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2.15 水中可以看到多少星星

果戈理曾这样描写第聂伯河的夜景:“群星在夜空中闪闪发光,可它们又全都倒映在第聂伯河里。第聂伯河将所有的星星温柔地揽在它那幽暗的怀抱中,除非星星在夜空中熄灭,否则没有任何星星能够挣脱第聂伯河的怀抱。”当你站在一条宽广的大河对岸,感觉漫天的星斗都在水面这个偌大的镜子中了。真的所有的星星都在水面上倒映出来了吗?看来即使是晚上的河流也给我们出了难题。

如图2-28所示,我们来画这样一张图:图中 MN 表示水面, A 表示观测者站在河岸峭壁边缘的眼睛。观测者从 A 点望向河面的话,可以看到多少星星呢?

为了更好地回答这个问题,我们不妨从点 A 出发向 MN 作一条垂线 AD ,并将垂线延长至点 A′ ,且与 AD 的距离相等。如果观测者的眼睛处在点 A 的位置,从点 A 观望星空的实际观测者的视野只能是 BA′C 角度以内那部分星空。由于观测者的眼睛无法捕捉到这些星光反射的光线,所以他没有办法看到这一角度以外的星星。

可是我们又该怎样证明,观测者在河面的映像中看不见处在 BA′C 角度以外的星星呢?如何确信 S 星我们一定看不到呢?

我们根据物理学中光的反射定律,将 S 星投射到离岸较近的 M 点的光线设置为研究对象。 S 点的光线在垂直于 MN 的垂线 MP 的角度从水面发生反射,沿着和 MP 相等的入射角 SMP 的角度从水面上反射出去,依据 ADM A′DM 两个三角形全等的关系就可以证明出,角 SMP 要比角 PMA 角度小,这也就证明了 S 星反射的光线并不在角 BA′C 视野范围内,而是从 A 点旁边经过。如果 S 从位于比 M 点离岸更远的地点上,那么观测者就完全看不到从水面反射星星的光线了。

换一个场景,如果你来到一个水面比较狭窄,河岸又低矮的地方,俯下身来,你将看到的星空会比刚才在大河上看到的大很多,几乎可以看到一半的星空,如图2-29所示,只要调整好你与河面所成的视角,那么就很容易证明宽广的大河看到的星空反而比小河看到要小很多,的确令人惊奇。这样看来,开头果戈理描写的第聂伯河水面所倒映的星光确实有些夸大,其实我们所能看到的星星远不是所有的,不管怎样看,我们甚至连星空的一半都看不到。

图2-28 在河水这块镜子里可以看到的天空

图2-29 在河岸较低、水面狭窄的小河里能看到更多的星星 DCJ14Ip7hpkmJIjxvlUiIR7I748rUetfIOt0aMMMdhHue4TIAUkD93Fga6uDYJCK

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