爲什麼鏡子能顛倒左右，卻不能顛倒上下？

有一種光學元件，最精密的光學儀器中有它的身影，而咱們早晨起來刷牙的時候，往往也會一眼看到，它就是鏡子。鏡子的工作原理基於光的反射定律。當光線從一個介質射向另一個介質表面時，如果表面足夠平滑，光線就會以相同的角度反射出去，形成所謂的“鏡面反射”。我們早都習慣了鏡中的自己，也被一個問題困擾，那就是爲什麼鏡子能顛倒左右，卻不能顛倒上下？

在網絡上，這個話題引起了 200 多萬的關注。

圖片來源網絡

爲什麼鏡子裏的你左右反，上下不反？

關於鏡子，這個問題既有趣又常見，那就是“爲什麼鏡子裏的你左右是相反的，上下卻不是相反的？”。

圖 2：平面反射鏡的成像方式[2]

其實，鏡子成像既不是左右對稱也不是上下對稱。

出現這種問題的原因是人往往以自己爲參照物，而忽視了鏡子。準確地說鏡子通過平面反射光線，使得物體的像在鏡面後方對稱出現。這種對稱是沿着鏡面的垂直軸（即前後方向）進行的，因此物體的前後位置被反轉，而左右和上下位置相對於鏡面保持不變。

圖 3：鏡面對稱座標參考[3]

這麼說可能還不夠清楚，如果照鏡子的時候換個指示方向的方式，就一目瞭然了。假設我們站住不動，面對鏡子的時候面朝北，鏡面朝南，那麼當我們動一動東邊那隻手，鏡中人動的一定也是東邊那隻手，反之亦然。但當我們伸出手指指向北面（也就是我們眼前鏡子的方向），鏡中的你則一定會指向南，所以說，照鏡子時其實是“裏外反”。

換句話說就是鏡子反轉的是物體相對於鏡面的前後方向，而非左右或上下。由於人類身體的左右對稱性和觀察視角的影響，我們感知爲左右反轉，而上下方向因與鏡面垂直，未發生反轉。

多來幾塊鏡子可以幹什麼？

我們知道光的反射定律，那麼我們就可以用多塊鏡子，通過調整入射光（即光源）和鏡子之間的位置關係，從而精確地引導光線到達所需的位置。

首先就是小學科學課上都會製作的潛望鏡，只要用兩塊互相平行的鏡子，就能越過牆頭觀察對面情況了。

而如果我們把用兩塊平面鏡垂直粘合固定，組成的鏡子就叫偶鏡。偶鏡有一個有趣的現象，如果你去照偶鏡，調整自己的位置，讓鏡子的接縫處恰好位於鏡中你面部的中線，你就會發現這時照鏡子的體驗大不相同，當你舉起右手，鏡中人也會舉起右手，當你閉上左眼，鏡中人也會閉上左眼。

此外，如果你用手電筒緊貼面頰將光射向 90° 偶鏡，會出現眩目反光。這是因爲偶鏡經兩次反射的光與入射光平行，反射光直射入眼所致。

圖 4：偶鏡原理丨圖源：作者繪製

若在偶鏡上再加一面鏡子使三面鏡垂直，就成爲一個角反射器，它由三對偶鏡組成，無論從何角度投射光線，經二、三次反射的光都與入射光平行。角反射器用途廣泛，像自行車尾燈就由衆多角反射器組成，不過實際尾燈角鏡之間並非嚴格垂直，這樣能有部分反射光散開，便於司機看見。

圖 5：自行車上的反射器丨責編拍攝製圖

更神奇的是，月球上也有人造角反射器。1969 年 7 月 21 日，美國阿波羅 11 號登月成功，人類第一次踏上了月球的表面，登月宇航員帶了一個激光後向反射器陣列，並將其放置在月面預定位置上，成功測得當時地球與月球的距離爲 383911.218 公里，角反射器不愧是測距的理想“鏡子”！

圖 6：Apollo11 反射器陣列丨圖源：wiki

在攝影領域中還有就一個巧妙利用反射鏡的攝影設備——單反相機（單鏡頭反光相機)。其獨特之處在於其取景器的設計。其鏡頭兼作取景物鏡，在攝影鏡頭與數碼相機的感光元件之間，有一反光鏡與光學主軸成 45° 角。影像通過反光鏡，從而顯示在機身上方的調焦屏上，通過取景目鏡和五棱鏡，拍攝者可以觀察取景對象，因而取景無視差，且較明亮。拍攝時，反光鏡抬起（下圖中的②），光線才能到達感光元件。

圖 7：反射鏡在單反相機中的應用丨圖源：wiki

高級的鏡子是啥樣？

咱們日常家用的鏡子，其鍍膜層是位於鏡子後方的。當你湊近仔細觀察，會發現鏡中影像存在輕微重影，這是普通家用鏡子鍍膜及反射特性所導致的一種現象。鏡子的反光效果好不好，取決於入射光（即光源）的波長和鍍層的表面光潔度。

在特定場景下，比如激光應用中，使用高反射率反射器可使激光輸出功率成倍增加，第一反光板反射圖像不失真、無雙影，能還原物體本貌。而普通鏡子反射率低、無波長選擇性，還會產生雙重陰影，使圖像質量變差。

在精密設備領域，這種雙重陰影和低反射率是絕對不被允許的，因爲哪怕極其微小的圖像偏差都可能導致設備運行異常，甚至引發嚴重後果。在光學系統中常使用通過特殊鍍膜工藝的鍍膜鏡，能夠有效提高對特定波長光的反射率，得到的圖像不僅亮度高，而且精確準確，畫質更清晰，色彩更逼真。

鏡子，這個看似簡單的光學元件，實則蘊含着豐富的光學原理和製作工藝。從日常生活中的整理儀容到高端光學系統中的精密應用，鏡子都發揮着不可替代的作用。

參考文獻

[1]Kokichi Sugihara''s English Homepage[EB/OL]. http://www.isc.meiji.ac.jp/~kokichis/Welcomee.html.

[2]光學“魔術”：鏡子與消失術！[EB/OL]. Light科普坊, (2023-09-17). https://mp.weixin.qq.com/s/aBPZgJiGtEqrNcRU3fxiaw.

[3]Why Do Mirrors Flip Left & Right (but not up & down)?

https://www.youtube.com/watch?v=1t4dOPxKgrY

[4]中國科學院西安光學精密機械研究所-光學科普園地[EB/OL]. 中國科學院西安光學精密機械研究所, (2018-12-18).

https://opt.cas.cn/kpyd/kpwz/201812/t20181218_5217790.html

[5]Makoto Otsubo, “Aerial imaging principle and its commercialization and future developments,” Proceedings of the International Display Workshops, Vol. 28: 227-230, 2021

[6]焦述銘. 角反射器：讓光線“掉頭”[EB/OL]. 網易號, (2024-06-30).

https://www.163.com/dy/article/J5U94HLO0511C4OP.html

[7]月亮距離我們有多遠？科學家告訴你到月球要幾步[EB/OL]. 新

浪科技, (2018-02-02).

https://tech.sina.com.cn/d/s/2018-02-02/doc-ifyrcsrw7752744.shtml.

策劃製作

作者丨林昊 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 研究生

審覈丨張譯心 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 科普業務主管

策劃丨丁崝

責編丨丁崝

審校丨徐來、林林