第九章 光的反射和折射·視覺
日光發動機和日光加熱器
有一種極引人的想法，利用日光能來燒熱蒸汽機的鍋爐。讓我們先來做一個不太複雜的計算。地球上每一平方厘米的表麵，在大氣界限以外受到太陽光線的直射，每分鍾接受到的日光能，是能精確地測量出來的。這個數量顯然是不變的，所以把它叫做"太陽常數"。太陽常數的數值，就整數來說，是每分鍾每平方厘米2小卡。太陽經常不斷地給地球送來的這份熱量，並不能完全到達地球表麵：大約有半個小卡要被大氣吸收掉。直曬在日光下的地球表麵，每平方厘米每分鍾裏接受的熱量，可以算它1.4小卡的熱量。改用平方米來說，就是每分鍾14，000小卡，或每分鍾14大卡，也就是每秒鍾大約四分之一大卡。我們知道，一大卡的熱完全變成機械工作的時候，可以產生427公斤米的功。因此，豎直地射在一平方米地麵上的日光，大約可以供給
要太陽的輻射能完成這麼多的功，必須在最有利的條件下陽光得豎直地射在地麵上，並且得百分之百變成功。可是目前已經實現了的那些直接利用日光能做動力的嚐試，離這種理想的條件還很遠。它們的效率都不超過5--6％。隻是在最近才有幾種最有效的日光發動機，效率達到了15％。
利用太陽的輻射能來做機械工作比較難，但是利用它來產生熱卻比較容易。如太陽能熱水器，是目前使用最普遍和成效最好的一種太陽能裝置，它可以為家庭、工廠或浴室、旅館等公共場所提供洗澡、洗衣、炊事等用途的熱水，水溫在夏季一般能達到攝氏50--60度。這種裝置構造簡單，成本不高，在北緯45度到南緯45度之間的城鄉地區最適用，因為這個地區裏每年大約有2000小時以上的日照時間。現在全世界至少有幾百萬台太陽能熱水器在工作。
還有利用太陽能來蒸煮食物的太陽灶，利用太陽能來幹燥農副產品的太陽能幹燥器，在廣大農村地區、特別在燃料缺乏的地區，也很有發展前途。
在有些幹旱的沿海或海島地區和一些內陸鹹水地區，還利用太陽能蒸餾器來製取淡水。
另外，在某些現代化的建築設計中，正在考慮利用太陽能供建築采暖或空氣調節。
隱身人的威力
小說《隱身人》的作者非常聰明而且徹底地證明了，一個人變得透明不能被人看見以後，他就因此取得了幾乎是無限的威力。他能夠進入任何一間屋子，毫無顧慮地拿走任何一件東西。人們看不見他，所以也捉不到他。由於自己的不能被人看見，他可以跟整隊的武裝軍隊鬥爭而得到勝利。隱身人可以用難以躲避的懲罰來威脅所有不能隱身的人，使全城的居民都服從他的命令。他本人不能被捉到不能被傷害，而他卻有完全可能去傷害所有別的人。這些人無論怎樣設法自衛，遲早總要被這個隱身的敵人追趕上而受到迫害。這種優越的地位，就使這本英國小說裏的主人公可以向本城裏受他威脅的人發出這樣一道命令：
本城從今天起就不在女王的管轄下了。請你們告訴你們的團長、警察和所有的人：本城從此必須服從我的統治！今天是新世紀隱身人世紀的第一年，第一天！我就是隱身人一世。一開始，我的統治是寬大的。在第一天，我隻判一個人死刑，給大家做榜樣。被判死刑的人名字叫坎普。今天就是他的死期。盡管他閉門不出盡力躲藏起來，盡管他用衛兵保護或是穿上盔甲，可是死，不可見的死，還是會臨到他身上的！雖然他采取了預防的措施，但是我的人民不會不知道，死神一定會降臨到他身上的！我的臣民們，千萬別幫助他，以免同歸於盡。
