Ảo giác quang học: khi bộ não dựng lại thế giới từ những mảnh sáng vỡ
Ảo giác quang học là những tình huống mà hình ảnh ta cảm nhận được khác đáng kể so với kích thước, hình dạng hoặc chuyển động thực của sự vật, cho thấy bộ não đang tự dự đoán và lấp đầy khoảng trống khi xử lý các tín hiệu ánh sáng không hoàn hảo và đầy nhiễu. Ở đây, khoa học không giết chết sự kỳ diệu, mà chỉ ra rằng cảm giác “thấy tận mắt” yếu hơn ta tưởng rất nhiều. Các kỹ sư Mỹ đã chế tạo loại gương có thể khiến mắt người “nhìn nhầm” bằng cách điều khiển đường đi của ánh sáng phản xạ. Đồng thời, các nhà vật lý lại tình cờ phát hiện nét cọ trong Đêm đầy sao của Van Gogh tuân theo những phương trình mô tả dòng chảy rối hỗn loạn. Hai câu chuyện tưởng xa nhau lại cho thấy cùng một điều: cảm nhận thị giác của chúng ta luôn bị vật lý và toán học dẫn dắt ở hậu trường.
Gương ‘nói dối’: bề mặt quang học biết “lập trình” hình ảnh
Thay vì trung thực như gương phòng tắm, “gương nói dối” của nhóm UCLA là một bề mặt quang học được thiết kế để phản chiếu… thứ khác hẳn vật thể thật. Họ tạo ra một mảng gồm vô số cấu trúc siêu nhỏ có khả năng thay đổi pha của ánh sáng tới, từ đó biến đổi hoàn toàn thông tin hình ảnh trên chùm sáng phản xạ. Trong thiết kế, nhóm dùng học sâu để tính toán cách sắp xếp những cấu trúc này sao cho ánh sáng sau khi bật khỏi bề mặt sẽ tạo ra hình ảnh mong muốn, gần như là “in sẵn” vào gương. Kết quả là một dạng gương thực tế ảo: quần áo có thể hiện lên thành một chiếc túi, nhiều chữ số viết tay khác nhau đều hóa thành số 8, hay những nét vẽ đơn giản biến thành khuôn mặt gấu trúc. Ở đây, ảo giác quang học không chỉ đến từ não người mà được “lập trình” ngay trên vật liệu.
Thú vị hơn, khi nhóm đưa vào những hình ảnh chưa từng xuất hiện trong quá trình huấn luyện, gương vẫn tạo được hình mồi nhử có thể nhận diện được. Nghĩa là, thay vì chỉ bắt chước một mẫu duy nhất, bề mặt quang học này đã học được cách bẻ cong không gian ánh sáng theo “luật” tổng quát hơn. Ở phiên bản nguyên mẫu, nhóm chọn chế tạo “gương số 8” dùng một mảng gương siêu nhỏ để biến đổi mọi chữ số viết tay thành số 8, hoạt động với cả ánh sáng đỏ, xanh lá, xanh dương riêng biệt lẫn khi ba màu kết hợp. Dù thử nghiệm hiện vẫn phụ thuộc nguồn sáng được kiểm soát gắt gao và căn chỉnh tinh vi, tiềm năng là rõ ràng: nếu vượt qua các rào cản kỹ thuật, loại gương này có thể được dùng để ngụy trang vật thể hoặc tạo ra các lớp ảo ảnh an ninh và giải trí hoàn toàn mới.
Đêm đầy sao: Van Gogh vẽ hỗn loạn nhưng lại khớp toán học
Dòng chảy rối là hiện tượng phổ biến trong các chất lưu như nước, dòng hải lưu, dòng chảy trong máu, những đám mây bão hoặc cột khói, nơi các vòng xoáy lớn hình thành rồi vỡ ra thành các xoáy nhỏ hơn với tính chất hỗn loạn. Các nhà toán học mô tả nó bằng những phương trình cực phức tạp, trong đó có lý thuyết Kolmogorov về mối quan hệ giữa biến động tốc độ và tốc độ tiêu tán năng lượng. Tưởng như thứ toán học khô khan đó chẳng liên quan gì tới tranh sơn dầu, nhưng đây là nơi Van Gogh khoa học bước vào câu chuyện. Phân tích ảnh số của Đêm đầy sao, nhóm nhà vật lý Trung Quốc và Pháp đo kích thước 14 vòng xoáy chính rồi so sánh với các thang đo toán học mô tả quá trình năng lượng truyền từ xoáy lớn sang xoáy nhỏ trong dòng chảy rối.
