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揭开普氏摆的神秘面纱

2018-12-28 10:20阅读：

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揭开普氏摆的神秘面纱

为了揭开普氏摆的秘密，我们先来做两个小实验。
在两张同样的白纸上，分别画一个同样大小的正方形。把这两张纸放在桌面上，在它们中间立一块硬纸板（如图1）。观察时使左眼和右眼分别在档板的两侧，这样每只眼睛将只能看到其中的一个图形。调节两图形间的水平距离，当这个距离合适时，就会发现一个有趣的现象：原来的两个图形不见了！我们看到的是单一图形！这种现象心理学中叫做视像融合。同时还会发现，如果两张图沿水平方向的位移形成了一定的双眼视差，融合后的图形会从背景中分离出来，浮现在背景前面或凹陷在背景后面（图2a、图2b），形成具有深度感的立体图形。这一实验启示我们：当观察两张带有双眼视差的图片（称为“立体图对”）时，只要它们的相对位置合适，我们的大脑中就能够形成一个立体图。
揭开普氏摆的神秘面纱
图1
揭开普氏摆的神秘面纱

图2a
揭开普氏摆的神秘面纱
图2b

再来看下面的实验。利用偏振片的特性来控制光路。让每只眼睛各通过一组偏振片分别观看两张带有双眼视差的图片。通过调节各组偏振片之间的角度，可以使两只眼睛平行观察（图3a）或交叉观察（图3b）。这时只要立体图对之间的距离合适，就可以融合成一个单一的图形。感知在平行观察时，融合后的图形离观察者较远，而交叉观察时，融合后的图形离观察者较近。在同一种观察方式中，当改变立体图对之间的距离时，融合后的图形到观察者的距离也随之改变（图4）：辐合角度越大，感知距离越近，辐合角度越小，感知距离越远。
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图3a
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图3b
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图4a
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图4b
现在来看普氏摆。摆在视场中来回摆动，实际上是在一个与地面垂直的竖直平面里运动。这个平面就是我们观察时的参考面，或者称为背景平面。观察者在一只眼前放置一个光学衰减器，两眼同时观察，则摆的摆动路线看来就像是有深度感的椭圆轨迹。当衰减器的密度增大，则摆的路程的深度看来也就加大了。当把衰减器换到另一只眼前时，椭圆的走向就会被看成是相反的。这是1922年Puifrich发现的Puifrich现象。
我们知道，最简单的光学衰减器实际上就是一块透明的光学材料，如光学玻璃、有机玻璃等。为了使效果明显，通常使透明材料带有淡淡的某种颜色。光在这种材料中的传播速度比在空气中小。由于只有一只眼前有光衰减器，因此从摆球上同一点发出的光到达两只眼睛时会出现一个时间差（△t），并且无论摆在什么位置，两只眼睛所看到的图象，都含有相同的时间差。换句话说就是，没有光衰减器遮挡的眼睛看到的是实时的物体，有光衰减器遮挡的眼睛看到的是前一瞬间的物体。这相当于前述第一个实验的情况，即两只眼睛同时分别看一对不同的图象。如果这两个图象含有双眼视差，大脑就会把它们融合成一个有深度感的立体图。就是说，这时我们看到的将是摆球浮现在摆动平面（即背景平面）之前或者凹陷在摆动平面之后（图5）。
揭开普氏摆的神秘面纱
图5a
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图5b

还有一点需要注意，摆球在最高点时速度最慢（为零）并且改变运动方向；通过最低点时，速度最快。因此在相同的时间差△t内，在不同的位置，摆球的位移是不同的。这意味着两只眼睛看到的立体图对，在摆球摆动过程中不同位置，所含的双眼视差是不同的：接近最高点时，双眼视差最小，在最低点双眼视差最大（图6）。不难想象，当摆球接近最高点时，我们将看到摆球离开摆动平面的程度较小；当摆球接近最低点时，我们将看到摆球离开摆动平面的程度较大（参考图3）。
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图6
下面分析在摆球一个振动周期里观察到的现象。
摆球自右端A点至左端B点开始摆动。观众右眼a戴光衰减器，如图7。
在第一个1/4周期中，由于观众左眼看到的是实时的摆球，右眼看到的是前一瞬间的摆球，相当于平行观察，感知小球凹陷在振动平面之后。小球在A点时，速度为零，双眼视差也为零，两只眼睛看到的是同一幅图象，感知小球位置与小球的真实位置吻合。开始运动后，小球速度很小，形成的双眼视差也很小，感知小球离振动平面很近。小球在摆动过程中，速度逐渐增加。当摆动到最低点P时，速度最大。在这一过程中，随着小球速度增大，形成的双眼视差也越来越大，感知小球凹陷在振动平面后面，且离开振动平面越来越远。摆动到最低点P时，速度最大，形成的双眼视差也最大，这时小球看起来离我们最远。这样，我们感觉小球似乎是沿着一个水平弧线走过了1/4圈。
揭开普氏摆的神秘面纱
图7
小球通过最低点P继续向B点摆动，进入第二个1/4周期。这时小球速度逐渐减小，因而双眼视差也逐渐减小，感知小球凹陷在振动平面后面，且越来越贴近振动平面。在B点，小球速度为零，双眼视差也为零，两只眼睛看到的是同一幅图象，感知小球位置与小球的真实位置吻合。我们感觉小球似乎是沿着刚才的水平弧线又走过了1/4圈。
当小球由B点开始返回A点时，进入第三个1/4周期。这时一个重要变化是：双眼由平行观察变为交叉观察，因为这时小球的实时位置在右，经过衰减器的位置在左，这时右眼看到的是左图，左眼看到的是右图（图8）。因而感知的结果是小球浮现在振动平面之前。随着小球速度不断增加，形成的双眼视差越来越大，小球离开振动平面也越来越远。摆动到最低点P时，速度最大，形成的双眼视差也最大，这时小球看起来离我们最近。
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图8
小球通过最低点P继续向A点摆动，进入第四个1/4周期。这时小球速度逐渐减小，因而双眼视差也逐渐减小，感知小球浮现在振动平面前面，且越来越贴近振动平面。在A点，小球速度为零，双眼视差也为零，两只眼睛看到的是同一幅图象，感知小球位置与小球的真实位置吻合。这样，在小球完成一次全振动过程中，我们看到的是小球在水平方向逆时针转动了一周。
如果将光衰减器换到左眼，感知结果将与上述讨论情况相反。摆球在前半周期里（A—B），形成交叉观察，感知的结果是小球浮现在振动平面之前；在后半周期里（B—A），形成平行观察，感知小球凹陷在振动平面之后。因而在小球完成一次全振动过程中，我们看到的将是小球在水平方向顺时针转动了一周。

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