경험 해야하는 과학적 문제

독일 물리학 자 아놀드 소 머 펠트 (Arnold Sommerfeld)는 1923 년에 가장 훌륭한 학생을 박사 논문에 대한 주제를 부여했을 때“나는 다른 학생들 에게이 어려움에 대한 주제를 제안하지 않았을 것”이라고 인정했다. 그 다른 사람들은 Wolfgang Pauli와 Hans Bethe와 같은 천재를 포함했지만 Sommerfeld에게는이 주제의 도전에 달려 있던 유일한 사람은 Werner Heisenberg였습니다.

Heisenberg는 계속해서 Quantum Theory의 주요 창립자가되었으며 1932 년 노벨 물리학상을 수상했습니다. 그는이 새롭고 혁신적인 징계에 대한 최초의 수학적 설명 중 하나를 개발하고 불확실성 원칙을 발견했으며 Niels Bohr과 함께 많은 물리학 자들이 여전히 준수하는 양자 이론의“코펜하겐 해석”을 설계했습니다.

그러나 Heisenberg의 박사 학위 논문의 주제는 양자 물리학이 아니 었습니다. 그것보다 더 어려웠습니다. 1923 년 뮌헨 대학교 교수진에 제출 한 59 페이지의 계산은“유체 흐름의 안정성과 난기류에 관한 제목”이었다.

Sommerfeld는 뮌헨의 Isar Company와 연락을 취했으며, 은행을 건설함으로써 Isar River가 홍수를 방지하기 위해 계약을 체결했습니다. 이 회사는 강의 흐름이 매끄럽게 (기술적 인 용어가“층상”) 에디와 함께 혼란 스러웠던 시점에서 어떤 시점에서 바뀌 었는지 알고 싶어했습니다. 그 질문은 난기류가 무엇인지에 대한 이해가 필요합니다. 이 문제에 대한 Heisenberg의 연구는 인상적이었다. 그는 층상에서 교란하는 변화 시점에서 수학적 흐름 방정식을 해결했으며 그 후 수십 년 동안 아이디어를 자극했다. 그러나 그는 실제로 깨지지 않았습니다. 그는 종합적인 난기류 이론을 구성 할 수 없었습니다.

Heisenberg는 겸허하게 주어지지 않았지만 여기서 그의 업적에 대한 환상이없는 것 같습니다. 한 가지 인기있는 이야기는 그가 한 번 말했습니다.“하나님을 만났을 때 두 가지 질문을하겠습니다. 왜 상대성이 있습니까? 그리고 왜 난기류입니까? 나는 그가 첫 번째에 대한 답을 가질 것이라고 정말로 믿는다.”

아마도 묵시적인 이야기 일 것입니다. 동일한 발언은 적어도 한 사람에 기인합니다. 유체 흐름에 대한 영국 수학자이자 전문가 인 호레이스 램 (Horace Lamb)은 하나님 께서 양자 전기 역학과 난기류로 그를 깨달을 수 있기를 바랐으며,“전자에 대해 다소 낙관적입니다.”

당신은 요점을 얻습니다 :실제 세계에서 유비쿼터스 및 저명한 실용적인 문제인 난기류는 이해하기 어렵습니다. Heisenberg 이후 거의 1 세기 후에 과학자들은 여전히 ​​그것을 알아 내려고 노력하고 있습니다. 그리고 그것은 여전히 ​​최첨단 문제입니다. 러시아 수학자 야코프 시나이 (Yakov Sinai)는 2014 년 수학 수학 (수학의 노벨로 여겨지는 2014 년 아벨상)을 수상했습니다.

