“ราตรีประดับดาว หรือ Starry Night ภาพวาดอันโด่งดังของแวนโก๊ะที่ไม่ใช่แค่สวยงาม แต่ถ่ายทอดความเข้าใจในฟิสิกสเรื่องกระแสไหลวน(turbulent flow) ได้เป็นอย่างดี จนน่าประทับใจ”
ในปี 1888 “วินเซนต์ แวน โก๊ะ” จำเป็นต้องเข้ารักษาตัวในสถานบำบัด ณ เมืองอาร์ลส์ หลังจากที่เขามีอาการป่วยทางจิตนานาประการ จนนำไปสู่เหตุการณ์ที่ใครหลายคนได้ยินมาคือแวนโก๊ะใช้มีดตัดหูซ้ายตัวเองด้วยความทุกข์ทรมาน
ในช่วงเวลาที่น่าเศร้าเหล่านั้นเขาสร้างสรรค์งานศิลปะซึ่งกลายเป็นผลงานชิ้นโด่งดังมาจนถึงปัจจุบันนั่นคือ ‘ราตรีประดับดาว’ หรือ Starry Night ที่ถูกวาดขึ้นเมื่อเดือนมิถุนายนปี 1889 ทว่าหลังจากนั้นไม่นานนักในเดือนกรกฎาคม 1890 เขาก็ได้จบชีวิตตัวเองลงด้วยการยิงตัวตาย (ไม่ได้เสียชีวิตในทันที แต่สิ้นลมหายใจใน 2 วันต่อมา)
อย่างไรก็ตามผลงานที่เขาทิ้งไว้ได้ทำให้นักวิทยาศาสตร์ปัจจุบันต้องทึ่งในความสามารถ ตามรายงานที่พึ่งเผยแพร่ในวารสาร Physics of Fluids แสดงให้เห็นว่า แวนโก๊ะ ได้แสดงความเข้าใจเรื่องกระแสไหลวนในธรรมชาติทั้งในระดับใหญ่และเล็กตรงตามหลักฐานทางฟิสิกส์ของปัจจุบันได้แม่นย้ำอย่างไม่น่าเชื่อ ซึ่งกฎดังกล่าวยังไม่ได้รับการบัญญัติขึ้นจนกระทั่ง 52 ปีต่อมา
“ภาพนี้เผยให้เห็นถึงความเข้าใจอย่างลึกซึ้งและโดยสัญชาตญาณเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางธรรมชาติ” หย่งเซียง หวง (Yongxiang Huang) หนึ่งในทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเซียะเหมินในประเทศจีน กล่าว “การแสดงความปั่นป่วนที่แม่นยำของแวนโก๊ะ อาจมาจากการศึกษาการเคลื่อนที่ของเมฆและบรรยากาศ หรือไม่ก็อาจเป็นความรู้สึกโดยธรรมชาติว่าจะจับภาพพลวัตรของท้องฟ้าได้อย่างไร”
ความปั่นป่วนในธรรมชาติ
ในธรรมชาติมีพลศาสตร์ของการไหลและความปั่นป่วนแอบซ่อนอยู่มากมายตั้งแต่พายุที่หมุนวนของเฮอริเคน ไปจนถึงพายุขนาดมหึมาของดาวพฤหัสบดี ซึ่งนักวิทยาศาสตร์ได้สังเกตปรากฏการณ์นี้ได้ตั้งแต่กระบวนการกำเนิดดาวฤกษ์ในเมฆฝุ่นของจักรวาล ไปจนถึงโมเลกุลขนาดเล็กที่มองไม่เห็นด้วยตาเปล่า
แต่จนแล้วจนรอดแม้จะพยายามมากเพียงใด ก็ยังไม่มีทฤษฎีใดที่สามารถอธิบายความปั่นป่วนทั้งหมดได้ครบถ้วนเนื่องจากมันเป็นสิ่งที่เรียกได้ว่าคาดเดาไม่ได้ แม้แต่ ริชาร์ด ไฟน์แมน (Richard Feynman) นักฟิสิกส์ผู้ได้รับรางวัลโนเบลก็ยังกล่าวไว้ว่ามันเป็น “ปัญหาสำคัญที่สุดที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขของฟิสิกส์คลาสสิก”
