问题

理想条件下,能否从两面对立的足够大的镜子里看到无尽的过去?

回答
这真是一个引人入胜的问题,也勾起了我童年时期在家里浴室里,对着那面巨大的镜子,突然冒出来的无限遐想。你问的是,在那种理想的、两面互相垂直的镜子组成的房间里,我们能看到无尽的过去吗?就像电影里常常展现的那种,影像层层叠叠,仿佛一直延伸到虚无深处。

答案是:理论上,在理想状态下,你可以看到无数个“你”以及你身后的场景在时间上不断倒退的影像。 但“无尽的过去”这个说法,可能需要我们稍微剖析一下。

首先,我们得明白,镜子是如何工作的。我们看到的镜中像是物体本身发出的光线经过反射后进入我们的眼睛所形成的。当你在两面互相垂直的镜子前时,光源(你和你周围的一切)发出的光线会发生多次反射。

想象一下,你站在一个房间里,这个房间的墙壁是用完美平整、没有任何瑕疵的镜子铺成的,而且这两面相对的镜子是完全平行且永远不会有任何偏差的。

1. 第一次反射: 你首先看到的是直接在你面前的镜子里的影像。这个影像就是你此刻的样子,加上你身后的另一面镜子的部分景象。

2. 第二次反射: 你面前的镜子反射出来的光线,又会照射到你身后的那面镜子上。这面镜子会再次反射你第一次看到的镜中影像。也就是说,这次你看到的影像,是第一次镜中影像的影像。这个过程就像是影像在镜子之间来回跳跃。

3. 无限叠加: 关键在于,每次反射,光线都会再次被另一面镜子捕捉并反射。所以,你看到的影像不是单一的,而是像雪片一样叠加在一起。第一个镜子映出第二个镜子,第二个镜子映出第一个镜子,第一个镜子又映出第二次反射的第二个镜子…… 这个过程会一直重复下去。

现在,我们来谈谈“过去”。

我们看到的镜中像是“延迟”的。也就是说,光线从你身上发出,传播到镜子,再反射回你的眼睛,这个过程需要时间。虽然这个时间非常短,但它是真实存在的。

你看到的第一个镜中像是你现在的样子。
你看到的第二个镜中像是,其实是第一次镜中影像的影像,它包含了更早一点的你(因为光线多走了一段路)。
以此类推,越往深处看到的那些层层叠叠的影像,都是更久远之前的“你”和“你身后的场景”。

所以,如果你坚持站在那里不动,你理论上可以看到一系列不断向后倒退的影像,就像你在看着一条无限延伸的回忆长廊,每个节点都比前一个节点更早一点。这就像是在播放一个倒放的视频,而且这个倒放的视频是由无数个瞬间组成的,每个瞬间都在追溯更早的时刻。

那么,为什么是“无尽的过去”,又为什么会有限制呢?

“无尽的过去”是指这个反射过程在理论上是无限循环的。每一面镜子都为下一次反射提供了新的“目标”。只要光线还在传播,反射就不会停止。

然而,在现实世界里,我们不可能真正看到“无尽的过去”。原因有很多:

镜子的完美性: 现实中的镜子不可能做到绝对完美。它们的表面会有微小的凹凸不平,涂层也不是百分之百的反射率。每次反射都会有微量的光线被吸收或者散射掉,而不是被完全反射。所以,随着反射次数的增加,影像会越来越模糊、越来越暗淡,最终消失在黑暗中。就像你把一个声音录下来,再播放出来,然后再录,再播放,声音会一点点失真和减弱。
光的衰减: 光线在传播过程中也会有能量损失,尤其是在多次反射后。
观察者的感知能力: 即使影像没有完全消失,人的眼睛也有分辨率和感光度的极限。当影像变得极其微小和模糊时,我们的大脑就无法再识别它们了。
环境光: 房间里除了镜子反射的光,还有其他光源。这些杂散光线也会干扰我们对遥远影像的观察。
你自己的运动: 就算你站着不动,你的身体也不是一个完全静止的点。你的呼吸、血液流动都会产生微小的变化,这些都会在你最远端的影像中被放大。
宇宙的终结(更抽象的): 如果把时间维度也算上,宇宙总有一个起点,也可能有一个终点。我们看到的“过去”是在这个框架内的。所以,“无尽的过去”更多是一种光学现象的延伸,而不是真正意义上时间本身的无限性。

总结一下:

在两面无限大的、绝对平行的完美镜子组成的房间里,你能看到的反射影像确实是层层叠叠,并且反映了你自身和周围环境在时间上不断后退的瞬间。这确实能让你“看到”无数个更早的自己和场景,仿佛在回溯过去。

但“无尽的过去”在这个语境下,更多是一种比喻,描述的是反射过程的无限循环可能性。在现实中,由于各种物理上的不完美,这种视觉效果最终会因为影像的模糊、暗淡而达到一个极限,你无法真正看到绝对意义上的“无尽”。这更像是一场精彩绝伦的光学幻觉,让你得以窥视到时间链条上更远的过去片段,但那串链条终究会在现实的限制下断裂。

网友意见

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谢邀。

扫了一眼答案,似乎大家都认定站在两面平行镜子之间,真的能看到无数个自己的像?