그러나 나는 난기류를 완전히 표현하고 이해하기 위해서는 과학의 상세한 분석에 예술의 직관적이고 명상적인 관점을 추가해야한다고 제안한다. 이 어려운 문제에 대한 예술과 과학 사이에는 오랜 대화가 있습니다. 난기류의 과학이 종종 질적, 설명적인 설명에 빠지도록 강요당하는 것은 우연의 일치가 아닙니다. 난기류를 축하하는 예술은 때때로 준 과학적 데이터 수집과 형태의 이상화와 비슷합니다. 기본 패턴과 규칙에 대한 검색

두 가지 관점의 상호 작용은 둘 다를 향상시킬 수 있습니다. 난류 흐름의 직관은 수학자와 엔지니어에게 서비스를 제공 할 수 있으며,주의 깊은 관찰과 실험은 예술가에게 도움이 될 수 있습니다. 과학자들은 난류를“복잡성”의 한 형태로 보는 경향이 있으며, 반 기술적 용어는 많은 일이 일어나고 있으며 모든 것이 다른 모든 것에 의존한다는 것을 알려주는 것이며, 따라서 감소 주의적 접근은 한계가 있습니다. 그러나 난류를 완전한 수학적 설명을 기다리는 현상으로서, 우리는 그것을 과학과 겹치는 삶, 사랑, 언어 및 아름다움과 같은 개념 중 하나로보아야하지만, 그 안에는 전적으로 포함되어 있지 않습니다. 난기류는 파악 된 경험이 있어야합니다.

폭풍으로

난류 문제에 대한 거의 모든 과학적 역사는 같은 장소에서 시작됩니다. 15 세기 레오나르도 다빈치 (Leonardo da Vinci)가 만든 야생 물 흐름의 스케치와 함께. 레오나르도가 그랬던 것은 다소 심오했습니다. 미술사 마틴 켐프 (Martin Kemp)의 말에 따르면, 레오나르도는 자연을“수학적 완전성의 기본 워프와 우프에 무한한 다양한 패턴을 짜는 것으로 간주했다.”

레오나르도는 그 패턴을 파악하려고했습니다. 그래서 그가 하천에서 평평한 접시 주위에 흐르는 물의 꼰 소용돌이와 여성의 머리카락의 머리띠 사이에 비유를 그렸을 때, 그는 단지 하나가 다른 사람처럼 보인다고 말하는 것이 아니라 자연 세계 전역에 존재하는 것으로 생각되는 방식의 형태의 서신 인 두 가지 사이에 깊은 관계를 맺고있었습니다. 그는 유체 흐름이 정적이고 거의 결정질의 실체로 보았습니다. 그의 스케치는 그들에게 견고성을 가지고 있으며, 거의 물을 로프와 코일로 짜는 것처럼 보입니다.

그러나 중요한 것은 이러한 형태의 피상적이고 일시적인 표현이 아니라 그들의 근본적인 본질이었습니다. 레오나르도는 예술가가“자신이 보는 것”을 그리는 것이 아니라 오히려 그가 보는 내에서 분별하는 것을 상상하지 못했습니다. 그것은 예술가가 발명 할 수 있도록 보인다 :그림은“미묘한 발명 입니다. 철학과 미묘한 추측은 모든 형태의 본성을 고려합니다.” 당신이 그것에 대해 생각할 때 그것은 과학에 대한 나쁜 정의가 아닙니다.

그럼에도 불구하고 과학이 난류 흐름에 대한 레오나르도의 아이디어를 개발하는 데 수세기가 걸릴 것입니다. 왜 그런지 알기가 어렵지 않습니다. 그리고 말 그대로 의미합니다. 혼란스러운 흐름을 보면 (크림이 커피, 예를 들어, 또는 담배의 연기에서 튀어 나온 공기 제트기를 보면, 그것은 구조로 가득 차 있음을 알 수 있습니다. 그것은 우리가 삶, 역사 또는 사회를 묘사하기 위해 단어의 구어체 사용에서 암시하는 것과 다소 다릅니다. 거기에서 우리는 문제가되는 것이 혼란스럽고 무작위이며, 원인과 결과를 식별하기가 어렵다는 것을 의미합니다. 그러나 순수한 무작위성은 수학적으로 묘사하기가 어렵지 않습니다. 그것은 한 번 또는 한 번에 모든 사건이나 움직임이 다른 곳에서 독립적이라는 것을 의미합니다. 평균적으로, 무작위성은 칙칙한 균일 성으로 흐려집니다.

