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你真的見過「光」嗎?慢慢看……

你真的見過「光」嗎?慢慢看……



晴天的早上,我們通常會被射入眼睛的光線弄醒,這個時候,可能比較討厭這些光線。但當我們上學、上班的時候,就又會覺得這些光線很可愛、很明媚。但你真的了解它們嘛?讓我們一起來看看。

假設太陽在這裡,你的眼睛在這裡,下面是一面很大的鏡子。太陽發出的光可能經過任何反射路線進入你眼睛。但只有眼睛在適當的位置才能看見太陽反射的像,偏了就看不見。那麼從邏輯上來解釋,光應該是選擇了那條特定的路線,每次都走最短的,而不是隨機地這次走這條,下次走那條。這樣很符合我們的經驗。

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「可是呢,隨著時間的推移,人們觀察自然的方式變得不只局限於肉眼。在一些精心設計的實驗里,藉助特殊的儀器,人們看見了一些奇怪的現象,用『光只走最短的唯一路徑』的邏輯已經很難解釋了,於是人們發展了一套新的邏輯,既適用於儀器發現的新現象,又適用於我們肉眼可見的舊現象。這一整套比舊的推理複雜得多,於是反射成像這件事也有了完全不同於直覺的解讀。

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光速是一定的,那麼它經過不同的路徑所花的時間就有長有短。這時候,你有一個計時器,就是一根指針。用剛才的例子,以光從太陽出發為起點計時,指針的起點處在水平方向,指向右邊。然後開始逆時針勻速旋轉,當光到達你眼睛的時候停止旋轉。記錄下指針最終所處的位置,它對應於光經過的這條路徑。」

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同樣地,對每一條可能的路徑,我們都用同樣的一個指針從水平位置開始計時,記錄下光通過那條路徑後指針的位置。

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我們取遍從鏡子左端到右端所有的點,就把光從這個鏡子反射的所有可能路徑都包括在內了。現在把這些路徑對應的指針,按順序首尾相接起來。然後找到第一個指針的起點,和最後一個指針的終點,把它們相連。

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這個黑箭頭長度的平方,就是光經過這面鏡子後到達眼睛的概率。我們能不能看見太陽的像,取決於這個概率有多大。用這個演算法,多玩幾次,你會發現鏡子各個部分的重要性是不同的。比如,以最短路徑對應的那個點為中心的那部分鏡面對最終概率的影響很大,而兩端的鏡面影響比較小。

為什麼呢?仔細觀察上上幅圖中的時間曲線,它在兩側變化快,接近底部的時候變化慢。這意味著對應於時間曲線兩側的指針取到各個方向,而對應於曲線底部的指針的方向趨於一致。因此中間那部分排列起來的小指針基本是「直」的,而兩端則排成螺旋狀。圖中的比例是經過誇張了,精確畫法得到的螺旋應該是非常緊密的,最後算出的概率非常小。

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「這就是為什麼我把鏡子的兩邊裁掉,你依然可以看見太陽,因為光從中間那部分鏡面經過的概率仍然很高很高;而當把鏡子中間挖空,就見不到太陽了,因為光從剩下的部分經過的概率變得很低很低,低到不足以讓神經產生反應。


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