为什么镜子左右反上下不反？原因竟然出在我们自己

光竟然也(yě)有属于自己的节日(rì)哟！2025 年的 5 月 16 日已经是第十个国际光日啦！ 1960 年，美国(měiguó)休斯研究实验室有位超厉害的(de)物理学家(wùlǐxuéjiā)梅曼，他制造出了第一台红宝石激光器，从而开启了激光时代。为了纪念这个了不起的时刻，在 2015 年，联合国教科文组织大手一挥，把每年的 5 月(yuè) 16 日定为“国际光日(guāngrì)”（International Day of Light）。 由于从你的(de)眼睛到手机屏幕，从巨大的天文望远镜到激光雕刻(jīguāngdiāokè)机，光学涉及的东西实在是太多太多，今天咱们只重点聊聊大家最(zuì)熟悉的“镜子”。 唐太宗李世民说过：“以铜为(wèi)镜，可以正衣冠”；《木兰辞》中则有“当窗理云鬓，对镜贴花黄”，都生动地描绘了人们与镜子(jìngzi)之间的日常联系(liánxì)。这面我们日常使用的镜子，在专业上被称为“平面反射镜”，堪称光学领域(lǐngyù)中最简单的器件之一，常常出现在光学入门课程的前几页(jǐyè)。 图 1：平面反射镜成像(chéngxiàng)[1] 回溯人类使用(shǐyòng)镜子的历史，可谓源远流长。在远古(yuǎngǔ)时期，人们最初借助天然形成的平静水面(shuǐmiàn)来映照自己的模样，旧石器时代的人类若想一睹自己的容颜，往往需要前往池水边，对着那如镜面般平静的水面细细端详，这(zhè)便是人类最早使用的“镜子”。后来(hòulái)，以青铜为材质打造的青铜镜，成为了主流。 随着时间推移，人类对镜(jìng)子的(de)制作技术不断探索。15 世纪迎来了平面镜发展史上的一个重要里程碑——意大利威尼斯的工匠们发明了镀锡玻璃镜。他们在玻璃背面精心涂覆了一层金属膜。这层金属膜凭借自身对光的反射特性，让光线能够高效地反射回来。这一创新不仅大幅提升了镜子(jìngzi)的成像质量，还(hái)为后续制镜工艺的革新(géxīn)奠定了基础，发展成为现世的镀银镜和镀铝镜等(děng)金属镀膜镜子。 镜子的(de)(de)工作原理基于光的反射定律。当光线(guāngxiàn)从一个介质射向另一个介质表面时，如果表面足够平滑，光线就会以相同的角度反射出去，形成所谓的“镜面反射”。 关于镜子(jìngzi)，有个问题既(jì)有趣又常见，那就是“为什么镜子里的你左右是相反的，上下却不是相反的？”。 图 2：平面反射镜的(de)成像方式[2] 其实，镜子成像既不是左右对称也不是上下(shàngxià)对称。 出现这种问题的原因是(shì)人往往以(yǐ)自己为参照物，而忽视了镜子。准确的说镜子通过平面反射光线，使得物体的像在镜面后方(hòufāng)对称出现。这种对称是沿着镜面的垂直轴（即前后方向）进行的，因此物体的前后位置(wèizhì)被反转，而左右和上下位置相对于镜面保持不变。 图 3：镜面(jìngmiàn)对称坐标参考[3] 这么说可能还(hái)不(bù)够清楚，如果照镜子的时候换个指示方向的方式，就一目了然了。假设我们站住不动，面对镜子的时候面朝北，镜面朝南，那么当(dāng)(dāng)我们动一动东边(dōngbiān)那只手，镜中人动的一定也是东边那只手，反之亦然。但当我们伸出手指(shǒuzhǐ)指向北面（也就是我们眼前镜子的方向），镜中的你则一定会指向南，所以说，照镜子时其实是“里外反”。 换句话说就是(shì)镜子反转(fǎnzhuǎn)的是物体相对于镜面的前后方向(fāngxiàng)，而非左右或上下。由于人类身体的左右对称性和观察视角的影响，我们感知为左右反转，而上下方向因与镜面垂直，未发生反转。 多来几块镜子(jìngzi)可以干什么？ 我们(wǒmen)知道光的反射定律，那么我们就可以(kěyǐ)用多块镜子，通过调整入射光（即光源）和镜子之间的位置关系，从而(cóngér)精确地引导光线到达所需的位置。 首先就是小学(xiǎoxué)科学课上都会制作的潜望镜，只要用两块互相平行(píngxíng)的镜子，就能越过墙头观察对面情况了。 而如果我们把用两块平面镜垂直粘合固定，组成的镜子就叫偶镜(ǒujìng)。