난류 흐름은 다릅니다. 순서와 일관성이 있지만 일정한 플럭스의 순서가 있습니다. 액체와 가스의 흐름은 충분히 빨리 흐르기 시작하면 성전적으로 난류가됩니다. 그들이 천천히 흐르면, 모든 유체는 행진하는 군인들과 마찬가지로 평행하게 움직입니다. 그러나 속도가 높아짐에 따라 순위가 무너집니다. 당신은“군인들”(유체 소포)이 서로 충돌하거나 옆으로 움직이기 때문에 소용돌이와 에디가 형성되기 시작한다고 말할 수 있습니다.

이러한 난류로의 이러한 전환은 모든 유체의 유량 속도에서 발생하지 않습니다. 더 많은 점수는 콧물보다 빠른 속도로 "줄을 서"할 수 있습니다. 채널 또는 파이프 아래로 흐르는 경우, 레이놀즈 번호라는 수량은 난류가 나타나는지 결정합니다. 대략적으로 말하면, 이것은 유체의 점도에 대한 유량 속도의 비율을 인코딩합니다. 난기류는 레이놀즈 수의 높은 값에서 발생합니다. 수량은 19 세기에 유체 흐름에 대한 선구적인 작업을 하이젠버그의 작업을위한 토대를 제공 한 앵글로 아일랜드 엔지니어 인 오스본 레이놀즈의 이름을 따서 명명되었습니다.

제트 스트림과 같은 강과 대기 전류에서 자연에서 발생하는 많은 흐름은 레이놀즈 수가 높습니다. 공기 난류의 에디와 매듭은 항공기가 통과 할 때 울퉁불퉁 한 승차감을 만들 수 있습니다.

Turbulence는 수학적 방정식을 작성하여 문제가 단순히 해결되지 않는 이유에 대한 완벽한 예를 제공합니다. 이러한 방정식은 층류 또는 난류에 관계없이 모든 유체 흐름에 대해 존재합니다. Navier-Stokes 방정식이라고 불리며, 유체에 적용되는 Isaac Newton의 두 번째 운동 법칙 (힘과 같은 질량 시간 가속도)의 표현에 크게 적용됩니다. 이 방정식은 유체 역학의 과학에서의 흐름에 대한 현대적인 조사의 기초입니다.

문제는 특히 간단한 몇 가지 경우를 제외하고 방정식을 해결할 수 없다는 것입니다. 그러나 세상을 묘사하는 것은 방정식 자체가 아니라 그 해결책입니다. 솔루션을 그렇게 복잡하게 만드는 것은 흐름의 각 부분은 다른 모든 부분이 수행하는 일에 달려 있다는 것입니다. 흐름이 난류가되면,이 상호 의존성은 극단적이고 흐름이 혼란스러워지며, 한 번에 가장 작은 교란이 나중에 완전히 다른 행동 패턴으로 이어질 수 있다는 기술적 인 의미에서.

새로운 합류

무질서한 전체에서 조직의 주머니의 끊임없는 외관과 실종은 아름답고 매혹적인 품질을 가지고 있습니다. 이런 이유로, 난기류는 과학자들에게 비판적이기 때문에 예술가들에게 견딜 수없는 것으로 판명되었습니다.

Leonardo의 유체 흐름 표현은 서부에서 몇 명을 발견했습니다. 그러나 변화하는 플럭스에서 근본적인 형태를 추구하는 비슷한 전통은 이미 동부 아시아에서 잘 발달되었습니다. 17 세기 후반, 중국 화가 Shitao는 물파와 산맥 사이의 비유를 그렸습니다. . 여기서 뱀의 파도는 거의 길린의 석회암 봉우리 일 수 있었고, 파도를 깨는 거품이 많은 덩굴손은 중국 지식인들이 정원을 장식하는 것을 좋아하는 구덩이와 구멍이 뚫린 바위 조각을 회상합니다.