แต่โดยทั่วไปแล้ว ความปั่นป่วนที่ว่านั้นเกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวที่รุนแรงและฉับพลันภายในอากาศหรือน้ำ ซึ่งมักจะมีลักษณะคล้ายกระแสน้ำวน ในช่วงทศวรรษ 1940 นักฟิสิกส์ชาวรัสเซียชื่อ อันเดรย์ คอลโมโกรอฟ (Andrei Kolmogorov) ได้ระบุว่าปราฏการณ์นี้น่าจะมีความเชื่อมโยงทางคณิตศาสตร์
ซึ่งเกี่ยวข้องกันระหว่างการผันผวนของความเร็งในกระแสตามเวลา และอัตราการสูญเสียพลังงานในรูปแบบของแรงเสียดทาน ทำให้มีความเก้าวหหน้าอย่างรวดเร็วจนในปัจจุบันเรียกปรากฏการณ์นี้ว่า ‘การปรับมาตราส่วนของคอลโมโกรอฟ’
กล่าวอย่างง่ายคือ การไหลแบบปั่นป่วนบางกระแสจะแสดงพลังงานแบบต่อเนื่อง โดยกระแสขนาดใหญ่จะมีการถ่ายโอนพลังงานบางส่วนไปยังกระแสที่มีขนาดเล็กกว่า กลับกัน กระแสขนาดเล็กก็จะถ่ายโอนพลังงานต่อไปยังกระแสที่เล็กกว่า ทำให้เกิด ‘น้ำวน’ เล็กต่อไปเรื่อย ๆ
นักวิทยาศาสตร์บางคนเชื่อมานานแล้วว่าภาพวาดของแวนโก๊ะโดยเฉพาะ ‘ราตรีประดับดาว’ นั้นน่าจะมีความจริงเกี่ยวกับเรื่องนี้ซ่อนอยู่ แต่อย่างไรก็ตามยังไม่มีใครพิสูจน์ได้ซึ่งทำให้เกิดการถกเถียงเรื่อยมา
“ผลการศึกษาของเราช่วยคลี่คลายข้อถกเถียงที่ยังคงดำเนินอยู่ว่าท้องฟ้าที่เคลื่อนไหวในภาพวาดที่มีชื่อเสียงนี้สะท้อนปรากฏการณ์ฟิสิกส์ที่แท้จริงหรือไม่” หวง กล่าว
จากปลายพู่กันสู่ฟิสิกส์แห่งวิทยาศาสตร์
ก่อนหน้านี้ในปี 2019 นักศึกษาระดับปริญญาตรีชาวออสเตรเลีย 2 คนได้ทำการวิเคราะห์ภาพราตรีประดับดาวในมุมมองทางคณิตศาสตร์ และสรุปได้ว่ามันมีความปั่นป่วนแบบเดียวกันกับเมฆโมเลกุลซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดดวงดาว โดยอ้างอิงถึงภาพถ่ายจากกล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล
กลายเป็นว่าภาพวาดมีสัดส่วนใกล้เคียงกับมาตราส่วนของโคลโมโกรอฟอย่างน่าทึ่ง ซึ่งไม่ใช่แค่ภาพราตรีประดับดาวเท่านั้นแต่ยังรวมถึงภาพวาดอีกสองภาพจากช่วงเวลาเดียวกันในชีวิตของแวนโก๊ะด้วยนั่นคือ Wheatfield with Crows และ Road with Cypress and Star (ทั้งสองภาพวาดในปี 1890)
