“媽媽,為什麼月亮總跟著我走?”媽媽眉頭一皺,發現問題並不簡單……|張雙南專欄

科學人張雙南2017-09-19 12:44:38

作者:張雙南,中科院高能物理研究所研究員

編輯:婉珺


有人問我:為何在高速運動的汽車或火車上看到遠處的動物是靜止的?

 

這是一個挺有趣的問題!讓我們來擴展一下這個問題:為什麼遠處的物體跟著我跑?為什麼晚上月亮跟著我走?

 

我記得這些問題在我上初中的時候困擾過我一段時間,和小朋友們的爭論最後都變成了擡槓,問家長和老師卻被懟了回來。那時候也沒有別的信息來源,只好自己琢磨,好在後來自己終於琢磨清楚了。

 

實際上,出現這種困擾的根本原因就是視覺效應

 

我們的大腦判斷某個,首先要選擇一個相對於自己靜止的參照物,因為只有相對運動才有意義;然後確定兩個方向,一個是我們的視線到參照物的方向,另外一個就是我們的視線到那個物體的方向。我們大腦是根據參照物的選擇和視角的變化來判斷物體的運動的,如果我們的眼睛告訴我們的大腦這兩個方向之間的夾角變了,我們的大腦就認為這個物體相對於參照物動了,否則就認為物體沒動。


至於為什麼遠處的物體跟著我跑?為什麼月亮跟著我走?我們一步一步地來回答。

 

判斷物體的運動狀態,

為什麼我們容易“近對遠錯”?


首先我們看看如果自己不動,我們怎麼判斷物體是否運動。


我們可以很方便地選擇自己的身體作為參照物。馬在我面前不遠的地方跑過去,我得扭脖子轉眼球才能盯著他,很顯然我的視線到馬的方向相對於我的身體變了很多,所以我認為馬在跑。

但是,如果馬在離我很遠的地方以同樣的速度往同樣的方向跑,如下圖所示,我的視線到馬的方向就幾乎沒有變化,因此我的大腦就判斷不出來馬是否在跑。


所以,對於近處物體的運動情況,我們的判斷比較準確;而對於遠處的物體,就經常會出現錯覺



同樣是靜止的事物,

為什麼我們給出了不同的判斷?


如果我們自己也在運動,道理基本上一樣,但是情況就稍微複雜一點兒了。下面我就用在高鐵上看鐵道旁邊的樹和遠處草原上的馬作為例子來說明這個現象。

 

由於我在高鐵上,如果我觀測的對象只有一個,我就只能以我自己和高鐵作為參照物,也就是我的大腦得出物體是否運動就是相對於我和高鐵是否運動。

 

首先我無視遠處的馬和草原,只看鐵道旁的一棵樹。



12:00:00的時候,樹在我前方約45度角的方位,一秒鐘之後,樹已經在我後方約45度角的方位,為了追著看這棵樹,一秒內我的脖子和眼球一起要轉90度,這麼劇烈的運動只能讓我的大腦得到結論:樹後退的好快!

 

然後我無視樹,只看遠處的馬和草原,情況如下圖所示。



由於馬和草原距離高鐵很遠,無論是12:00:00還是一秒鐘之後,馬和草原都在和高鐵運動方向幾乎垂直的方向,我的脖子和眼球不需要動就能夠盯著馬和草原,所以我的大腦就判斷馬和草原根本就沒有動!當然馬相對於草原的運動也不會改變馬在我的角度(跑多快都沒用),因此我的大腦只能判斷馬並沒有動。

 

但是,如果我們同時看樹和遠處的馬,由於它們在我們視線方向的運動很不一樣,我們的大腦就得選擇一個參照物。一般來講,大腦總是選擇離得近而且看得清的物體優先作為參照物,在這種情況下就是鐵道旁邊的樹。

 

我們看到的圖像就是:近處的樹在我們眼前很快就閃過去了,但是遠處的馬和草原在我們的視覺裡沒有變化。



由於我們的大腦選擇了樹作為參照物,我們就會先得出結論:高鐵在向前跑(正確),然後再根據遠處的馬和草原在我們的視覺裡沒有變化這個現象,得到另一個結論:遠處的馬和草原跟著高鐵一起跑(錯覺)。

 

所以,為什麼月亮會跟著我們走?


實際上,我們在晚上覺得月亮跟著我們走就是同一個道理。



由於在晚上我們只能選擇離我們最近的物體作為參照物,我們沿直線快速走路的時候前進的方向相對於參照物的視線方向就不斷變化,因此我們知道自己真的在快速走路。但是月亮很遠,月亮的視線方向相對於我們直線前進的方向是幾乎不會改變的,所以大腦就得出了月亮跟著我們走的錯覺,和在高鐵上覺得遠處的物體跟著高鐵跑是一樣的道理。參照物的選擇和視角的變化仍然是關鍵詞

 

我相信很多父母都被孩子問過這些問題,而能夠給孩子講清楚這個道理的父母大概不多。讀完了這篇文章,父母們以後就可以愉快地回答孩子們的這些問題了!



作者名片


排版:曉嵐

題圖來源:123RF


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