중국 예술가의 경우 난류 흐름의 형태는 Qi 라는 자연 에너지의 썰물과 흐름에 의해 정의되었습니다. 도교 철학의 창의적 자발성을 공급합니다. 아티스트는 세부 사항에 느리고 세심한주의를 기울이지 않고 Qi 를 부여한 손목의 자유로운 움직임 으로이 에너지를 포착했습니다. 브러시의 물 잉크와 흔적에 실크에 남겨 둡니다. Shitao는 손목이“물처럼 깊숙이 흐르고 있어야한다”고 썼다. 중국 예술이 난기류에 대한 심오한 명상으로 만드는 것은 역동적 인 변화에 대한이 주장입니다.

흐름을 묘사하는 전통적인 스키마가 현대 유체 역학 주의자들이 소위 간소화에서 복잡한 흐름의 필수 요소를 포착하려는 시도와 어떻게 유사한지를 알아 차리는 데 도움이 될 수 없습니다. 이러한 유사성은 피상적이고 우연의 일치보다 더 중요합니까? 나는 그렇게 생각합니다 :그들은 난류 흐름에 질서 정연한 패턴과 형태가 포함되어 있으며, 감사하기 위해서는 시각화되어야한다는 인식을 표현합니다.

그러나 20 세기 과학자들에게는 난기류 의이“깊은 구조”가 점점 더 추상적이고 수학적 개념이되었습니다. 난기류 과학의 주요 발전 중 하나는 소비에트 수학 물리학 자 안드리 콜 모고 로프 (Andrei Kolmogorov)에서 나왔으며 1950 년대에 시나이 (Sinai)가 그의 작품을 시작했습니다. 이 시점에서 난류는 모든 크기의 에디의 계층 구조로 간주되었으며, 에너지는 가장 큰 것부터 가장 작은 것까지 에너지 계단식이 서로를 대적으로 문지르는 분자의 마찰에서 열로 열로 튀어 나올 때까지 거칠다. 난류에 대한이 그림은 1922 년 조나단 스위프트 (Jonathan Swift)에게 빚진 1922 년시에서 난류 이론의 또 다른 개척자 인 영국 수학자 루이스 프라이 리차드슨 (Richardson)에 의해 유명했다 :

큰 소용돌이에는 소용돌이가 거의 없습니다
그것은 그들의 속도를 먹고,
작은 소용돌이에는 소용돌이가 적습니다
또한 점도에.

1940 년대에 Kolmogorov는 다양한 크기의 에디에 얼마나 많은 에너지가 묶여 있는지 계산하여 에너지와 관련된 전력법이라고 불리는 다소 간단한 수학적 관계가 있음을 보여줍니다. 다른 크기 척도에서 다른 에너지의 소위 스펙트럼으로서 난기류에 대한이 아이디어는 Heisenberg의 주제에 대한 연구에 의해 이미 개발 된 것입니다. 그것은 문제를 보는 매우 유익하고 우아한 방법이지만, 난류 흐름의 실제 물리적 외관이 훨씬 더 반발하는 것으로 보입니다. Kolmogorov의 분석은 뷔페, 행성의 대기에서 소용돌이 치는 가스를 소용돌이 치는 가스에 대한 통계적 설명을 제공 할 수 있습니다. 그러나 우리가 보는 것은 때로는 우리를 가장 염려하는 것은 지구상의 열대 사이클론의 개별 소용돌이 또는 목성의 큰 붉은 지점입니다.

