Sự nhiễu loạn trong bức họa “Đêm đầy sao”

Phân tích bức họa "Đêm đầy sao" (The Starry Night) của Vincent van Gogh, các nhà nghiên cứu đã cho thấy các cấu trúc hình xoáy mang các đặc tính nhiễu loạn phù hợp với những gì họ quan sát được trong các đám mây phân tử đem đến sự hình thành của các ngôi sao.

Bức họa Đêm đầy sao được Vincent van Gogh vẽ năm 1889, hiện đang treo tại Bảo tàng Nghệ thuật hiện đại New York.

Với các cuộn xoáy màu xanh dương và vàng đậm, bức Đêm đầy sao của Vincent van Gogh đã thu hút nhiều người yêu tranh. James Beattie cũng không ngoại lệ. Là một sinh viên của trường đại học Quốc gia Australia ở Canberra, Beattie nghiên cứu về cấu trúc và động lực học của các đám mây phân tử – nơi hình thành của các ngôi sao – vốn có các cuộn xoáy hay gợi cho anh liên tưởng đến bức họa của danh họa Hà Lan. Mới đây, anh thử thực hiện một cách thức kiểm tra sự tương đồng đó với hỗ trợ của Neco Kriel, một sinh viên tại trường đại học Công nghệ Queensland ở Australia. Sử dụng các kỹ thuật được phát triển để phân tích các mẫu hình mô phỏng những đám mây phân tử, cả hai thấy chúng đều hiển thị cùng các đặc điểm nhiễu loạn. Trong khi bầu trời chứa các mẫu hình ngôi sao của van Gogh có thể được coi là một sự trùng hợp may mắn thì sự hiện diện của những mô típ cuộn xoáy là điểm chung trong các bức họa khác của danh họa, giống như sự phong phú của hiện tượng nhiễu loạn trong cuộc sống của chúng ta ngày nay.

Beattie và Kriel không phải là những người đầu tiên nghĩ đến sự liên hệ giữa Đêm đầy sao với bầu trời hoặc chứng minh các mẫu hình về cấu trúc hỗn loạn của nó. Vào năm 2004, Kính viễn vọng Hubble đã bắt được hình ảnh một quầng (halo) ánh sáng trải rộng xung quanh ngôi sao V838 Monocerotis, sau được một thông cáo báo chí của NASA miêu tả như một phiên bản vũ trụ của bức họa van Gogh. Vào năm 2008, Jose Luis Aragón, trường đại học tự trị quốc gia Mexico, và đồng nghiệp đã tìm thấy những gợi ý của các hỗn loạn trong Đêm đầy sao cũng như những bức họa khác của van Gogh như Con đường với cây bách và sao (Road with Cypress and Star) và Cánh đồng lúa mì với bầy quạ (Wheatfield with Crows), với cái nền đầy bão tố và gợi lên điềm gở.

Aragón và đồng nghiệp đã phân tích những thay đổi về độ sáng từ điểm này đến điểm khác trên khắp bầu trời của Đêm đầy sao. Họ thấy xác suất trong những dao động về độ sáng xuất hiện phù hợp với những dự đoán cho dòng xoáy dưới vận tốc âm (subsonic turbulent flow) của Andrei Kolmogorov – nhà toán học Liên Xô có nhiều đóng góp quan trọng trong lý thuyết xác suất và tô pô – vốn điều khiển sự đối lưu của những dòng chảy sao và chuyển động khí quyển trên trái đất. Nhưng trong suốt một thập kỷ, hình thái chính xác của nhiễu loạn trong bức họa này vẫn còn chưa được xác nhận. “Cách tiếp cận của chúng tôi là một phép xấp xỉ,” Aragón nói và cho biết thêm, “cần thiết có một mật độ phổ năng lượng thật chi tiết để xác lập hình thái, nếu Đêm đầy sao thực sự có nhiễu loạn”. Tuy nhiên anh và đồng nghiệp lại không thể tính toán được điều này trong nghiên cứu năm 2007. Nghiên cứu mới “Is The Starry Night Turbulent?” của James Beattie, Neco Kriela mới được đưa lên trang arxiv.org đã giải quyết được chính thiếu sót đó.

Tập trung sự chú ý vào những cuộn xoáy trung tâm của Đêm đầy sao, Beattie và Kriel đã dùng các kỹ thuật được phát triển để phân tích các hình ảnh của các mô phỏng chứa nhiễu loạn. Họ lựa chọn ra một mặt cắt vuông của bầu trời trong một hình ảnh số của bức họa và tạo ra các bản đồ 2D trong “các kênh” của ba màu sắc khác biệt. Sau đó họ sử dụng phương pháp phân tích Fourier để tính toán mật độ phổ năng lượng 2D của bức họa – một phân tích thống kê của hình ảnh cung cấp những mức khoảng cách nổi trội của các cấu trúc. Tương phản với nghiên cứu của Aragón, nhóm nghiên cứu tìm thấy các cấu trúc có cùng tính chất mức như những gì thấy với nhiễu loạn dưới vận tốc âm, vốn là kiểu nhiễu loạn quan sát được bên trong các đám mây khí phân tử.