開始的時候，隱身人是勝利的。後來，受威脅的居民作了極大的努力，才找到了跟這個夢想做皇帝的隱身敵人周旋的方法。
透明的標本
這本幻想小說所根據的物理學推理是不是可靠呢？完全可靠。任何透明的物體，放在透明的介質裏，隻要它們的折射率相差小於0．05，這個透明物體就會變得看不見。在《隱身人》這本小說寫成以後十年，人們也真做成了一部分身體的透明標本，甚至整個死動物的透明標本。這些標本現在可以在許多博物館裏看到。
透明標本的製法，簡單地說，是先使標本經過一定的加工手續漂白和洗淨，然後再把它浸在水楊酸甲酯裏（這是一種有強烈析射作用的無色液體）。最後把用這種方法製得的老鼠、魚等標本，浸在滿裝同樣液體的容器裏。
這裏當然不必把標本做得完全透明，因為在完全透明的情況下，這些標本就會完全看不見，因而對於解剖沒有用處。但是如果願意，也可以把它們做得完全透明。
當然，從這裏到威爾斯理想的實現把活人做得透明到完全看不見還距離很遠。因為首先得找到方法，把活人的身體浸在有透明作用的液體裏，而又能夠不傷害他的組織機能。第二，製成的標本還隻是透明的，而不是看不見的。這樣的標本隻有浸在有同一折射率的液體裏，它的組織才看不見。若是讓它們留在空氣裏，那末隻有在它們的折射率等於空氣的折射率的時候，才能夠變得看不見。但是怎樣能做到這一點，我們還不知道。
可是就算有這麼一天，上麵所說的兩件事都做到了，也就是英國小說家的幻想變成事實了，那時候我們會不會就有一些隱身戰士、隱身隊伍，能夠意外地出現在敵人後方，用自己那種不可思議的、超自然的行動使整隊敵軍驚惶失措呢？
小說裏的一切，作者預先都作了周密的考慮，所以你會不由自主地信服他所寫的事實，認為隱身人真是人類裏麵最有威力的人。......可是事實並不如此。
原來《隱身人》這本小說的聰明的作者忽視了一個很小的情況。這一點，留在下一節裏講。
隱身人能看見別人嗎？
假如威爾斯在下筆以前曾經向自己提出過這個問題，《隱身人》那本不可思議的小說也許就會寫不成功......
事實上，就是這一點破壞了對威力強大的隱身人的幻想。隱身人應該是一個瞎子。
為什麼小說裏的主人公能叫別人看不見他呢？這是因為他的身體各部，包括眼睛在內，都已經變得透明了，因而它們的折射率也等於空氣的折射率。
讓我們想一下，眼晴的作用是什麼。眼睛裏的晶狀體、玻璃體和其他部分都會這樣折射光線，使外麵物體的像能夠出現在視網膜上。可是如果眼睛和空氣的折射率相同，那就不再發生折射現象了：因為從一種介質進入另一種折射率相同的介質，光線不會改變方向，因此也就不能會聚在一點上。光線在完全沒有阻礙的情況下進入隱身人的眼睛裏，它既不會折射，也不能留在眼睛裏（因為隱身人的眼睛裏沒有色素），因此隱身人不能在自己的視覺裏留下任何的像。
由此可知，隱身人是什麼也看不見的。他的全部優點顯然對他沒有一點好處。這個可怕的想做皇帝的人隻能流浪在街頭，求人家布施；可是人們又沒有辦法幫助他，因為誰都看不見這個求乞的人。這個最有威力的人實際上隻是一個束手無策、陷入慘境的殘廢人......
