第九章光的反射和折射·視覺 9.14看不見的別針

　　把一個別針插在一塊平的圓形軟木上，然后把別針向下讓軟木浮在水盆里。假定這塊軟木不太大，而別針又好象有足夠長，使軟木不能遮住你的視線（圖115），可是你無論怎樣斜著頭看，總不能看到別針。

　　為什么從別針上來的光線不能到達你的眼睛里呢？這是因為它們發生了物理學上所謂“全反射”的作用。

　　讓我們來看這種現象是怎樣形成的。

　　在圖116里，我們可以看出光線從水進入空氣（總之是從折射率比較大的介質進入折射率比較小的介質）的路線，以及跟這相反的路線。在光線從空氣進入水的時候，它們會靠近那條法線；舉例來說，依著跟法線成角度β的路線射入水里的光線，射進水里以后，就要依著比β角小的角度α的方向前進（圖116Ⅰ，不過現在箭頭所指的方向應該顛倒一下）。

　　可是在射來的光線掠過水面，幾乎是跟法線成直角的方向射在水面上的時候，又該是怎樣呢？它射入水里的路線跟法線所成的角度一定比直角小，是等于48.5°。射入水里的光線是不能依著跟法線成大于48.5°角的方向前進的。這個角對水來說就是臨界角。你們以后如果想明白折射原理的許多出乎意料而又非常有趣的后果，就必須先把這個簡單關系弄清楚。

　　現在我們已經知道，光線在一切可能的角度里射入水里的時候，到了水面以下都要擠在一個相當窄的圓錐體里，這個圓錐體的頂角是48.5＋48.5=97°。現在我們來看光線取相反方向從水進入空氣的時候，進路是怎樣的（圖117）。按照光學定律，它們的路線跟上面說的完全相同。包含在上面說的97度的圓錐體里的一切光線，在進入空氣的時候，就要沿著水面以上整個180°空間，依各種不同的角度散開。

　　那末，那些落在上面說的圓錐體以外的水底下的光線，都到哪里去了呢？原來它們都走不出水面，水面就象鏡子一樣，把它們全都反射回去了。一般說來，任何一條水底下的光線，如果依著比臨界角（也就是48.5°）大的角和水面相遇，都不會被折射而要被反射。它們要象物理學家所說的那樣“全反射”①。

　　假如魚類能夠研究物理學的話，光學里對它們說來最重要的一章應該是“全反射”，因為這種現象在它們的水底下的視覺里起著最重要的作用。

　　許多種魚都有銀白的顏色，這極可能跟水底下視覺的特點有關。按照動物學家的意見，這樣的顏色就是魚類適應蓋在它們上面的水面顏色的結果：前面已經說過，在從下往上看的時候，水面由于“全反射”，很象一面鏡子。在這樣的背景前面，只有銀白色的魚才不容易被捕捉它們的水里的敵人發現。從水底下看世界

　　許多人都想不到，如果我們從水底下來看世界，世界會是怎樣不平凡：它在觀察者的眼里會變得差不多不能被認出來了。

　　設想你是在水底下，抬著頭在看水面上的世界。那些在你頭頂上浮著的云是一點也不會改變形狀的：因為豎直的光線是不會折射的。可是所有其他物體，只要它們射出的光線成銳角地和水面相遇，它們的形象就會被歪曲：它們好象位置越低的被壓縮得越緊光線和水面相遇所成的角度越小，擠得越利害。這也是可以理解的：水面上所見的世界既然全部都應該容納在那個狹小的水底下的圓錐體里；一條180°的弧既然應該縮短到差不多一半，彎成一條97°的弧，那末形象也就自然要被歪曲了。從物體射出的光線如果用10°左右的角和水面相遇，物體在水里的像會被壓縮得幾乎認不出來了。可是最使你吃驚的是水面本身的形狀：從水底下往上看的時候，它們完全不是平的，而是一個圓錐形！在你看起來，你是站在一個大漏斗的底部，而漏斗的壁是用比直角稍微大一些的角度（97°）彼此傾斜著的。這個圓錐體的上部邊緣圍著由紅、黃、綠、藍、紫等顏色組成的彩色圈。為什么會這樣呢？白色的陽光是由各種顏色光組成的，每一種顏色光都有自己的折射率，因此也就有自己的“臨界角”。就是因為這個緣故，從水底下往上觀察的時候，物體也好象是圍著虹彩的光圈了。

