为什么影子会互相“吸引”
摘 要
当一个延伸的光源，如太阳，照射两个物体时，使得它们的影子彼此之间靠近时，其中一个物体影子与另一个物体的影子会“相互吸引”。这种现象为黑滴现象，其主要是由于半影效应使得两个物体的半影区域相重叠而引起的。本文对这种现象进行分析与进一步的理解，并根据我们的推论通过软件进行实践。
关键词：黑滴现象；半影效应；自然光1 引言
光学世界充满了各种有趣的现象，从小孔成像到海市蜃楼，再到丁达尔效应每一种都呈现了大自然复杂而美妙的一面。然而，有一种奇特现象尚未得到充分的关注。它就是黑滴现象，这一现象类似于视觉聚焦不清的水泡效应，表现在光源照射下，两个物体之间的影子发生奇异的变化[1][2]。
具体来说，当有两个物体 a 和 b 暴露在太阳光或其他延伸光源照射下时，如果其中一个物体a向另外一个物体b靠近，观察者可能会注意到一个奇特的现象：a 的影子似乎向 b 的影子突出的现象。这种奇特的视觉现象在太阳照射的情况下很容易观察。例如，当人在某一栋建筑旁边，在太阳照射下，若此时这个人将他的手往建筑方向靠近，直到地上的影子几乎接近于建筑的影子边缘，那么手的影子将会似乎向建筑的阴影凸出，似乎发生了一种影子之间相互吸引的现象。这种现象当然也会在室内发生，同样在太阳光的照耀下，你的头与窗台的影子之间，会随着你的头不断地向与窗台的距离几乎靠近，而出现一种“相互吸引”的现象。
这引发了对这一奇异现象背后科学原理的好奇心，黑滴现象可能涉及复杂的光学交互作用，包括光的折射、散射以及阴影的形成。太阳光照射下，物体的影子受到光线的影响，发生微妙的变化似乎导致了观察者对影子之间相互作用的视觉错觉。
此外，我们也不能忽视心理视错觉在这一现象中的可能作用。人们对于阴影和光线变化的感知方式可能会受到其他视觉因素的影响，导致看到的效果并非真实的物理现象，而是一种错觉。因此，理解黑滴现象需要不仅仅是光学原理的研究，还需要考虑人类视觉系统的特殊性。
在科学探索的过程中，我们或许会发现黑滴现象背后的奥秘，解释为什么在特定条件下，物体的影子会产生这样引人入胜的视觉效果。这一现象不仅仅是光学的奇观，也为我们提供了一个深入了解光与物质相互作用的机会。通过对黑滴现象的深入研究，我们或许能够拓展对光学世界的认知发现更多隐藏在日常生活中的惊喜。
图 1 影子相互“吸引”现象
2 黑滴现象
在了解上述黑滴现象之后，接着是对这种黑滴现象如何产生进行分析。目前，对于这些现象的产生，主要有两种推论：一是光的衍射导致的，二是半影效应。
对于第一个推论，光的衍射，那么我们得先了解衍射的概念。光的衍射，指的是光在传播过程中，遇到障碍物或小孔时，光将偏离直线传播的路径而绕到障碍物后面传播的现象（如下图 2）。根据这个概念，似乎解释了黑滴现象。也就是说太阳光照到物体上时，使得其生成影子被光弯曲，而导致出现黑滴现象。
图 2 光的衍射
但当两个物体在太阳照射下而产生的影子时，首先，自然光的波长主要处于300-1100 纳米的范围，波峰在 500 纳米左右，如下图 3 所示[3]。然而，所观察到影子之间相互“吸引”现象可通过肉眼观察，发生在厘米级别上，其之间的数量级差了 5 个数量级。也就是，光的衍射并不是导致黑滴现象发生的主要原因，但这也没说明在太阳光的照射下没有发生衍射现象。
图 3 自然光波长范围
第二个推论，半影效应。同样地，何为半影效应？由于生活中常见的光源，往往不是理想的点光源，如太阳光、烛光、台灯等，这些光源都是具有一定大小，因此在这些照射下而形成的影子，往往会被分为两个区域，本影区和半影区（如图 4 所示）。本影，为物体中心部分将太阳光完全遮蔽，看起来最暗；半影，即为物体边缘附近只挡了太阳光的一部分，因而有点暗，形成了模糊的明暗过渡区。
图 4 半影效应
又因在地球上，太阳视角略大于 0.5°，所以离地面 1 米的物体在照射下，它的半影宽度接近于 1 厘米。所以，当两物体在相互靠近时。它们的半影也在接近并重叠，其中重叠部分相较于之前的半影区更加暗，随着暗度越来越接近于本影，则会产生两个影子之间相互“吸引”的现象。
或许上面解释不能完全理解影子之间相互“吸引”这一反直觉现象（如图 5）。但我们还需要认识一点的是，半影区重叠时，其中的亮度变化并不是线性变化，并且人眼对于影子的暗度阈值，会比本影稍高。因而当两物体的影子相靠近时，人眼中“看上去的本影”的部分，其靠近速度大于真正本影靠近的速度。[4][5]
图 5 影子“相互吸引”
在了解上述产生黑滴现象的主要原因之后，我们可以用现存的软件对这一现象进行复刻。在 Photoshop 中，我们可通过“曲线”这一工具。在太阳光照射下的物体，由于半影区的存在，使得图像模糊，如图 6 所示。
图6 物体图像
根据上文所述，人眼对于光强是非线性响应，即人眼会自动处理反差很大的物体使得我们本身能够更好地看清物体。人眼在强光之下，会直接把所有亮的部分当成过曝光，视为满亮度；人眼对于过暗部分则会直接视为噪音，视为无亮度；人眼对于中间过度部分，类似于 S 曲线。因而，人眼对图像的处理曲线近似如下图 7 所示。具体结果如图 8，也就是我们对于现实生活中所观察到的黑滴现象。
图 7 处理曲线
图 8 运行结果
3 总结
根据上述研究分析，我们可以了解，当两物体在太阳光、路灯、手电筒等非点光源的照射下，它们之间的影子会随着它们之间的距离愈加接近而产生的相互“吸引”现象，即黑滴现象。它的产生并不是光的衍射而导致的，而主要是由于半影效应，也就是说它们之间随着距离的接近会使得半影重叠而导致半影区的暗度会越来越接近与本影区的暗度。并且，还有着人眼对于光强是非线性响应，使得我们最终所看到的影子之间这一反直觉的“相互吸引”现象。
参考文献[1]. Lock, James A. "Ray Theory Analysis of the Shadow Blister Effect." Applied Optics 37 (1998): 1573-1578.[2]. M. Minnaert, The Nature of Light and Color in the Open Air(Dover, New York, 1954), pp. 3–7.[3]. D. K. Lynch and W. Livingston, Color and Light in Nature,(Cambridge U. Press, Cambridge, 1995), pp. 1–19.[4]. F. M. Du Mas, “A new visual illusion,” Am. J. Psychol. 66,142–143 (1953)[5]. J. R. Trotter, “The geometrical optics of the blister effect,” Vision Res. 6, 587–596 (1966).
原文标题 : 科普征文 | 为什么影子会互相“吸引”
