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(jìngrán)也有属于自己的节日哟！2025 年的 5 月 16 日已经是第十个国际(guójì)光日啦！ 1960 年，美国休斯研究实验室(shíyànshì)有位超厉害的物理学家梅曼，他制造出了第一台红宝石激光(jīguāng)器，从而开启了激光时代。为了纪念这个了不起的时刻(shíkè)，在(zài) 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”（International Day of Light）。 由于从你的眼睛到手机屏幕，从巨大的天文望远镜到激光雕刻机，光学涉及(shèjí)的东西实在是(shì)太多太多，今天咱们(zánmen)只重点聊聊大家最熟悉的“镜子”。 唐太宗(tángtàizōng)李世民说过：“以铜为镜，可以正衣冠”；《木兰辞》中则有(yǒu)“当窗理云鬓，对镜贴花黄”，都生动地描绘了人们与(yǔ)镜子(jìngzi)之间的日常联系。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(guāngxué)领域中最简单的器件之一，常常出现在光学入门课程的前几页。 图 1：平面反射镜(fǎnshèjìng)成像[1] 回溯人类使用镜子的(de)历史，可谓源远流长。在(zài)远古时期，人们最初借助天然形成的平静(píngjìng)水面来映照自己的模样，旧石器时代的人类若想一睹(yīdǔ)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，这便是人类最早(zuìzǎo)使用的“镜子”。后来，以青铜为材质打造的青铜镜，成为了主流。 随着时间推移，人类对镜子的制作技术不断探索。15 世纪迎来了(le)平面镜发展史(fāzhǎnshǐ)上的一个重要里程碑——意大利威尼斯的工匠们发明(fāmíng)了镀锡玻璃镜。他们在(zài)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(tíshēng)了镜子的成像质量(zhìliàng)，还为后续制镜工艺的革新奠定了基础，发展成为现世的镀银镜和镀铝镜等金属镀膜镜子。 镜子的工作原理基于光的反射定律。当光线从一个介质(jièzhì)射向另(lìng)一个介质表面(biǎomiàn)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，有个问题既有趣又常见，那就是“为什么镜子里的(de)你左右是相反的，上下(shàngxià)却不是相反的？”。 图 2：平面反射镜的成像方式(fāngshì)[2] 其实，镜子成像既不是(búshì)左右对称也不是上下对称。 出现(chūxiàn)这种问题的原因是人往往以自己为参照物，而忽视了(le)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对称出现。这种对称是沿着镜面的垂直轴（即前后(qiánhòu)方向）进行的，因此物体的前后位置被反转，而左右和上下位置相对于(yú)镜面保持不变。 图 3：镜面对称(duìchèn)坐标参考[3] 这么说可能(kěnéng)还不够清楚，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(jìngmiàn)朝南，那么当我们动一动(dòngyīdòng)东边那只手，镜中人动的一定也是东边那只手，反(fǎn)之亦然。但当我们伸出手指指向(zhǐxiàng)北面(běimiàn)（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”。 换句话说就是镜子反转的(de)是物体相对于镜面(jìngmiàn)的前后方向，而非左右或上下(shàngxià)。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？ 我们知道光的反射定律，那么我们就可以用多块镜子(jìngzi)，通过调整入射光（即光源）和镜子之间的位置关系(guānxì)，从而精确地(dì)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的镜子，就能(néng)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。偶镜有一个有趣的现象，如果你去照偶镜，调整自己的位置，让镜子的接缝处恰好位于镜中你面部的中线，你就会(huì)发现(fāxiàn)这时照镜子的体验大不相同，当(dāng)你举起右手，镜中人(jìngzhōngrén)也会举起右手，当你闭上左眼(zuǒyǎn)，镜中人也会闭上左眼。 此外(cǐwài)，如果你用手电筒紧贴面颊将光射向 90° 偶镜，会出现(chūxiàn)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(suǒzhì)。 图 4：偶镜原理丨图源：作者(zuòzhě)绘制 若在偶镜上再加一面镜子使三(sān)面镜垂直，就成为一个角反射器(fǎnshèqì)，它(tā)由三对偶镜组成，无论从何角度投射光线，经二、三次反射的光都与入射光平行。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并非严格垂直，这样能有(yǒu)部分(bùfèn)反射光散开，便于司机看见。 图 5：自行车上的(de)反射器丨责编拍摄制图 更神奇的是(shì)，月球上也有人造角反射器。1969 年 7 月 21 日，美国阿波罗(ābōluó) 11 号登月成功，人类第一次踏上了月球的表面(miàn)，登月宇航员带了一个(yígè)激光后向反射器阵列，并将其放置在月面预定位置(wèizhì)上，成功测得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 反射器阵列丨(gǔn)图源：wiki 在摄影(shèyǐng)领域中还有就(jiù)一个巧妙利用反射镜(fǎnshèjìng)的摄影设备——单反相机（单镜头反光相机)。其独特之处在于其取景器的设计。其镜头兼作(jiānzuò)取景物镜，在摄影镜头与数码相机的感光元件之间，有一反光镜(fǎnguāngjìng)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(tiáojiāo)屏上，通过取景目镜和五棱镜，拍摄者可以观察取景对象，因而取景无视差，且较明亮。拍摄时，反光镜抬起（下图(xiàtú)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图源(túyuán)：wiki 咱们(zánmen)日常家用(jiāyòng)的(de)镜子，其镀膜层是位于镜子后方的。当你凑近仔细观察，会发现镜中影像存在轻微重影，这是普通(pǔtōng)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（即光源）的波长和镀层的表面光洁度。 在特定场景下，比如激光应用中，使(shǐ)用(shǐyòng)高反射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、无双影，能还原物体本貌。而普通镜子反射率低、无波长(bōcháng)选择性(xuǎnzéxìng)，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不被允许的，因为哪怕极其微小的图像(túxiàng)偏差(piānchā)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，能够有效提高对特定波长光的反射率，得到(dédào)的图像不仅(bùjǐn)亮度高，而且精确(jīngquè)准确，画质更清晰，色彩更逼真。 镜子，这个(zhègè)看似简单的光学元件，实则蕴含着丰富的光学原理和制作工艺(gōngyì)。从日常生活中的整理仪容到高端光学系统中的精密应用(yìngyòng)，镜子都发挥着不可替代的作用。 [2]光学“魔术(móshù)(shù)”：镜子与消失术！[EB/OL]. Light科普(kēpǔ)坊(fāng), (2023-09-17). https://mp.weixin.qq.com/s/aBPZgJiGtEqrNcRU3fxiaw. [4]中国科学院(zhōngguókēxuéyuàn)西安光学(guāngxué)精密机械(jīngmìjīxiè)研究所-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]焦述铭. 角(jiǎo)反射器：让光线“掉头”[EB/OL]. 网易号(hào), (2024-06-30). [7]月亮距离(jùlí)我们有多远？科学家告诉你到月球要(yào)几步[EB/OL]. 新 浪科技(kējì), (2018-02-02).