Sự tương hợp mang tính định lượng này “thực sự thú vị”, Beattie nhận xét, vì nó cung cấp một cách giải thích nguyên nhân tại sao những cuộn xoáy đó dường như để “cung cấp” hoặc “điều khiển” những cuộn xoáy nhỏ hơn trong Đêm đầy sao tương tự với những gì tìm thấy trong các đám mây nhiễu loạn.

Những cuộn xoáy xanh dương và vàng của Đêm đầy sao có các dặcđiểm nhiễu loạn tương tự như các đám mây phân tử W48, vốn là chốn trú ngụ của một loạt các vườn ươm sao.

Van Gogh là một trong số các họa sỹ nổi tiếng đã diễn tả các cấu trúc xuất hiện sự nhiễu loạn trên giấy. Họa sỹ người Áo Gustav Klimt cũng thường sử dụng các cấu trúc cuộn xoáy vào trong các tác phẩm của mình, ví dụ như Cây đời (The Tree of Life). Nghệ sỹ người Canada Stacey Spiegel đã nắm bắt các mẫu hình xoáy vào trong các tác phẩm trừu tượng về tính chất dòng chảy của mình. Điều gì truyền cảm hứng cho các họa sỹ để họ đưa các mô típ đó vào tác phẩm? Gerald Cupchik, nhà tâm lý học tại trường đại học Toronto, và đồng nghiệp của anh đã thực hiện các thí nghiệm về hoạt động của não người để cố gắng tìm hiểu sự phản hồi của con người trước nghệ thuật. Những nghiên cứu này đã chứng tỏ rằng các vùng cảm xúc trong não đã sáng lên khi những người tham gia được đề nghị tập trung vào màu sắc, hình dạng và những đặc điểm bố cục của một bức vẽ. Có thể là các mẫu hình xoáy thu hút một số ý thức thẩm mĩ bẩm sinh của con người. “Nhưng khi vẽ Đêm đầy sao, van Gogh không nghĩ về việc bộ não có thể phản hồi lại nghệ thuật của ông như thế nào”.

Thậm chí, Cupchik cho rằng các cuộn xoáy nhiễu loạn thường chứng tỏ trong các bức họa nguyên nhân khác: các mẫu hình đó tồn tại trong sự phong phú của thế giới tự nhiên. “Đây cũng là các hiện tượng vật lý mà tất cả chúng ta đều trải nghiệm và thu hút sự chú ý của chúng ta; sự nhiễu loạn là một trong số đó,” Cupchik nói. Anh lưu ý sự xoắn ốc của nước đổ xuống từ một cái ống và sự tan tác của sóng nước trong một đại dương giông bão là hai ví dụ tiêu biểu. “van Gogh rõ ràng nhạy cảm với những loại đặc điểm đó đó của thế giới xung quanh và ông đã đưa chúng vào tác phẩm của mình.” Cupchik cho biết thêm là anh không ngạc nhiên về việc các cuộn xoáy của van Gogh lại hòa hợp với những gì các nhà vật lý quan sát được. “Những yếu tố đó của tác phẩm nghệ thuật hết sức phù hợp với nhau, chúng hoặc trở nên gắn kết với nhau hoặc rơi vào thất bại,” anh nói. Nếu các cuộn xoáy hỗn loạn đó trong Đêm đầy sao không thể tương đồng với các cuộn xoáy của tự nhiên thì người xem có thể sẽ nhận thấy cái gì đó đang tan rã.

Những gì khiến Đêm đầy sao giống như một cái nền hình thành từ các đám mây phân tử “thực sự”? Để tìm ra điều này, các nhà nghiên cứu đã đặt dữ liệu về sự hỗn loạn được mô phỏng đó vào trong  bầu trời của bức họa nổi tiếng.

“Nghệ thuật đã truyền cảm hứng cho khoa học và ngược lại, khoa học truyền cảm hứng cho nghệ thuật, vì vậy không ngạc nhiên để thấy rằng các nghệ sỹ đã quan sát sự phức hợp của tự nhiên và cố gắng nắm bắt một số đặc điểm quan trọng để đưa vào tác phẩm của mình,” Beattie nói. Anh nghĩ, không chắc chắn là van Gogh đã códự đoán về các cuộn xoáy hỗn loạn tìm thấy trong các ngôi sao thực khi ông vẽ Đêm đầy sao. “Đây có thể là một sự trùng hợp đáng ngạc nhiên,” anh nói.

Anh Vũ dịch

Nguồn: https://physics.aps.org/articles/v12/45