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Das gesprenkelte Sternenlicht und die wirbelnden Wolken in Vincent van Goghs „Sternennacht“ spiegeln vermutlich den turbulenten Gemütszustand des Künstlers wider, als er das Werk 1889 malte.
Nun legt eine neue Analyse von in China und Frankreich ansässigen Physikern nahe, dass der Künstler ein tiefes und intuitives Verständnis der mathematischen Struktur turbulenter Strömungen hatte.
Turbulente Strömungen sind ein häufiges Naturphänomen, das in Flüssigkeiten beobachtet wird (fließendes Wasser, Meeresströmungen, Blutfluss, wellige Gewitterwolken und Rauchwolken). Turbulente Strömungen sind chaotisch, da sich größere Wirbel bilden oder sich in kleineren auflösen.
Für einen zufälligen Beobachter mag dies zufällig erscheinen, aber Turbulenzen folgen dennoch einem Kaskadenmuster, das untersucht und zumindest teilweise mithilfe mathematischer Gleichungen erklärt werden kann.
„Stellen Sie sich vor, Sie stehen auf einer Brücke und beobachten den Bach, der vorbeifließt. Sie werden Wirbel auf der Oberfläche sehen, und diese Wirbel sind nicht zufällig. Sie organisieren sich in bestimmten Mustern, und diese Art von Mustern können durch physikalische Gesetze vorhergesagt werden“, sagte Yongxiang Huang, Hauptautor der Studie, die am Dienstag in der Fachzeitschrift Physics of Fluids veröffentlicht wurde. Huang ist Forscher am State Key Laboratory of Marine Environmental Science und am College of Ocean and Earth Sciences der Xiamen-Universität im Südosten Chinas.
„Die Sternennacht“ ist ein Öl auf Leinwand, das der Studie zufolge einen Blick kurz vor Sonnenaufgang aus dem Ostfenster des Asylzimmers des Künstlers in Saint-Rémy-de-Provence im Süden Frankreichs zeigt. Van Gogh wurde dort in eine Anstalt eingeliefert, nachdem er sein linkes Ohr verstümmelt hatte.
Anhand eines digitalen Bildes der Anordnung untersuchten Huang und seine Kollegen die Größenordnung seiner 14 großen Wirbelformen, um zu verstehen, ob sie mit physikalischen Theorien übereinstimmen, die die Energieübertragung von Wirbeln sowohl im großen als auch im kleinen Maßstab beschreiben, wenn sie kollidieren und miteinander interagieren .
„Die Sternennacht“ und Theorien über Turbulenzen
Die atmosphärische Bewegung des gemalten Himmels kann nicht direkt gemessen werden, daher haben Huang und seine Kollegen die Pinselstriche genau gemessen und ihre Größe mit den mathematischen Maßstäben verglichen, die von Turbulenztheorien erwartet werden. Zur Beurteilung der körperlichen Bewegung verwendeten sie die relative Helligkeit oder Leuchtdichte verschiedener Lackfarben.
Sie entdeckten, dass die Größe der 14 Wirbel oder Strudel in „Sternennacht“ sowie ihre relative Entfernung und Intensität einem physikalischen Gesetz folgen, das die Fluiddynamik regelt, bekannt als Kolmogorovs Turbulenztheorie.
In den 1940er Jahren beschrieb der sowjetische Mathematiker Andrei Kolmogorov einen mathematischen Zusammenhang zwischen Schwankungen der Geschwindigkeit einer Strömung und der Geschwindigkeit, mit der ihre Energie verloren geht.
Huang und sein Team entdeckten außerdem, dass sich Farbe im kleinsten Maßstab auf eine von der Turbulenztheorie vorhergesagte Weise mit bestimmten Hintergrundwirbeln vermischt und einem statistischen Muster folgt, das als Batchelor-Skala bekannt ist. Die Batchelor-Skala stellt mathematisch dar, wie kleine Partikel, wie zum Beispiel treibende Algen im Ozean oder Staubpartikel im Wind, durch turbulente Strömung passiv vermischt werden.
„Es ist großartig. Tatsächlich handelt es sich um die Art von Statistiken, die man bei Algenblüten erwarten würde, die durch Meeresströmungen angetrieben werden, oder bei Staub und Partikeln, die in der Luft schweben“, sagte James Beattie, Postdoktorand am Department of Astrophysical Sciences der Princeton University in New Jersey , in einer E-Mail. Beattie war an dieser Studie nicht beteiligt, hat aber ähnliche Untersuchungen zu dem Kunstwerk durchgeführt.