因此，按照威爾斯所指的方法去尋找"隱身帽"，是沒有用的；即使照這個方法做去一切都順利，也是不能達到目的的。
保護色
可是也有別的方法可以解決隱身帽的問題，就是把物體塗上適當的顏色，使眼睛看不見它。這個方法在自然界是經常使用的：這就是生物的保護色。自然界裏有許多生物就是靠保護色躲避過敵人，在生存競爭當中保存自己的。
戰士們所說的"自衛色"，動物學家從達爾文的時候起就把它叫做"保護色"或"掩護色"。這種保護色的例子在動物界可以舉出幾千個來，簡直我們每走一步路都可以遇見它。沙漠裏的動物，大多數都有微黃的"沙漠色"，作為它們的特征。那裏的獅子、鳥、蜥蜴、蜘蛛、蠕蟲等等，總之是沙漠動物群當中一切具有代表性的動物身上，都可以找到這種顏色。相反的，北方雪地上的所有動物，可怕的北極熊也好，不傷人的海燕也好，卻都披上了一層白色，它們在雪的背景上簡直看不出來。還有生活在樹皮上的蝶蛾和毛蟲，顏色都非常接近樹皮的顏色（如毒蛾等）。
每一個捕捉昆蟲的人都知道，由於昆蟲有保護色，要找到它們十分困難。你不妨試著去捉一下在你腳邊的草地上吱吱叫著的綠色蚱蜢，在掩護著它的綠色背景裏，你簡直看不清蚱蜢在哪裏。
水生動物也是這樣。在褐色藻類裏生活的海生動物，都有"保護性"的褐色，使眼睛無法察覺它們。生長在紅色海藻區域裏的動物，主要的保護色是紅色。銀色的魚鱗也同樣具有保護性，它保護魚類既使它們受不到在空中搜尋它們的猛禽的傷害，又使它們受不到在水下威脅它們的大魚的襲擊：水麵不但從上麵往下看象麵鏡子，並且從下麵，從水的最深處向上看更象麵鏡子（"全反射"），而銀色的魚鱗剛同這種發亮的銀色背景融合成一片。至於水母和水裏的其他透明動物，象蠕蟲、蝦類、軟體動物等，它們的保護色是完全無色和透明，使敵人在那無色透明的自然環境裏看不見它們。
自然界在這一方麵所用的"妙計"，真比人類的發明才能高明得多。許多動物都能按照周圍條件的變動來改變保護色的色調。在雪的背景上不易察覺的銀鼠如果不隨著雪的融化而改變自己毛皮的顏色，那它就會失去保護色的好處。因此在春天，這種白色小動物會換上一身紅褐色的新毛皮，使自己的顏色跟那新從雪裏裸露出來的土壤的顏色打成一片。隨著冬季的來臨，它們又穿上了雪白的冬衣，重新變成白色。
自衛色
人類從自然界那裏學會了這種有用的藝術，使自己的身體同周圍的背景相融合，以免被敵人發現。從前曾經點綴過戰場的那些雜色斑爛的軍裝，現在已經變成過去了：代替它們的是具有保護作用的常見的單色軍裝。現代兵艦的灰色的鋼甲也是一種自衛色；它使兵艦在海洋的背景上很難被分辨出來。
有一種所謂"戰術的偽裝"，也同這自衛色有關。防禦工事、大炮、坦克、兵艦等都要偽裝起來，或者用人造霧掩蔽起來，來迷惑敵人的視線。兵營要用特殊的網來隱蔽，網眼裏還要編上一簇簇的草，戰士也要穿上染成草綠色的衣服。
現代的軍用飛機也廣泛地使用著自衛色和偽裝。
塗著褐色、暗綠色和紫色（使自己的顏色同地麵的顏色相配合）的飛機同地麵上的背景，是很難被飛在高處的飛機分清的。
飛機的底部，為了迷惑地麵上的觀察者的視線，得漆成跟天空一致的淺藍色、淺玫瑰色和白色。這種顏色象小斑點一樣漆在飛機的表麵上。在740米的高空，這些顏色會同那不顯眼的一般背景融合成一體。在3000米的高空，有這種偽裝的飛機會變得看不見。在黑夜襲擊用的轟炸機應當漆成黑色。
在所有的環境裏都適用的自衛色，是一種能夠反射四周景色的鏡麵。有這種表麵的物體，能夠自動地取得四周的顏色，幾乎使人不能從遠處發現它們的存在。在第一次世界大戰的時候，德國人曾經在齊伯林飛艇上使用過這種方法。許多齊伯林飛艇的表麵都是發光的鋁，能夠反射天空和雲彩。假使不是它們的發動機的聲音，要在它們飛行的時候發現它們，是很困難的。
