为什么镜子能颠倒左右，却不能颠倒上下？

有一种光学元件，最精密的光学仪器中有它的身影，而咱们早晨起来刷牙的时候，往往也会一眼看到，它就是镜子。镜子的工作原理基于光的反射定律。当光线从一个介质射向另一个介质表面时，如果表面足够平滑，光线就会以相同的角度反射出去，形成所谓的“镜面反射”。我们早都习惯了镜中的自己，也被一个问题困扰，那就是为什么镜子能颠倒左右，却不能颠倒上下？

在网络上，这个话题引起了 200 多万的关注。

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为什么镜子里的你左右反，上下不反？

关于镜子，这个问题既有趣又常见，那就是“为什么镜子里的你左右是相反的，上下却不是相反的？”。

图 2：平面反射镜的成像方式[2]

其实，镜子成像既不是左右对称也不是上下对称。

出现这种问题的原因是人往往以自己为参照物，而忽视了镜子。准确地说镜子通过平面反射光线，使得物体的像在镜面后方对称出现。这种对称是沿着镜面的垂直轴（即前后方向）进行的，因此物体的前后位置被反转，而左右和上下位置相对于镜面保持不变。

图 3：镜面对称坐标参考[3]

这么说可能还不够清楚，如果照镜子的时候换个指示方向的方式，就一目了然了。假设我们站住不动，面对镜子的时候面朝北，镜面朝南，那么当我们动一动东边那只手，镜中人动的一定也是东边那只手，反之亦然。但当我们伸出手指指向北面（也就是我们眼前镜子的方向），镜中的你则一定会指向南，所以说，照镜子时其实是“里外反”。

换句话说就是镜子反转的是物体相对于镜面的前后方向，而非左右或上下。由于人类身体的左右对称性和观察视角的影响，我们感知为左右反转，而上下方向因与镜面垂直，未发生反转。

多来几块镜子可以干什么？

我们知道光的反射定律，那么我们就可以用多块镜子，通过调整入射光（即光源）和镜子之间的位置关系，从而精确地引导光线到达所需的位置。

首先就是小学科学课上都会制作的潜望镜，只要用两块互相平行的镜子，就能越过墙头观察对面情况了。

而如果我们把用两块平面镜垂直粘合固定，组成的镜子就叫偶镜。偶镜有一个有趣的现象，如果你去照偶镜，调整自己的位置，让镜子的接缝处恰好位于镜中你面部的中线，你就会发现这时照镜子的体验大不相同，当你举起右手，镜中人也会举起右手，当你闭上左眼，镜中人也会闭上左眼。

此外，如果你用手电筒紧贴面颊将光射向 90° 偶镜，会出现眩目反光。这是因为偶镜经两次反射的光与入射光平行，反射光直射入眼所致。

图 4：偶镜原理丨图源：作者绘制

若在偶镜上再加一面镜子使三面镜垂直，就成为一个角反射器，它由三对偶镜组成，无论从何角度投射光线，经二、三次反射的光都与入射光平行。角反射器用途广泛，像自行车尾灯就由众多角反射器组成，不过实际尾灯角镜之间并非严格垂直，这样能有部分反射光散开，便于司机看见。

图 5：自行车上的反射器丨责编拍摄制图

更神奇的是，月球上也有人造角反射器。1969 年 7 月 21 日，美国阿波罗 11 号登月成功，人类第一次踏上了月球的表面，登月宇航员带了一个激光后向反射器阵列，并将其放置在月面预定位置上，成功测得当时地球与月球的距离为 383911.218 公里，角反射器不愧是测距的理想“镜子”！

图 6：Apollo11 反射器阵列丨图源：wiki

在摄影领域中还有就一个巧妙利用反射镜的摄影设备——单反相机（单镜头反光相机)。其独特之处在于其取景器的设计。其镜头兼作取景物镜，在摄影镜头与数码相机的感光元件之间，有一反光镜与光学主轴成 45° 角。影像通过反光镜，从而显示在机身上方的调焦屏上，通过取景目镜和五棱镜，拍摄者可以观察取景对象，因而取景无视差，且较明亮。拍摄时，反光镜抬起（下图中的②），光线才能到达感光元件。

图 7：反射镜在单反相机中的应用丨图源：wiki

高级的镜子是啥样？

咱们日常家用的镜子，其镀膜层是位于镜子后方的。当你凑近仔细观察，会发现镜中影像存在轻微重影，这是普通家用镜子镀膜及反射特性所导致的一种现象。镜子的反光效果好不好，取决于入射光（即光源）的波长和镀层的表面光洁度。

在特定场景下，比如激光应用中，使用高反射率反射器可使激光输出功率成倍增加，第一反光板反射图像不失真、无双影，能还原物体本貌。而普通镜子反射率低、无波长选择性，还会产生双重阴影，使图像质量变差。

在精密设备领域，这种双重阴影和低反射率是绝对不被允许的，因为哪怕极其微小的图像偏差都可能导致设备运行异常，甚至引发严重后果。在光学系统中常使用通过特殊镀膜工艺的镀膜镜，能够有效提高对特定波长光的反射率，得到的图像不仅亮度高，而且精确准确，画质更清晰，色彩更逼真。

镜子，这个看似简单的光学元件，实则蕴含着丰富的光学原理和制作工艺。从日常生活中的整理仪容到高端光学系统中的精密应用，镜子都发挥着不可替代的作用。

参考文献

[1]Kokichi Sugihara's English Homepage[EB/OL]. http://www.isc.meiji.ac.jp/~kokichis/Welcomee.html.

[2]光学“魔术”：镜子与消失术！[EB/OL]. Light科普坊, (2023-09-17). https://mp.weixin.qq.com/s/aBPZgJiGtEqrNcRU3fxiaw.

[3]Why Do Mirrors Flip Left & Right (but not up & down)?

https://www.youtube.com/watch?v=1t4dOPxKgrY

[4]中国科学院西安光学精密机械研究所-光学科普园地[EB/OL]. 中国科学院西安光学精密机械研究所, (2018-12-18).

https://opt.cas.cn/kpyd/kpwz/201812/t20181218_5217790.html

[5]Makoto Otsubo, “Aerial imaging principle and its commercialization and future developments,” Proceedings of the International Display Workshops, Vol. 28: 227-230, 2021

[6]焦述铭. 角反射器：让光线“掉头”[EB/OL]. 网易号, (2024-06-30).

https://www.163.com/dy/article/J5U94HLO0511C4OP.html

[7]月亮距离我们有多远？科学家告诉你到月球要几步[EB/OL]. 新

浪科技, (2018-02-02).

https://tech.sina.com.cn/d/s/2018-02-02/doc-ifyrcsrw7752744.shtml.

策划制作

作者丨林昊 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 研究生

审核丨张译心 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 科普业务主管

策划丨丁崝

责编丨丁崝

审校丨徐来、林林