„In meiner Arbeit habe ich wirklich nur auf die großen (Wirbel im Bild) geschaut, daher habe ich diese zweite Beziehung nicht gesehen“, sagte er und bezog sich dabei auf die Skalierung von Batchelor.
„Ein erstaunlicher Zufall“
Natürlich, sagte Huang, war Van Gogh sich solcher Gleichungen nicht bewusst, aber er verbrachte wahrscheinlich viel Zeit damit, Turbulenzen in der Natur zu beobachten.
„Ich denke, diese körperliche Beziehung muss tief in seinem Geist verwurzelt sein, deshalb imitierte er den echten Fluss, als er dieses berühmte Gemälde ‚Sternennacht‘ malte“, sagte Huang.
Beattie stimmte zu: „Es ist ein erstaunlicher Zufall, dass Van Goghs wunderschönes Gemälde viele der gleichen Statistiken wie Turbulenzen aufweist“, sagte er.
„Das macht Sinn: Die Modelle wurden gebaut, um zu versuchen, die Statistiken von Wirbeln und Wirbeln auf mehreren Skalen zu erfassen, wobei jeder Wirbel durch die turbulente Kaskade mit anderen Wirbeln kommuniziert.“ In gewisser Weise hat Van Gogh etwas gemalt, das dieses Phänomen darstellt. Warum sollte es also keine Konvergenz zwischen Van Goghs theoretischen Modellen und den Wirbelstatistiken geben? »
Das Studienteam führte die gleiche Analyse durch und entdeckte das gleiche Phänomen in zwei weiteren Bildern, eines davon war ein Gemälde mit dem Titel „Chain Pier, Brighton“, das 1826–27 vom britischen Künstler John Constable geschaffen wurde, und ein weiteres ist ein Foto von Jupiters Großem Roter Fleck, aufgenommen von der NASA-Raumsonde Voyager 1 am 5. März 1979.
„Im Gegensatz zu „Die Sternennacht“ fehlen diesem Gemälde klar definierte Wirbelmuster, aber die Wolken sind reich an Strukturen in unterschiedlichen Maßstäben, die denen ähneln, die häufig am Himmel zu sehen sind“, heißt es in der Studie zu dem Gemälde von Constable.
„Starry Night“ ist im Museum of Modern Art in New York ausgestellt und ein äußerst beliebtes Kunstwerk, das aus Legosteinen, Drohnen und Dominosteinen nachgebaut wurde.
Huang sagte, Wissenschaftler hätten lange damit gekämpft, turbulente Strömungen in der Fluiddynamik so zu beschreiben, dass sie das Phänomen vorhersagen könnten, und dass eine vollständige Erklärung ein großes Rätsel der Physik bleibe. Ein tieferes Verständnis würde helfen, das Wetter, Turbulenzen während des Fluges und viele andere Prozesse vorherzusagen, sagte er.
„Selbst nach mehr als 100 Jahren Forschung wissen wir immer noch nicht, wie wir dieses komplexe Phänomen definieren sollen“, sagte Huang. „Es ist extrem wichtig, aber es ist extrem schwierig. »
Die Tatsache, dass „Starry Night“ mit statistischen Turbulenzmodellen übereinstimmt, obwohl sich das Werk nicht tatsächlich bewegt, könnte darauf hindeuten, dass statistische Methoden und Werkzeuge weniger präzise sind, als Wissenschaftler vielleicht gedacht hätten, sagte Beattie.
Farbe kann nicht genau gemessen werden, da es sich „nicht wirklich um Turbulenzen“ handelt.[…]Es hat keine kinetische Energie“, sagte er.
Beattie sagte jedoch, er sei ein großer Fan des Kunstwerks und es spiegele die Universalität und Schönheit der Turbulenzen wider.
„Ich liebe es zutiefst, mein Verständnis der Plasmaturbulenzen zwischen Galaxien auf Turbulenzen zwischen Sternen, zwischen Erde und Sonne oder in unseren eigenen Seen, Ozeanen und der Atmosphäre anwenden zu können“, sagte er.
„Was ich aus solchen Studien mitnehme, ist, dass Van Gogh einen Teil dieser Universalität in der Schönheit der Sternennacht einfangen konnte“, fügte Beattie hinzu. „Und ich denke, die Leute wissen das. Sie wissen, dass in diesem Gemälde etwas Wunderbares steckt und dass wir uns zu ihm hingezogen fühlen. »
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