所以，在民間故事裏流傳的關於"隱身帽"的幻想，在自然界和軍事技術上都已經變成現實了。
人的眼睛在水底下
設想你能在水裏潛伏無論多久，同時還能睜開眼睛。請問這時候你在那裏能看見東西嗎？
看來好象隻要水是透明的，在水裏看東西就應該和在空氣裏一樣清楚。可是，我們可以回想一下上麵所說的隱身人，他所以看不見東西，是因為他眼睛的折射率和空氣的折射率相同。我們在水裏的時候所有的條件，同威爾斯的隱身人在空氣裏的條件是接近的。看一下數字就更清楚了。水的折射率是1．34，而人眼裏各種透明物質的折射率是：
角膜和玻璃體..............................1．34
晶狀體.......................................1.43
水狀液.......................................1.34
可以看出，晶狀體的折射率隻比水大十分之一，而我們眼睛的其他部分的折射率都和水相等。所以在水裏，光線在人的眼睛裏所形成的焦點是在視網膜的後麵很遠；因而在視網膜上所顯現的物像就一定很模糊，使人很難看清要看的東西。隻有非常近視的人才能在水底下比較正常地看到東西。
如果你希望想象一下在水底下看到的東西是什麼樣子的，那你可以戴上一付度數很大的近視眼鏡（雙凹透鏡）。這時候，被折射到眼睛裏來的光線，在視網膜的後麵很遠的地方形成焦點，結果你看周圍就會出現一片模糊。
那末人能不能靠折光很強的眼鏡的幫助，在水底下看到東西呢？
眼鏡上所用的普通玻璃，在這裏不大適用：普通玻璃的折射率是1．5，也就是隻比水的折射率（1.34）大一些；這樣的眼鏡在水裏的折射光線的能力非常弱。一定要使用拆光能力極強的特種玻璃（折射率差不多等於2的所謂鉛玻璃）。帶著這樣的眼鏡，我們就能大致清楚地在水裏看到東西（關於潛水用的特製眼鏡，請看下節）。
現在可以明白，魚的晶狀體為什麼會特別的凸出了。魚有球形的晶狀體（圖109），它的折射率在我們所知道的一切動物的眼睛當中是最大的。不然的話，這些生活在折光能力很強的透明環境裏的魚類，就差不多等於沒有眼睛。
潛水員是怎樣看東西的？
有些讀者一定會問，如果我們的眼睛在水裏幾乎不能折射光線，那末穿著潛水服工作的潛水員又是怎樣在水底下看東西的呢？要知道潛水員所戴的麵具常常是裝著平玻璃，而不是裝著凸玻璃的。還有，儒勒·凡爾納的"鸚鵡貝"號裏的幾位乘客們，能不能透過潛水艇的窗子觀賞一下水下世界的風景呢？
放在我們麵前的是個新問題，但是也並不難回答。要回答這問題，先要注意：我們沒有穿著潛水服到水底下的時候，水是直接同我們眼睛接觸的；戴了潛水麵具（或者坐在"鸚鵡貝"號的船艙裏），眼睛和水之間就隔了一層空氣（還有玻璃）。這就在本質上改變了整個情況。從水裏來的透過玻璃的光線，先要遇到空氣，通過空氣以後才進入眼睛。從水裏用任何角度射到一塊平玻璃上的光線，按照光學原理，在走出玻璃的時候並不改變方向。可是以後從空氣進入眼睛的時候，光線當然又會受到折射。在這種條件下，眼晴所起的作用，同在陸地上完全一樣。要解答這個使我們覺得迷惑的問題，關鍵就在這裏。我們可以十分清楚地看見養魚缸裏的遊魚，就是這一點的極好的說明。
透鏡在水底下