ทั้งนี้หลายคนยังมีความข้องใจอยู่และมองว่าอาจเป็นเรื่องบังเอิญ หวงและเพื่อนร่วมงานได้ทำการวิเคราะห์ภาพใหม่อีกครั้งด้วยการมุ่งเน้นไปที่มาตราส่วนเชิงพื้นที่ของกระแสความปั่นป่วนหลัก 14 กระแสในภาพ โดยใช้ความสว่างของสีเป็นพลังงานจลน์
จากนั้นก็วัดขนาดรอยแปรงที่ตวัดลงอย่างแม่นยำ และท้ายที่สุดข้อมูลทั้งหมดจะถูกนำไปเปรียบเทียบมาตราส่วนโคลโมโกรอฟกับค่าที่คาดการณ์ไว้โดยใช้พลศาสตร์ของของไหล ผลลัพธ์ที่ได้นั้นทำให้นักวิทยาศาสตร์ปัจจุบันต้องทึ่ง
“การจัดเรียงของรูปทรงคล้ายกระแสน้ำวนที่แวนโก๊ะสร้างขึ้นนั้นคล้ายกับกลไกการถ่ายเทพลังงานในกระแสความปั่นป่วนของจริง” รายงานระบุ
สมการของโคลโมโกรอฟทำนายว่าพลังงานจะตกผ่านกระแสน้ำวนที่มีขนาดแตกต่างกันในรูปแบบของกฎยกกำลังผกผันที่มีเลขชี้กำลังเท่ากับ -5/3 หรือ -1.67 ในรูปแบบทศนิยมปัดเศษ งานวิจัยระบุว่ากระแสในภาพราตรีประดับดาวมีเลขชี้กำลังเท่ากับ -1.67 หรือ -1.68 (ขึ้นอยู่กับว่าคุณกำลังวัดขวางหรือขึ้นลง)
ผลลัพธ์นี้ยังทึ่งไม่พอ ทีมวิจัยยังพบอีกว่าในระดับไมโครแล้ว รอยสีจะสอดคล้องกับปรากฏการณ์อื่นที่เรียกว่า ‘มาตราส่วนของแบทเชเลอร์’ ซึ่งตั้งชื่อตามจอร์จ แบทเชเลอร์ (George Batchelor) นักคณิตศาสตร์ชาวออสเตรเลีย ผู้เชี่ยวชาญด้านพลศาสตร์ของไหล
กล่าวอย่างง่าย มาตราส่วนแบทเชเลอร์ นั้นจะอธิบายว่าความปั่นป่วนทำให้ของเหลวผสมกันในขนาดที่เล็กกว่าได้อย่างไร (กลับกันมาตราส่วนของโคลโมโกรอฟจะบอกว่าพลังงานกระจายตัวไปตามกระแสปั่นป่วนอย่างไร) การผสมนี้สามารถมองเห็นได้ในการลงสีในกระแสความปั่นป่วนบนรูปภาพ
นี่เป็นผลลัพธ์ที่ไม่มีใครคาดคิดอย่างยิ่ง ทีมวิจัยระบุว่าการปรากฏตัวของทั้งสองมาตราส่วนนี้นับเป็นเรื่องที่หาได้ยากมากในระบบบรรยากาศเดียวกัน เนื่องจากต้องสังเกตในโครงสร้างขนาดใหญ่และขนาดเล็กมากในเวลาเดียวกัน
“สิ่งที่น่าตื่นเต้นที่สุดของการศึกษาของเรานั้นอยู่ที่การสังเกตมาตราส่วนโคลโมโกรอฟและแบทเชเลอร์พร้อมกัน” หวงกล่าว
นี่เป็นหลักฐานเพิ่มเติมอีกชิ้นหนึ่งที่แสดงให้เห็นว่าแวนโก๊ะมีสัญชาตญาณในการมองเห็นความปั่นป่วนที่เกิดขึ้นอย่างประณีต และยังถ่ายทอดมันออกมาอย่างละเอียดที่สุดในช่วงเวลาที่กฎฟิสิกส์ดังกล่าวยังไม่ถูกระบุ แต่แวนโก๊ะก็สามารถมองเห็นอะไรบางอย่างที่อยู่ในธรรมชาติได้ และทำให้มนุษย์อีกหลายร้อยปีต่อมาแทบจะอ้าปากค้าง
สืบค้นและเรียบเรียง
วิทิต บรมพิชัยชาติกุล
ที่มา
https://arstechnica.com/science
