问题

为什么影子会相互吸引?

回答
影子本身并不会相互吸引。这是一个基于我们对“吸引”的理解以及“影子”的物理本质而产生的误解。让我们来详细解析一下为什么会出现这种误解,以及影子在现实中的情况。

理解“吸引”和“影子”

首先,我们需要明确两个关键概念:

吸引(Attraction): 在物理学中,“吸引”通常指的是两种物体之间存在一种力,使得它们彼此靠近。最常见的吸引力是万有引力(质量越大的物体之间引力越大)和电磁力(带相反电荷的物体相互吸引)。
影子(Shadow): 影子是光线被不透明物体阻挡后,在物体后面形成的黑暗区域。它不是一个具有质量或电荷的实体,而是一种光学现象。它依赖于光源、不透明物体以及接收影子的表面。

为什么人们可能会误以为影子会相互吸引?

这种误解可能源于以下几个方面:

1. 视觉上的错觉和联想:
形状相似性: 很多时候,影子的形状会随着物体的运动而变化,有时看起来会相互靠近或重叠。当两个物体在运动中时,它们的影子也会随之移动,如果这两个物体的运动轨迹让它们的影子看起来越来越近,我们的大脑可能会将其解读为一种“吸引”。
拟人化思维: 人类倾向于将自然现象拟人化,赋予它们人类的情感和行为。我们将运动中的物体“看作”在移动,那么它们的影子似乎也在“跟随”或“靠近”。
文学和艺术的描绘: 在文学作品、诗歌或艺术创作中,为了营造某种氛围或表达某种情感,可能会用“影子追逐”、“影子依偎”等比喻性的语言来描述影子。这些艺术化的表达会潜移默化地影响我们对影子的理解。

2. 对物理现象理解的不足:
影子是“无”: 最根本的原因是影子不是一个有形的物体,它没有质量,也没有电荷,因此不存在任何物理上的吸引力(如万有引力或电磁力)能让它们相互靠近。影子的存在完全依赖于光线的传播。
光源和遮挡物的共同作用: 影子的位置和形状是由光源的方向、遮挡物的形状以及投影面的位置共同决定的。当两个物体靠近时,它们的光线遮挡区域可能会相互影响,导致影子看起来像是“交汇”或“靠近”,但这只是光学上的叠加,而非物理力的作用。

详细解析影子是如何形成的,以及为什么不会吸引:

让我们以一个简单的场景为例:两个小球,一个光源(比如一盏台灯)在一个房间里。

影子是如何形成的:
光源发出光线。
光线以直线传播。
当光线遇到不透明的小球时,它会被阻挡。
在小球后面、与光源相对的表面(如墙壁或地面)上,就会出现一个没有被光线照到的区域,这就是影子。
影子的形状和大小与小球的形状、大小以及光线的距离和角度有关。

当两个小球靠近时会发生什么?
情况一:两个小球独立,光源固定。 如果两个小球分开一定距离,它们各自会在表面上形成两个独立的影子。当这两个小球逐渐靠近时,它们的影子在表面上的投影也会逐渐靠近。如果它们之间的距离足够近,它们的影子甚至会重叠在一起。
情况二:光线遮挡的相互影响。 当两个小球非常靠近时,一个球的影子可能会部分遮挡另一个球所在区域的光线。或者说,它们共同遮挡的光线区域会扩大。在这种情况下,影子的边界可能会变得模糊,或者形成一个更大的、复合的影子区域。
为什么这不是吸引: 这一切的发生,都是因为光线的传播路径被两个独立的物体改变了。当物体移动时,光线的遮挡模式也随之改变。我们看到的“影子靠近”只是物体位置变化导致的光线阻挡模式的改变,而不是影子自身产生了移动的力。

举个反例说明“吸引”是什么样的:

磁铁: 两块磁铁靠近时,它们会相互吸引或排斥,这是因为它们都具有磁场,而磁场会产生作用力。
带电粒子: 一个带正电的粒子和一个带负电的粒子会相互吸引,这是因为它们之间存在电磁力。
地球和月球: 地球和月球之间存在万有引力,使得它们相互围绕着运转。

这些例子中的物体都具有内在的物理属性(质量、电荷、磁场),这些属性能够产生相互作用的力。而影子,作为一种光学现象,不具备这些内在属性。

总结:

影子本身不会相互吸引。我们可能产生的误解,主要源于:

视觉上的联想和大脑的模式识别能力,将物体运动导致的影子形状变化解读为“吸引”。
文学艺术作品中对影子的拟人化描绘。
对影子作为光学现象本质的误解,认为它是一个具有物理作用力的实体。

实际上,影子的行为完全取决于光源和遮挡它的物体的运动。当物体靠近时,它们的光线遮挡区域也会相互影响,从而使得它们的影子看起来像是靠近或重叠,但这仅仅是光线传播和阻挡的结果,而非影子之间存在吸引力。

网友意见

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太阳非点光源,太阳光非平行光



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我也一直很好奇这个问题。最近似乎想明白了,分享一下。

很小的时候根本不知道什么是衍射,但是听大人说衍射可以让光“拐弯”,就告诉自己这个现象是衍射造成的。知乎上类似的问题也有很多人这样回答。


但是学过光学就发现衍射说不通:自然光的波长在~500纳米这个级别,而影子相吸的作用范围大概在1厘米级,高出了5个数量级。不是说衍射不会发生,而是无法用来解释影子相吸的现象。


作用范围在厘米级的是什么呢?答案有点意外:在地球上,太阳的视角约为0.5度,这意味着在1米的高度,物体边缘的半影 (Penumbra,阳光被遮住一部分的地方) 长约为0.008米——恰好在1厘米的数量级!


明确这一点太阳光下影子为什么会互相吸引的答案就呼之欲出了:两个物体的半影重合时,重合部的亮度下降。(其他光源也会产生这种现象,是否显著则取决于光源的大小和物体与影子之间的距离)

这一亮度下降看起来要比影子靠近更快,可由低亮度时的视觉阈值解释,详见 Dr Sagat 的回答。

作为对Dr Sagat 的回答的补充,我想这一现象之所以反直觉一个重要的原因是我们看不到全部的半影:半影从本影边缘开始,离本影越远越“不暗”,而肉眼可见的模糊边缘只是半影中比较暗(离本影边缘最近)的一部分。而当两个物体的半影(不可见的)边缘相交时,这部分的亮度突然从不可见的有点暗变成了可见的非常暗(如琥珀的回答所说,这与人眼对光强的非线性响应有关)。

图片来源:
solar-center.stanford.edu
penumbra | eclipse

感谢 rockcloud 的回答让我开始想可能真的是半影。

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