为什么镜子左右反上下不反？原因竟然出在我们自己

光竟然也有属于自己的节日哟！2025 年的 5 月 16 日已经是第十个国际光日啦！

1960 年，美国休斯研究实验室有位超厉害的物理学家梅曼，他制造出了第一台红宝石激光器，从而开启了激光时代。为了纪念这个了不起的时刻，在 2015 年，联合国教科文组织大手一挥，把每年的 5 月 16 日定为 " 国际光日 "（International Day of Light）。

由于从你的眼睛到手机屏幕，从巨大的天文望远镜到激光雕刻机，光学涉及的东西实在是太多太多，今天咱们只重点聊聊大家最熟悉的 " 镜子 "。

一块镜子的奥妙

唐太宗李世民说过：" 以铜为镜，可以正衣冠 "；《木兰辞》中则有 " 当窗理云鬓，对镜贴花黄 "，都生动地描绘了人们与镜子之间的日常联系。这面我们日常使用的镜子，在专业上被称为 " 平面反射镜 "，堪称光学领域中最简单的器件之一，常常出现在光学入门课程的前几页。

图 1：平面反射镜成像 [ 1 ]

回溯人类使用镜子的历史，可谓源远流长。在远古时期，人们最初借助天然形成的平静水面来映照自己的模样，旧石器时代的人类若想一睹自己的容颜，往往需要前往池水边，对着那如镜面般平静的水面细细端详，这便是人类最早使用的 " 镜子 "。后来，以青铜为材质打造的青铜镜，成为了主流。

随着时间推移，人类对镜子的制作技术不断探索。15 世纪迎来了平面镜发展史上的一个重要里程碑——意大利威尼斯的工匠们发明了镀锡玻璃镜。他们在玻璃背面精心涂覆了一层金属膜。这层金属膜凭借自身对光的反射特性，让光线能够高效地反射回来。这一创新不仅大幅提升了镜子的成像质量，还为后续制镜工艺的革新奠定了基础，发展成为现世的镀银镜和镀铝镜等金属镀膜镜子。

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 "。

左右反，上下不反？

关于镜子，有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。准确的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