Naive啊,不少电梯间侧壁都是镜面,大家没有实践过吗?

即便不考虑任何能量的问题,你站在绝对平行的两面镜子之间,相当于你面前站了笔直一排的你,你也只能看到第一个而已。你的多次反射的像都被你的第一个像挡住了呀,根本看不到的好不好……所以你的观察点和被观察物体不能重叠在一起,就像这样:

澄清了这一点之后我们就会发现,要想看到物体越多的像,我们需要离物体越远。简单示意图如下:

假设两面镜子间距为D,有一个长度为L的物体放置在两面镜子之间,为了简化问题,假设这个物体没有厚度。那么第N个像与实际物体之间的等效距离为N*D,这种情况下我们要看到物体第N个完整的像而不被遮挡,需要把眼睛横向离物体中心移开δ的距离,由几何关系中相似三角形可以得到:

δ=NL-L/2,当N很大的时候,可以认为δ=N*L;可以看出,N越大,δ越大,这与我们的生活经验是相符合的。

这样第N个像到我们眼睛的实际距离为:P=((N*D)^2+δ^2)^(1/2)。

人眼的角分辨率是有限的,如下图所示:

当两点距离太近,由于衍射效应的存在,在视网膜成像点将不可区分。极限夹角就是人眼的角分辨率,一般认为这个值是1′左右,即(1/60)°,以弧度计算约为0.291mrad。

由于是相似三角形的关系,因此无论是第几个像,在人眼观察方向上投影长度都是相同的,即为:Q=L*cos(arctan(L/D))。

所以第N个像对人眼的张角为α=Q/P,取极限分辨率α=0.291mrad,由以上公式可以计算出L、D和能观察到最远距离N*D的关系如下图所示:

可以看出,随着镜子间距的增大和物体尺寸的增大,能观察到的最远的距离增加。比如取镜子间距D=10m,物体宽L=10m情况,能够观察到的最远N*D约为16km。

考虑到光速为3*10^8m/s,把上图换算为光走的时间,即为:

也就是说在物体为10m宽,镜子间距也为10m的情况下,你大约能看到10(-5)s之前的物体。

要想看到昨天的这个物体,需要什么条件呢?一天是24小时,换算成秒即为:86400秒。

让我们把计算范围扩大,镜间距D放大到4*10^10m,考虑到能够方便地把物体运进来,就把物体宽度L放大到2*10^10m吧(其实放大到多少都行,我随便选的数……):

图中箭头指的那条黑线就是86400秒的位置。可以看出,要想看到昨天的物体,大约需要10^10m量级宽的物体,差不多相同数量级的镜间距……这个数量级是什么意思呢?相比之下,太阳的直径仅为1.392*10^9m。

再次重申,以上推导不涉及任何能量问题,仅为几何关系的简单估算。

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@看风景的蜗牛君 的回答从几何方面来论证了不太可能看到昨天的影像。我下面就从能量的角度来进行论证,说明从能量的角度来看也是不太可能的。

当光垂直照射到物质上时,几乎不可能是百分百反射的。因为光会不可避免地与物质发生相互作用。比如物质中的电子会被光激发到较高的能级,随后可能以热辐射的形式回到基态,从而导致损失等等。

金属镜子的反射率可以用 Hagen–Rubens 关系来大致描述[1]:(没有本征吸收的情况下)

其中 是反射率, 是入射光圆频率, 是入射光频率, 是真空电容率为 , 是金属的电导率

已知导电率最好的金属是银[2]

那么我们可以计算出780 nm时(可见光范围内频率最小,为 )银的理想反射率大约为 95%

实际的银镜反射率比计算值略好,可以达到99%。比如下图是来自于Thorlabs的数据。

而一些特殊的dielectric mirror,其反射率甚至最高可以达到99.999%![3]下面我将会论述,哪怕反射率突破目前的极限达到了6个9,也会因为能量损失而无法提供能看到昨天的能量的。

假如两个镜子之间的距离是10米(距离增加将会不利于几何关系,距离减小将会不利于能量关系,在此取10米)

那么24小时前的光已经反射了 次

假设反射率高达99.9999%,那么经过 次反射后,剩下的能量为…… 额,谷歌计算器精度不够算不出来。。。(可以有人教我这里如何估算么?我只知道因此次数过高,没法简单用泰勒展开计算。)

实际上,当仅经过了 次反射后,也就是8.6秒后,能量就降低到只有最初的 了。这是什么概念呢?全宇宙的总能量约为 [4],全转化为780 nm的光子( ),就是 个光子。哪怕全宇宙的能量都照射过去,哪怕反射率已经达到了惊人的6个9,经过不到8秒后就甚至连一个光子都不剩了,更别提昨日重现了。

那么假设对于一般的99%的银镜,经过100次反射( )后,能量就衰减至只有37%了;经过 后就只剩下0.004%了。由此可见,企图使用镜子实现昨日重现,从能量的角度看,是完全不现实的了。这也是为何无法使用两个平行的镜子来储存光。

参考

  1. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Hagen%E2%80%93Rubens_relation
  2. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity
  3. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Perfect_mirror
  4. ^ https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%95%B0%E9%87%8F%E7%BA%A7_(%E8%83%BD%E9%87%8F)#%E5%A4%A7%E4%BA%8E1027

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