그러나 동시에 낯선 전류가 진행되었습니다. Heisenberg가 방정식으로 저글링하는 동안 Viktor Schauberger라는 오스트리아의 산림 소장은 난류 흐름에 대한보다 직관적 인 이해를 위해 어려움을 겪고있었습니다. Schauberger의 주제에 대한 관심은 1920 년대에 로그 플럼을 개선하려는 그의 소망으로 인해 숲을 통해 목재를 옮길 때 방해받지 않았다. 이로 인해 그는 모든 것의 이론과 비슷한 것으로 변하는 혼란스러운 소용돌이에 대한 특유의 이론을 개발하게되었습니다. Schauberger는 나치에 의해 그의 "파열 이론"과 관련된 비밀 무기를 연구해야했으며 심지어 히틀러와의 관객을 위해 데려 갔다고합니다. 전쟁 후 Schauberger는 미국으로 데려 와서 그의 모든 아이디어가 군사적으로 사용하기 위해 도난 당하고 있다고 확신했습니다.

필연적으로 이것은 음모 이론의 것들입니다. Schauberger는 난류와 관련하여 구동되는 최고 비밀 비행 접시를 설계했다고합니다. 그의 접근의 정신은 1950 년대와 60 년대 독일 인류 학자 테오도르 슈웬의 아이디어에서도 식별 될 수 있습니다. Schwenk는 그의 작품은“물과 공기의 과학적 관찰에 기초한 것이 아니라 무엇보다도 Rudolf Steiner의 영적 과학에 기초한 것”이라고 주장했으며, 물의 흐름 형태, 특히 소용돌이의 조직은 원격 학적, 창의적 특성의 지혜를 반영한다고 믿었습니다. 그는이“흐름 형태”는“우주의 말씀 인 우주 알파벳, 자연과 사람을 이끌어 내기 위해 운동의 요소를 사용한다”의 요소라고 말했다.

Schauberger와 Schwenk는 과학을하지 않았습니다. 과학적 주류에서 분리 된 비전 이론에서 자신의 아이디어를 옷을 입는 방식으로, 의사 과학을 실천하고 있다고 말하는 것은 지나치게 가혹하지 않습니다. 오늘날 뉴 에이지 사상가들에 의한 그들의 예산은 이것을 반영합니다. 그러나 우리는 그 계정에서 그들을 너무 무시해서는 안됩니다. 그들의 작품을 보는 한 가지 방법은 레오나르도가 끊임없는 수학으로 퇴각하는 것처럼 보이는 분야로 모범적 인 전체적이고 명상적인 태도를 회복하려는 시도입니다.

Schwenk의 1963 년 책 민감한 혼란 의 복잡한 흐름 형태, 난류 깃털 및 방해하는 파도 및 모래의 졸린 침식 특징의 화려한 사진. , this 를 상기시켜주었습니다 흐름이 에너지 스펙트럼이나 계층 적 캐스케이드가 아니라 인간의 경험에 나타나는 방법이었습니다. 이러한 이미지는 뉴턴 우주의 결정 론적 역학과는 거리가 멀고 자발적인 자연 창의성을 고집하는 것으로 보인다. Schwenk 자신은 아일랜드 Newgrange에있는 Bronze Age Burial Chamber의 돌 조각과 같은 원시 예술의 소용돌이와 파도의 표현이 Fecund Cosmic Language of Flow 형태의 직관이라고 제안했습니다.

필름의 흐름

그러나 스 니피 과학자들은 Schauberger와 Schwenk에 관한 것일 수 있으며, 그들의 아이디어는 예술가와 디자이너를 사로 잡았으며 계속 그렇게합니다. 파도와 물의 흐름에 관한 몇 가지 작품을 만든 현대의 영국 예술가 Susan Derges는 자신의 아이디어에서 영감을 받았다고 말합니다. 영국 남부의 Basingstoke 운하 옆에서 자라면서 Derges는 Towpath 산책을 탐험하는 데 많은 시간을 보냈습니다. 그녀는“바지선과 조류 생활이 물을 통해 움직이는 순서대로 패턴 화과 간섭의 혼합에 흥미를 느꼈다”고 말했다. 그녀는 파도와 간섭 패턴이 질서 정연하고 안정적인 패턴을 일으키는 방법을 탐구하기 시작했다.

