站在平面镜前，你能够看到镜子里的映像——这离不开两个重要的科学原理：能量守恒定律和光反射定律。

[ 能量守恒 ]

你能够看到镜子里的映像，是能量守恒定律对光发挥着作用。

光是以高速（每秒300，000公里）传播的能量。当光线照射到某物时，可能会发生三种情况：它可以穿过物体被传播、被物体吸收（光辐射能通过与物质相互作用转化为另一种能量，通常是热能），或者它可以被物体反射。无论哪种方式，能量守恒都在起作用：穿过、被吸收和被反射的能量总和，与入射的能量一样（图1左）。

图1 反射、透射和吸收（左），平面镜的反射（右）

典型的镜子是一片背面涂有铝或银的玻璃——通过在真空中在一块玻璃的背面溅射一薄层熔融的铝或银制成的（图1右）。对于平面镜而言，当光线到达时，其玻璃后面的银原子吸收入射光能的光子，并被激发反射——银比几乎任何其他东西都更好地反射光，它发出的光子几乎与照射在它上面的光子一样多。平面镜的背面通常还覆盖着某种深色的保护材料，以防止银涂层被划伤，并减少光线从后面穿透的风险。

能量守恒定律，也被称为热力学第一定律，指的是一个封闭系统的能量保持恒定——如果没有外界的干扰，它既不能增加，也不能减少。宇宙本身是一个封闭的系统，所以存在的能量的总量一直是不变的。然而，能量的形式是在不断变化的。

当物理学家首次提出量子理论时，他们意识到原子中的电子可以从一个能级跳到另一个能级，释放或吸收光。一百年前（1924年），尼尔斯·玻尔、汉斯·克莱默斯和约翰·斯莱特认为这些量子跃迁“暂时”违反了能量守恒。根据物理学家的说法，每次量子跳跃都会释放或吸收能量，只有平均起来能量才会守恒。爱因斯坦强烈反对量子力学违反能量守恒的观点。事实证明他是对的。几年后，物理学家完善了量子力学，科学家们明白，尽管每个电子的能量可能会在概率阴霾中波动，但电子及其辐射的总能量在该过程的每个时刻都保持恒定，能量是守恒的。能量守恒是一条绝对的定律。

[ 光反射定律 ]

你能够看到镜子里的映像，是光的反射定律在起作用。

光线被认为以非常可预测的方式行为。一束光线接近并在一个平面镜上的反射行为，遵循一个可预测的法则——反射定律。图2说明了反射定律。

图2 反射定律

当一束光线照射到镜面或任何物体（抛光、光滑、闪亮的物体）上时，会产生被称为“反射”或“光的反射”的现象。

在图2中，到达镜子的光线称为入射光线（图中标为I），离开镜子的光线称为反射光线（在图中标为R）。在光线射到镜子的入射点，可以画一条垂直于镜子表面的线。这条线称为法线（在图中标为N）。法线将入射光线和反射光线之间的夹角，分成两个相等的角度。入射光线与法线之间的角度θ_I称为入射角。反射光线与法线之间的角度θ_R称为反射角。

反射定律指出，当一束光线从一个表面反射时：（1）反射角等于入射角。（2）入射光线、法线光线和反射光线都位于同一平面（称为入射面或子午平面）上。

[ 平面镜映像 ]

为什么平面镜会形成映像呢？映像的形成是因为光从物体上以各种方向发射出来，其中一部分光（我们用光线来表示）到达镜子，并按照反射定律反射出来。每一束这样的光线都可以向后延伸到镜子后面，在那里它们会在一个点相交（即图像点）。眼睛位于任何其中一束反射光线上的人，都可以顺着这条光线观察到映像——即物体的投影。

当眼睛检测到平面镜反射的光线时，大脑会假设我们看到的是进入眼睛的光线延伸的交叉点（图3）。在平面镜的情况下，我们看到的图像称为虚像。虚像是在光线实际无法到达的位置形成的图像。镜子（无论是平面镜还是其他镜子）产生的虚像位于镜子后面，但那里不是光线真正的来源——光实际上并没有穿过镜子到达另一侧的那个位置，但对于观察者来说，光似乎是从这个位置发出的。

图3 平面镜形成的映像的特征

平面镜形成的映像的特征有：（1）平面镜获得的映像总是虚像。（2）虚像大小和对象的大小相等。（3）虚像与镜子之间的距离和对象与镜子之间的距离相同（图4）。

图4 虚像到镜面距离与对象到镜面距离相等

[ 平面镜映像左右颠倒了吗？]

举起你的右手，镜子中的映像看似举起它的左手。如果你拿一本书到镜子前面，把封面朝向镜子，封面的书名字也是看似左右颠倒的（图5）。

图5 镜子里的映像看似左右颠倒（左图片来自网络）

对象中每一点到镜面的距离与其映像到镜面的距离是一样的。所以整个物体的镜像就是相当于镜面的对称。也就是说，垂直镜面的方向上两者倒置了，或者说是镜子里的映像是前后倒置的。

但为什么镜子里的映像看似左右颠倒了？作为一个例子，当你拿着一张写有字母串“LCR”的透明塑料纸牌对着镜子时，字母串“LCR”在镜子里看起来会和平时一样（图6左）。但是，如果你把字母串“LCR”写在一张白纸上，你必须把它翻转过来（背对着你）才能在镜子里看到它（图6右）。当你把纸翻转过来时，你把纸的右边翻转到左边，左边翻转到右边。这就是为什么写在纸牌上的字母似乎是倒置的。当你把书的封面朝向镜子，封面映像也是看似左右颠倒的，其原因与此相同。

图6 镜子没有左右颠倒字符串

水面（湖面或江河面），也会形成对象（如，山峰、森林或建筑物）的倒影。例如，在大理三塔倒影公园内，可望见崇圣寺三塔及其在湖面的倒影（图6左）；而在反射湖（Reflection Lakes）畔，可望见雷尼尔雪山（Mt. Rainier）及其在湖面的倒影（图6右）。“倒影公园”和“倒影公园”名字起得好，名副其实。崇圣寺三塔位于大理古城西北2公里的苍山应乐峰下，雷尼尔雪山位于西雅图市区东南方向大约108 km处。

图7 水面映像（图片来自网络）

[ 结语 ]

   平面镜映像是常见的东西，但其背后隐藏有深刻的科学原理。我们都知道光线在镜面或水面确实会反射。实际上，光在玻璃、水或其它介质中传播的确切细节相当复杂，涉及到光与传播材质相互作用的量子力学描述。关于光的本质，即它是粒子还是电磁波，几代物理学界巨头们曾经有过激烈的争论。几个世纪以来，这种神秘而难以捉摸的现象让科学家们感到困惑。粗略地说，光同时具有粒子和电磁波的特性，但不是两者的所有特性。它由以波状模式传播的光子组成。光作为电磁场的振荡，它与材料中电子的电荷相互作用，导致电子电场的振荡。反射光起源于介质中的振荡电荷——入射光使电荷振荡，振荡子产生反射光。