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揭示月亮变小的奥秘

2019-03-01 15:14:22

主要概念

感觉

视错觉

人体生物学

太空

简介

你有没有注意过,月亮在刚升起和上升过程中,要比在高空当中看起来大一些。当然,月亮的大小是不会改变的,但当它在天空中的位置改变时,我们感觉到它的大小发生了改变。在这个实验中,我们将利用艾默特定律,来解释满月的错觉,估计月亮在接近地平线时感觉上增大了多少。然后,你可以对照真正的月亮,看看这个实验是如何来解释满月错觉的。

背景

满月在地平线升起的时候往往看起来非常大,但当它移动到天空中的时候看起来就小了。但是,月亮的实际大小是保持不变的。那么,这种错觉的是怎么产生的?一个被大家广泛认可的理论是,大脑“认为”头顶的天空比地平线上的更近,因此相应地调整了月亮影像的大小。当月亮接近地平线时,你的大脑错误地判断了月球的真实距离和大小,使得月亮相对周围的环境来讲看起来变大了。

我们可以用残影来解释这种错觉。当你盯着亮光或者色彩鲜艳的物体后,眼睛中的某些感光视锥细胞会变得疲劳,这时残影就会出现。你可以利用残影来模仿月亮在天空中不同位置时你的感觉。虽然你视膜上的一个特定残影的实际大小不会改变,但它的感知尺寸会改变,它的大小取决于你感知到的观测物体与你之间的距离。这种现象被称为艾默特定律。

材料

一张蓝色的图画用纸 (也可以用一只蓝色的钢笔或铅笔代替,但彩纸是的。)

剪刀

胶水或胶带

一张黄色的图画用纸 (也可以用一张白纸代替,但是不太好)

可以显示秒的计时器或钟表

一个帮手

可以清晰地看到地平线和天顶(正对头顶部分的天空)的区域(实验要在上午或是下午进行——为了避免直视太阳——这个时候,云比较少,可以看到蓝天)

准备

从蓝色图画用纸上剪下一片方形,每条边长约为1到2英寸。

把黄色的纸横放(长边水平)。将纸对折(拿起纸的右侧向左侧折叠)。 然后把纸展开。

用胶水或胶带,

揭示月亮变小的奥秘

把蓝色的方形纸粘在黄色纸的左半侧或右半侧的中间。小心不要把胶水或胶带粘到方形纸或黄色纸的顶部。

如果你没有图画用纸,可以在普通白纸的右侧或左侧画一个蓝色的方形。

过程

你可以在室内完成这个实验的步:把粘有蓝色方形的黄色纸放在你的前面。 盯着蓝色的方形30秒。(用带有蜂鸣器的计时器或找一个助手帮助你计时。)保持你的头与黄色纸不动,将视线从蓝色方形转移到黄色纸的空白部分。有没有看到方形的残影? 如果你不能清楚的看到残影,那么重复这个过程,直到你看清为止。

一旦残影消失,就在保持你的头部与纸不动的情况下盯着蓝色方形30秒,然后在黄色纸的空白部分找残影。不同的是,这次改变你的头与黄色的纸间的距离。此时,残影的尺寸如何变化? 如果你不能清楚的看到变化,重复这个过程,直到你看到为止。

综合来看,当你改变头部与黄色纸的距离时,残影的尺寸如何变化?

然后,到外面找一个可以清楚地看到地平线和天顶的区域。不要在太阳直射头顶的正午做,也不要在太阳接近地平线的黄昏做,因为这会干扰到你在天顶位置或是地平线位置对残影的观察。上午和下午是实验的时间,尽量找晴朗无云的一天来做实验。切记:一定要确保选择的天空区域没有太阳——一定不要直视太阳。

盯着黄色纸上的蓝色方形30秒然后看向地平线。残影的大小有没有明显的改变?换句话说,残影看起来比蓝色方形小了,大了,还是没变?如果你不确定你观察到的结果,你可以重复几次这个步骤。

接下来盯着蓝色方形30秒,然后看天顶。残影的尺寸有没有明显的改变?残影看起来小了,大了还是没变?同样的,如果你不确定自己的观察,可以重复这个步骤。

综合来看,天顶位置与水平位置的残影哪个大,哪个小,还是一样大呢?

拓展:重复实验的步(在到外面之前),但是这一次试着确定随着你的头部和黄色纸的距离的改变,残影尺寸是如何变化的。(前提是保证总是在同一个距离盯着蓝色方形的。)你可以把黄色的纸挂在墙上,旁边放一把尺子,来估计残影的大小。或者你可以在黄色纸上画一些套在一起的不同尺寸的方形(一些比蓝色方形大,一些比它小),然后看看残影与哪个方形的大小接近。你的头部与残影之间的距离与残影尺寸之间有什么样的定量关系?

拓展:试着估计出与地平线位置相比,天顶位置残影尺寸的改变量。你可以在一张白纸上开一些方孔,一些比蓝色方形小,一些比它大,然后当看残影的时候,把它们放在一臂远的距离。找出与残影尺寸接近的方形。根据你的观察,满月在地平线和天顶位置的视觉尺寸的改变量大致是多少?

拓展:试着估计残影尺寸在地平线上方45度位置时的改变量;也就是在地平线和天顶的中间位置。(一定要避免有太阳的天空。)在水平线上方45度处残影的相对大小是多少?它与天顶和地平线处的残影尺寸相比如何?

观察值和结果

当你盯着蓝色方形,然后看黄色的纸,接着移动你的头部远离或接近纸时,残影的尺寸有没有随着距离增大?地平线的残影与天顶位置的相比有没有看起来更大?

然而,你视膜上的残影的实际大小并没有改变,但是残影的感知尺寸随着你与观测残影的表面之间的距离增大而增大。(或者,换句话说,当你靠近观测残影的表面时,感知残影尺寸减小。)这种现象被称作艾默特定律。解释我们感觉满月在地平线和天顶位置大小不同的一种理论是,我们觉得头顶的天空,比地平线位置的天空要接近。在这个实验中,用残影解释这个理论是非常清楚的;残影在地平线位置比天顶位置看起来要大(尽管根据实际的情况,地平线位置可能只大一点点,比如大概大1.3到1.5倍)。

(翻译 刘夏,审校 李昱)

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