把雙凸透鏡（放大鏡）浸在水裏，然後隔著它看水裏的物體，這個簡單的實驗你做過沒有？在做的時候你一定會吃驚：放大鏡在水裏幾乎不起放大作用了！你也可以把一塊"縮小"鏡（雙凹透鏡）放在水裏，這時候它好象也幾乎失掉了縮小的能力。如果你用來做實驗的不是水，而是一種折射率比玻璃大的液體，那末雙凸透鏡反而會縮小物體，雙凹透鏡反而會放大物體。
可是如果你回想一下光線折射的原理，那你就不會因這些現象而吃驚了。雙凸透鏡在空氣裏能夠放大，是因為玻璃的折射率比周圍空氣的折射率大。然而玻璃和水的拆射率相差不多：所以如果你把玻璃透鏡放在水裏，光線從水裏進入玻璃的時候，就不會偏折得很利害。由於這個緣故，放大透鏡到了水裏，它的放大能力就要比它在空氣裏的時候小得多，而縮小透鏡的縮小能力同樣要小得多。
沒有經驗的遊泳者
沒有經驗的遊泳者常常由於隻是忘記了光線拆射原理所引起的一種奇異的後果，而遭到很大的危險：他們不懂得，折射會把一切浸在水裏的物體提得好象比它真正的位置高。池塘、河流以及每一個蓄水池的底部，在人的眼睛看來都差不多比它的真正深度淺了三分之一。人們如果把這種假象當做真象的話，往往就會陷入危險。關於這一點，兒童和一切身材不高的人特別應當知道，因為他們把水的深度估計錯了，就更有發生生命危的可能。
圖113說明這是怎麼一回事。盆底上m這塊地方，在觀察者（他的眼睛在水上麵的A點）看來，位置好象是升高了：光線受到折射以後，從水裏進入空氣的光線會象圖上所指的路線進入眼睛，而眼睛卻在這些線的延長部分上，也就是在m的上麵看到這部分的盆底。光線的進路越斜，m的位置就越高。這就是為什麼我們從小船上看平坦的池底的時候，常常會覺得直接在我們下麵的那一部分池底最深，而四周就越遠越淺。
所以池底在我們看來似乎是凹形的。反過來，我們如果能夠從池底來看跨在池麵上的橋，那我們就會以為它是凸形的（象圖114那樣；至於攝成這張照片的方法，我們以後再講）。在這裏，光線是從折射率比較小的介質（空氣）走進折射率比較大的介質（水），所以得到的效果就和光線從水進入空氣的時候相反。由於同樣的原因，站在養魚缸前麵的一排人，在魚看來也應當不是筆直的一排，而是成弧形的，這個弧形的凸處向著魚。至於魚到底是怎樣看東西的，或者說得更準確一些，魚如果有人的眼睛，它們應當怎樣看東西，這我們在後麵再談。
看不見的別針
把一個別針插在一塊平的圓形軟木上，然後把別針向下讓軟木浮在水盆裏。假定這塊軟木不太大，而別針又好象有足夠長，使軟木不能遮住你的視線（圖115），可是你無論怎樣斜著頭看，總不能看到別針。
為什麼從別針上來的光線不能到達你的眼睛裏呢？這是因為它們發生了物理學上所謂"全反射"的作用。
讓我們來看這種現象是怎樣形成的。
在圖116裏，我們可以看出光線從水進入空氣（總之是從折射率比較大的介質進入折射率比較小的介質）的路線，以及跟這相反的路線。在光線從空氣進入水的時候，它們會靠近那條法線；舉例來說，依著跟法線成角度β的路線射入水裏的光線，射進水裏以後，就要依著比β角小的角度α的方向前進（圖116Ⅰ，不過現在箭頭所指的方向應該顛倒一下）。
可是在射來的光線掠過水麵，幾乎是跟法線成直角的方向射在水麵上的時候，又該是怎樣呢？它射入水裏的路線跟法線所成的角度一定比直角小，是等於48.5°。射入水裏的光線是不能依著跟法線成大於48.5°角的方向前進的。這個角對水來說就是臨界角。你們以後如果想明白折射原理的許多出乎意料而又非常有趣的後果，就必須先把這個簡單關係弄清楚。