偶镜有一个有趣的现象，如果你去照偶镜，调整自己的位置，让镜子的接缝处(jiēfèngchù)恰好位于镜中你面部的中线，你就会发现这时照镜子的体验(tǐyàn)大不相同(dàbùxiāngtóng)，当你举起右手，镜中人也会举起右手，当你闭上(bìshàng)左眼，镜中人也会闭上左眼。 此外，如果你(nǐ)用手电筒(shǒudiàntǒng)紧贴面颊将(jiāng)光射向 90° 偶镜，会出现眩目反光。这是因为偶镜经两次反射的光与入射光平行，反射光直射入眼所致。 图 4：偶镜原理丨图源(túyuán)：作者绘制 若在偶镜(jìng)上再加一面镜子使三面镜垂直，就成为一个角反射器，它由三对偶镜组成，无论从何角度投射光线(guāngxiàn)，经二、三次反射的光都与(yǔ)入射光平行。角反射器用途广泛，像自行车尾灯就由众多角反射器组成，不过实际尾灯角镜之间(zhījiān)并非严格(yángé)垂直，这样能有部分反射光散开，便于司机看见。 图 5：自行车上的反射器丨(gǔn)责编拍摄制图 更神奇的是，月球上也有(yǒu)人造角反射器。1969 年 7 月 21 日，美国阿波罗 11 号登月(dēngyuè)成功，人类第一次踏上(tàshàng)了(le)月球的表面，登月宇航员带了一个激光后向反射器阵列，并将其放置在月面预定位置上，成功测得(dé)当时地球与月球的距离为 383911.218 公里，角反射器不愧是测距的理想“镜子”！ 图 6：Apollo11 反射器阵列(zhènliè)丨图源：wiki 在摄影(shèyǐng)领域中(zhōng)还有就一个巧妙利用反射镜的摄影设备——单反相机（单镜头(jìngtóu)反光相机)。其独特之处(chù)在于其取景器的设计(shèjì)。其镜头兼作取景物镜，在摄影镜头与(yǔ)数码相机的感光元件之间，有一反光镜与光学主轴成 45° 角。影像通过反光镜，从而显示在机身上方的调焦屏上，通过取景目镜和五棱镜，拍摄者可以观察取景对象，因而(yīnér)取景无视差，且较明亮。拍摄时，反光镜抬起（下图中的②），光线才能到达感光元件。 图 7：反射镜在单反相机中的应用丨(gǔn)图源：wiki 咱们日常家用的(de)镜子，其镀膜层是位于镜子后方(hòufāng)的。当(dāng)你凑近仔细观察，会发现镜中影像存在轻微重影，这是普通家用镜子镀膜及反射特性所导致的一种现象。镜子的反光效果好不好，取决于入射光(rùshèguāng)（即光源）的波长和镀层的表面光洁度。 在特定(tèdìng)场景下，比如激光应用中(zhōng)，使用高反射(fǎnshè)率反射器可使激光输出功率成倍增加，第一反光板反射图像不失真(shīzhēn)、无双影，能还原物体本貌。而普通镜子反射率低、无波长选择性，还会产生双重阴影，使图像质量变差。 在精密设备领域，这种双重阴影和低反射率是绝对(duì)不被允许的，因为哪怕(nǎpà)极其微小的图像(túxiàng)偏差都可能导致设备运行异常，甚至引发严重后果。在光学系统中常使用通过特殊镀膜工艺的镀膜镜(jìng)，能够有效提高对特定波长光的反射率，得到的图像不仅亮度高，而且精确(jīngquè)准确，画质更清晰，色彩更逼真。 镜子(jìngzi)，这个看似简单(jiǎndān)的光学元件，实则蕴含着丰富的光学原理和制作工艺。从日常生活中的整理仪容到高端光学系统中的精密应用，镜子都发挥着不可(bùkě)替代的作用。 [2]光学(guāngxué)“魔术(móshù)”：镜子(jìngzi)与消失术！[EB/OL]. Light科普坊(fāng), (2023-09-17). https://mp.weixin.qq.com/s/aBPZgJiGtEqrNcRU3fxiaw. [4]中国科学院西安光学(guāngxué)精密机械(jīngmìjīxiè)研究所(yánjiūsuǒ)-光学科普园地[EB/OL]. 中国科学院西安光学精密机械研究所, (2018-12-18). [6]焦述(jiāoshù)铭(míng). 角反射器：让光线“掉头”[EB/OL]. 网易号, (2024-06-30). [7]月亮距离我们有多远(yǒuduōyuǎn)？科学家告诉你到月球要(yào)几步[EB/OL]. 新 浪科技(kējì), (2018-02-02).