◇◇新语丝(www.xys.org)(xys4.dxiong.com)(www.xysforum.org)(xys2.dropin.org)◇◇   月亮到底跟谁走   作者:陈胜   小时候有过这样的经历:一边走一边望着天上的月亮,然后发现月亮跟着自 己走;哪怕是有两个人同时朝相反的方向走,这两个人都会觉得月亮是跟着自己 走。这样看似出现了矛盾:1、看起来月亮相对房子、树等静止在地面上的物体 运动;2、不仅有这样的相对运动,两个人朝相反方向走,观察看的相对运动的 方向还各不一样:若一个人朝东走,那么便会看到月亮跟着自己向东走,若朝西 走,则会看到月亮跟着自己向西。但是月亮只有一个,取的参照物也一样(地面 上静止的东西),那么为什么会观察到不同的运动方向呢?   这个问题看似是个运动学的问题,但实际上问题的关键不在于牛顿力学或者 相对论,而在于光学。观察者看到的相对运动并不是月亮的相对运动,而是月亮 的像的相对运动,这里的像指的是月亮在人眼视网膜里的成像。月亮只有一个, 而月亮的像却不止一个,有多少个观察者,便有多少个月亮在这些观察者的视网 膜中成的像。这些视网膜随着观察者而移动,原本静止的物体也随着这一移动而 在视网膜的不同位置成像,也就是说这些静止物体的像在视网膜内运动。在人脑 的理解下,就形成了这些物体静止,而人在运动的感觉。月亮所成的像也是一样 的,但是却与我们近处的房子、树有一个区别:它离我们将近380万公里,远远 超过了我们用作参照的那些物体。这样,虽然与其他物体一样,月亮所成的像会 随着观察者的运动而“运动”(相对于视网膜),但是月亮所成的像的位置却变 化不大。但是,其他近处静止的物体(几乎所有的)在视网膜里成的像的这种变 化则显著得多。举个例子,离我们1000米远的地方有座山高100米,一只野猪从 山脚跑到山顶,与此同时,我们用大拇指在眼睛前20厘米试着挡住野猪(只要挡 住一部分即可)。当野猪在山脚时,我们的拇指所成的像与野猪所成的像在视网 膜的同一位置(设为A),正因为如此才会将野猪挡住。同样,当野猪已经到山 顶时,我们拇指的像与野猪的像仍然是在同一位置(设为B)。1000米远的野猪 为了使像从A移动到B,移动了100米,而我们的拇指呢?不过区区几厘米而已。 近处移动10厘米可以相当于远处的100米。而回到月亮,它离我们如此之远以致 于随着观察者的运动,它的像的位置几乎不变,其他静止的物体所成的像都相对 于视网膜很快地向后退,而它的却不变,这当然给大脑一种月亮随着观察者一起 走的感觉。   那么为什么远处物体成的像与近处物体成的像有这样的区别呢?这是由物体 成像的机理决定的。物体都是三维的,从这些物体出发的光线通过瞳孔而投射到 视网膜上,从而形成了影像,通过大脑的加工,我们才获得了视觉。简单来说, 远处的物体即使移动的距离很大,但是从它出发到达瞳孔的光线的角度却变化不 大,于是在视网膜上所成的像位置的偏差也就不大。这种现象被称作视差,通过 它我们可以将远处的物体与近处的物体区分开来;并且我们可以利用不同地方观 察到的星球的角度差来测量星球的距离,虽然在很近的地方,我们看到的月亮相 对我们的角度几乎不变,但是如果移到地球的另一端或者其他足够远的地方,其 中的差别就比较明显了,利用立体几何学知识,便可通过这个角度的差别与两个 地方的位置的信息计算出月亮的距离。   所以,问题的关键在于光学,而这里只利用到了光的直线传播这一原理,利 用这一点,我们便可以很好地利用几何学的知识来解释月亮跟谁走的问题。并且, 我们还可以精确确定三维物体到底会成视网膜内成什么样的像。我们在这里用简 单的数学模型来表示上述问题中的瞳孔和视网膜(这在我们所研究的范围内是非 常合适的)。我们用一个点E来表示瞳孔,而用E后面的一小片矩形R来表示视网 膜,那么一个物体上某个点S所成的像P通过这样手段便可确定:将E和S用一条直 线连起来,那么这条直线与R的交点也就是P,物体上无数多个点所形成的像的总 和便是我们所看到的影像了。这样只需要要高中的立体几何学知识,便可以对这 一问题作基本的研究与理解。上述成像的原理即小孔成像原理,照相机也正是利 用这一原理,因为原理与人眼看事物的一样,所以才会照出来与人眼所看到的类 似的画面。这种原理也被利用在计算机绘图上,例如魔兽世界里面的形形色色的 怪物、建筑、自然景观,都是利用这种立体成像的方法画出来的。   最后,我们回到问题本身:同一个月亮却被观测到两种不同的运动,这说明 说我们的视觉是会引起偏差的,眼见并不为实。其实,不仅仅是视觉在正常情况 下会出现偏差,在一些特殊情形下,大脑还会产生千奇百怪的幻觉。所以,遇到 一个看似违背常理的现象时,要谨慎地去确认思考,不能轻易下结论。   2009年10月31日 ◇◇新语丝(www.xys.org)(xys4.dxiong.com)(www.xysforum.org)(xys2.dropin.org)◇◇