現在我們已經知道，光線在一切可能的角度裏射入水裏的時候，到了水麵以下都要擠在一個相當窄的圓錐體裏，這個圓錐體的頂角是48.5＋48.5=97°。現在我們來看光線取相反方向從水進入空氣的時候，進路是怎樣的（圖117）。按照光學定律，它們的路線跟上麵說的完全相同。包含在上麵說的97度的圓錐體裏的一切光線，在進入空氣的時候，就要沿著水麵以上整個180°空間，依各種不同的角度散開。
那末，那些落在上麵說的圓錐體以外的水底下的光線，都到哪裏去了呢？原來它們都走不出水麵，水麵就象鏡子一樣，把它們全都反射回去了。一般說來，任何一條水底下的光線，如果依著比臨界角（也就是48.5°）大的角和水麵相遇，都不會被折射而要被反射。它們要象物理學家所說的那樣"全反射"。
假如魚類能夠研究物理學的話，光學裏對它們說來最重要的應該是"全反射"，因為這種現象在它們的水底下的視覺裏起著最重要的作用。
許多種魚都有銀白的顏色，這極可能跟水底下視覺的特點有關。按照動物學家的意見，這樣的顏色就是魚類適應蓋在它們上麵的水麵顏色的結果：前麵已經說過，在從下往上看的時候，水麵由於"全反射"，很象一麵鏡子。在這樣的背景前麵，隻有銀白色的魚才不容易被捕捉它們的水裏的敵人發現。從水底下看世界
許多人都想不到，如果我們從水底下來看世界，世界會是怎樣不平凡：它在觀察者的眼裏會變得差不多不能被認出來了。
設想你是在水底下，抬著頭在看水麵上的世界。那些在你頭頂上浮著的雲是一點也不會改變形狀的：因為豎直的光線是不會折射的。可是所有其他物體，隻要它們射出的光線成銳角地和水麵相遇，它們的形象就會被歪曲：它們好象位置越低的被壓縮得越緊光線和水麵相遇所成的角度越小，擠得越利害。這也是可以理解的：水麵上所見的世界既然全部都應該容納在那個狹小的水底下的圓錐體裏；一條180°的弧既然應該縮短到差不多一半，彎成一條97°的弧，那末形象也就自然要被歪曲了。從物體射出的光線如果用10°左右的角和水麵相遇，物體在水裏的像會被壓縮得幾乎認不出來了。可是最使你吃驚的是水麵本身的形狀：從水底下往上看的時候，它們完全不是平的，而是一個圓錐形！在你看起來，你是站在一個大漏鬥的底部，而漏鬥的壁是用比直角稍微大一些的角度（97°）彼此傾斜著的。這個圓錐體的上部邊緣圍著由紅、黃、綠、藍、紫等顏色組成的彩色圈。為什麼會這樣呢？白色的陽光是由各種顏色光組成的，每一種顏色光都有自己的折射率，因此也就有自己的"臨界角"。就是因為這個緣故，從水底下往上觀察的時候，物體也好象是圍著虹彩的光圈了。
那末在這個包含著整個水麵上世界的圓錐體的邊緣以外，還可以看到些什麼呢？那裏展開著一片發光的水麵，它象鏡子一樣，會反映水底下的各種物體。
對水底下的觀察者說來，形狀最特別的是部分浸在水裏部分露在水麵上的物體。讓我們在河裏插一根量水深淺的標杆（圖120）。這時候，眼睛在水底下A點的觀察者會看到些什麼呢？我們現在把四周能被他看到的地方360°分成幾個區，然後對每一個區分別進行研究。在視野1的界限裏，如果河底的亮度足夠的話，他能看到河底。在視野2裏，他能毫不歪曲地看到標杆的在水麵下的部分。在視野3裏，他大約會看到標杆的同一部分的反映像，也就是標杆的浸在水裏部分的倒影（請記住，這裏所說的是"全反射"）。再高些，水底下的觀察者會看見標杆的在水麵上的部分但是它並不和水底下的部分相連接，而是移到高得多的位置上，跟下麵的部分完全脫離開。不用說，觀察者一定想不到這個懸在空中的標杆就是原先那段標杆的延長部分！這一部分的標杆顯然已經大大地被壓縮了，特別是它的下麵一部分那裏的幾條刻度線顯然已經十分接近了。河岸上被洪水淹沒了一半的大樹，從水底下看的時候，就應該象圖121裏所畫的那種樣子。