1990 년대 영국 남서부의 다트 무어 (Dartmoor)로 이사했을 때, 데르 게스 (Derges)는 토런트 강이 높은 무어에서 내려 오는 것을 겪었다. "나는 엄청난 양의 에너지, 모멘텀 및 복잡하고 혼란스러운 움직임이 강의 코스 지역에 남아있는 안정적인 소용돌이와 흐름 형태를 야기 할 수 있다는 것이 흥미로웠다"고 그녀는 말한다. "그것은 더 유동적 인 에너지 기초 공정에 의해 명백히 일정하고 견고한 외관을 어떻게 고려할 수 있는지에 대한 은유를 제안하는 것처럼 보였다."

1990 년대 일련의 작품에서 Derges는 Dartmoor 강에있는 Taw 강에있는이 난류 구조물을 포착하여 큰 사진 용지를 넣고 방수 덮개로 보호되어 밤에는 수면 바로 아래에 단일 밝은 빛의 섬광으로 노출되었습니다. 그녀의 영감, 동기 및 기술에서, Derges가 한 일과 실험 과학자가 할 수있는 일 사이에는 거리가 거의 없습니다. 그러한 "그림자"는 유체 역학 주의자들이 흐름 구조를 포착하고 연구하는 데 일반적으로 사용됩니다. 그러나 Derges의 경우이“데이터 수집”은 예술적 순간이됩니다.

Derges와 마찬가지로 American Artist Athena Tacha는 Leonardo의 Vortices 스케치에서 영감을 얻었습니다. . 지난 수십 년 동안 타차의 작품의 대부분은 난류 흐름의 깊은 구조에 대한 조사이며, 그녀는 종종 추상적 인 본질을 줄이고 더 영구적이고 단단한 것으로 변모합니다. 그녀의 작품은 대규모 공개 커미션을 포함하기 때문에,이 건축 조각들은 사람들이 문자 그대로 형태에 들어가서 마치 마치 마리아의 벽돌 세포 트렐리스 미로에서 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 마치 흐름에 걸쳐있는 입자 인 것처럼 경험할 수있게합니다. (1985-6) 그리고 계단식 안뜰 공간의 계단식 초승달 형태 녹색 에이커 (1985-7). 난류가 혼란스러운 혼란의 실제 혼란에 대한 내장적인 감각을 원한다면 Chaos 와 같은 Tacha의 사진 시리즈에 대한 과학적 설명은 개선되지 않습니다. (1998).

“저는 일반적으로 '카오스'상태를 불러 일으키는 유체 형태에 관심이 있기 때문에 난기류에 반응한다고 생각합니다. 타차는 말합니다. Kolmogorov와 그의 과학적 후계자들은 그 주장에 대해 거의 반대 할 수 없을 것입니다.

아마도 Tacha의 조각품보다 순간에 얼어 붙은 흐름의 감각을 더 잘 포착 할 수있는 것은 없습니다. 시청자가 일본 예술가 Hokusai 's Great Wave의 끔찍한 아름다움을 경험할 수있게 해줍니다. (c.1831-33) 아래로 당겨 질까 봐 두려워. 이 작품이 동아시아의 흐름에 대한 인식과 관련이있는 것을 암시한다면, 현대 일본 예술가 Goh Shigetomi의 작품에서 그 맥락은 틀림 없습니다. Shigetomi는 Black sumi를 분산시키는 방법을 찾았습니다. 종이의 흐름 이미지를 각인 할 수 있도록 자연 흐름으로 잉크를 잉크하십시오. 그는 예술가로서의 자신의 지위에 대해 적당히 동등합니다. 왜냐하면 물 자체가“자발적으로 선을 그립니다”. 올바른 잉크와 올바른 종이 (일본 라이스 페이퍼) 만 작동하며 기술을 개선하는 데 수년간의 실험이 필요했습니다.

필립 볼은 의 저자입니다 Reich 과 과학과 예술에 관한 많은 책을 제공합니다.