt. Das Team stellte außerdem fest, dass die Pinselstriche auf der Mikroebene mit einem anderen Phänomen übereinstimmen, das als Batchelor-Skalierungbenannt nach dem australischen Mathematiker George Batchelorder sich auf Strömungsdynamik spezialisiert hat. Es ähnelt dem Kolmogorowschen Gesetz, nur dass die Batchelor-Skalierung nicht die kleinsten Turbulenzskalen beschreibt, bevor die Viskosität in einem System dominant wird, sondern die kleinsten Schwankungsskalen, bevor die Diffusion dominant wird. Laut den Autoren ist es ziemlich selten, beide Arten von Skalierungen in einem atmosphärischen System zu finden.

Dies ist ein weiterer Beweis dafür, dass van Gogh ein außerordentlich feines intuitives Gespür für Turbulenzen hatte, und er hat es wunderbar eingefangen in Sternennacht. Es kann auch Auswirkungen auf die Strömungsdynamik geben. „Turbulenzen gelten als eine der intrinsischen Eigenschaften von Strömungen mit hoher Reynoldszahl, die von Trägheit dominiert werden, aber in letzter Zeit wurden turbulenzähnliche Phänomene für verschiedene Arten von Strömungssystemen in einem breiten Spektrum räumlicher Maßstäbe gemeldet, wobei bei niedrigen Reynoldszahlen die Viskosität dominanter ist“, Huang sagte„Es scheint, es ist an der Zeit, eine neue Definition von Turbulenzen vorzuschlagen, die mehr Situationen umfasst.“

Physik der Flüssigkeiten, 2024. DOI: 10.1063/5.0213627 (Über DOIs).