Kết quả làm ai yêu nghệ thuật cũng phải rùng mình: kích thước, khoảng cách và cường độ tương đối của 14 vòng xoáy trong Đêm đầy sao tuân theo đúng định luật về sự rối loạn của Kolmogorov. Chưa dừng ở đó, ở quy mô nhỏ nhất, lớp sơn còn hòa quyện với một số xoáy nền theo mô hình thống kê được gọi là quy luật Batchelor, vốn dùng để mô tả cách các hạt nhỏ như tảo trong biển hay bụi trong gió bị trộn lẫn thụ động bởi dòng chảy rối. Một nhà nghiên cứu nhận xét đây chính là kiểu thống kê ta mong đợi khi nhìn vào các bùng phát tảo trôi theo hải lưu hoặc bụi trong khí quyển. Nói cách khác, Van Gogh đã vẽ bầu trời bằng cùng một “ngôn ngữ toán học” mà tự nhiên dùng để tổ chức hỗn loạn.
Toán học nghệ thuật: hỗn loạn, trật tự ẩn và cách ta nhìn thế giới
Điều đáng nói là Van Gogh không hề biết đến các phương trình Kolmogorov hay quy luật Batchelor, nhưng nghiên cứu cho thấy ông dường như có một trực giác sâu sắc về cấu trúc toán học của dòng chảy rối. Các nhà khoa học cho rằng nhiều khả năng nghệ sĩ đã dành vô số giờ quan sát sự hỗn loạn trong tự nhiên, đến mức các quy luật vật lý ấy được “khắc sâu” trong tâm trí và chảy ra đầu cọ khi ông vẽ. Đây là một minh chứng sống động cho ý tưởng toán học nghệ thuật: những kiệt tác không chỉ đẹp bằng cảm xúc mà còn chứa các cấu trúc toán học tương hợp với các lý thuyết về hỗn loạn và rối loạn. Khi những mô hình tương tự cũng xuất hiện trong tranh Chain Pier, Brighton và trong hình ảnh Vết Đỏ Lớn trên Sao Mộc, ta càng khó tin đây chỉ là trùng hợp ngẫu nhiên. Hỗn loạn, hóa ra, có ngôn ngữ chung, bất kể được vẽ bằng sơn dầu hay chụp bởi tàu vũ trụ.
Từ phòng thí nghiệm đến cuộc sống: ảo giác, dự báo và tương lai của nhìn – hiểu
Cả gương thực tế ảo lẫn bầu trời của Van Gogh đều cho thấy: ta không nhìn thế giới như nó “là”, mà như vật lý và toán học cho phép. Với gương “nói dối”, nếu vượt qua các giới hạn về nguồn sáng đồng nhất và căn chỉnh chính xác, công nghệ này có thể mở ra những hệ thống ngụy trang quang học, ứng dụng an ninh hoặc trải nghiệm giải trí đậm chất ảo giác quang học. Ở chiều ngược lại, hiểu sâu hơn về lý thuyết hỗn loạn trong dòng chảy rối không chỉ giúp ta đọc được những lớp cấu trúc ẩn trong nghệ thuật, mà còn hỗ trợ dự báo thời tiết, phân tích nhiễu loạn trên các chuyến bay và nhiều quy trình khác trong kỹ thuật và môi trường. Kết luận ở đây khá rõ: khi ta chấp nhận để khoa học bước vào nghệ thuật và ngược lại, bức tranh về cách ta nhìn – và hiểu – thế giới sẽ sắc nét hơn nhiều so với bất kỳ tấm gương “trung thực” nào.