　　那末在這個包含著整個水面上世界的圓錐體的邊緣以外，還可以看到些什么呢？那里展開著一片發光的水面，它象鏡子一樣，會反映水底下的各種物體。

　　對水底下的觀察者說來，形狀最特別的是部分浸在水里部分露在水面上的物體。讓我們在河里插一根量水深淺的標桿（圖120）。這時候，眼睛在水底下A點的觀察者會看到些什么呢？我們現在把四周能被他看到的地方360°分成幾個區，然后對每一個區分別進行研究。在視野1的界限里，如果河底的亮度足夠的話，他能看到河底。在視野2里，他能毫不歪曲地看到標桿的在水面下的部分。在視野3里，他大約會看到標桿的同一部分的反映像，也就是標桿的浸在水里部分的倒影（請記住，這里所說的是“全反射”）。再高些，水底下的觀察者會看見標桿的在水面上的部分但是它并不和水底下的部分相連接，而是移到高得多的位置上，跟下面的部分完全脫離開。不用說，觀察者一定想不到這個懸在空中的標桿就是原先那段標桿的延長部分！這一部分的標桿顯然已經大大地被壓縮了，特別是它的下面一部分那里的幾條刻度線顯然已經十分接近了。河岸上被洪水淹沒了一半的大樹，從水底下看的時候，就應該象圖121里所畫的那種樣子。

　　如果在豎標桿的地方立著一個人，那末從水里看出來，這個人的形狀會跟圖122里所畫的一樣。下水洗澡的人，在魚的眼睛里就應當是這種樣子的！在魚看來，在淺灘上行走的人是被分成了兩截的，變成了兩個動物：上一截沒有腳，下一截沒有頭，卻有四只腳！當我們從水底下的觀察者（魚）的旁邊走開的時候，我們的上半部分身體就會越下越縮短。等我們走了某些距離以后，幾乎全部水面上的身體都會消失只剩下一個空懸著的人頭……

　　這些不尋常的結論，我們能不能直接用實驗來印證一下呢？可惜到了水里以后，即使我們能在水里睜開眼睛，也看不到很多東西。首先，我們在水里只能夠逗留幾秒鐘，而在這些時間里水面是來不及恢復平靜的；要透過動蕩的水面來看清物體，當然是困難的。第二，前面已經講過，水的折射率跟我們眼睛的透明部分的拆射率很少分別，因此在視網膜上出現的物像極不清楚，周圍的一切看上去都會模糊不清（223頁）。從潛水鐘、潛水帽或是從潛水艇的玻璃窗里向外看，也是不能看到所要看的東西的。

　　在這些情況下，我們已經講過，觀察者雖然是在水底下，卻跟“水下觀察”的情況不一樣：因為在這些情況下，光線在進入我們眼睛以前，先要穿過玻璃再到空氣里，因此，它就要受到相反的拆射。受到相反的折射以后，光線或是恢復了原來的方向，或是取得了新的方向，但是總不會保留住它在水里所取的方向的。這就是為什么從水下室的玻璃窗向外看，也不能得到“水下觀察”的正確概念。

　　不過我們沒有必要親身去水底下，從水里看水面上的世界。可以利用一種內部裝滿水的特別照像機來研究“水下觀察”。這種照像機不用鏡頭，代替它的是一種中間鉆著小孔的金屬片。

　　很容易明白，假如光孔和感光底片之間的全部空間都裝滿水，那末外面世界映在底片上的像，就應當跟水底下的觀察者所看到的像一樣。用這種方法可以得到極有趣的照片，圖114就是這樣得到的照片之一。至于水底下的觀察者眼里所看到的水面上的物體，形狀所以會那樣歪曲（例如直的鐵路橋在照片上變成了弧形），我們在講池的平底為什么看上去好象是凹形的時候，已經講過了。

　　還有一種方法可以直接看到水底下的觀察者眼里的水面上世界：可以把一面鏡子沉在一池平靜的水里，適當地使鏡子傾斜，就可以在里面看到水面上物體的反映像。

　　利用這些觀察法得到的結果，在一切細節方面，都可以證明上面那些理論上的見解是正確的。

　　由此可見，水里的眼睛和水外的物體之間的那一層透明的水，能夠歪曲水面上世界的整個景象，給了它一種奇異的輪廓。陸棲動物來到水底下以后，一定會不認識它原來住過的那個世界從透明的水鄉深處向上看的時候，這個世界已經大大地改變樣子了。

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