影子相互吸引的真正原因是什么？黑滴效应你理解错了！

我最近发现一个问题，影子之间相互吸引这个现象，大家都把它叫做“黑滴效应（Black drop effect）”，但其实这个叫法并不准确，这个现象应该叫做“阴影气泡效应（Shadow blister effect）”，而黑滴效应Black drop effect一词最早出现在对于金星凌日的观测中，两个现象的成因并不一样，因此不建议混为一谈。更主要的是，网上一般对于阴影气泡效应的解释是由于半影的重叠，这个解释也是不正确的。下面我们来具体的说一下两种效应的解释和区别。

阴影气泡效应指的是，两个阴影相互靠近的时候，会出现某个阴影凸起的现象，看起来像是影子之间相互吸引。注意，这个现象首先指的是两个影子之间的现象，其次严格来说这个现象只会出现在两个物体与光源的距离不同的情况下。什么意思呢，比如说我是一个光源，制造阴影的两个物体需要错开一定的距离，然后再平行的相互靠近的时候，阴影之间才会出现所谓的气泡效应。为什么会这样的？确实与本影和半影有关，但也不是通常理解的那样。首先因为生活中不存在理想的点光源，所谓理想的点光源就是指光源是从一个理想的点发射出来的，但是生活中不管是蜡烛还是灯，太阳就更不用说了，它们都是有宽度的，这就会导致这些光源在照射物体的时候会出现本影和半影之分，如图所示，

光源完全照射不到的区域就叫做本影，而有一部分光源能够照射到的区域就叫做半影。当然如果接收屏距离物体比较远，还会出现伪本影的区域，这个我们先不考虑。先来说本影和半影。本影很好理解了，因为光源完全照射不到，所以简单理解本影就是一个完全黑暗的实体阴影。那问题来了，半影应该是什么样的呢？在很多示意图上看到的半影都是一片灰色的区域，这存在一定的误导性，会让很多人误以为半影就是介于明与暗之间具有单一亮度的区域，实际上不然，生活当中我们也没有发现这种半影。也很简单，我们说半影就是只有一部分光源能够照射到的区域，那这一部分是多是少呢？你仔细看图就会发现，越靠近本影的半影区域，能够照射到的光源越少，所以这部分几乎就是暗的。相反，越远离本影的半影区域，能够照射到的光源就会越多，所以这部分几乎就是亮的。因此结论就是半影区域的亮度是渐变的。

所以这个示意图如果是这样的就对了。这也是我们会发现生活中的阴影的边缘大多都是模糊的原因，本质原因是它并不是模糊了，而是半影所致。

好，那我们再考虑回刚才的例子，当两个距离光源不同的物体相互平行靠近的时候，第一反应确实是半影之间首先会重叠在一起，但是首先重叠在一起的半影都是最亮的那部分，这会是出现阴影气泡的主要原因吗？显然不是。主要原因很简单，是因为当两个物体相互靠近的时候，由于遮挡关系会导致离光源较远的物体，它的本影会变大。各位仔细看这个示意动画就明白了，因此本影的改变才是出现阴影汽包效应的主要原因。我们也可以推导出以下结论，在阴影气泡效应当中，哪个影子发生了较大的形变，那么这个影子对应的物体就是离光源较远的物体。那么半影对于阴影气泡效应有什么影响呢？随着两个半影的交汇越来越大，逐渐的比较暗的半影也会开始重叠，这时确实会让重叠的区域看起来更暗，但这只是在视觉上加重了阴影气泡效应的产生，而并非本质原因。

下面我们再考虑一种情况，如果两个物体与光源等距，会发生什么呢？首先在遮挡关系上，就不会发生由本影改变带来的阴影气泡效应了，但这个时候好像看起来影子也会吸引？这主要就是由于半影之间的重叠而产生的视觉效果了，而当两个物体距离足够小的时候还要考虑衍射带来的影响，这些因素都会加重阴影汽包效应的产生。各位也可以用拇指和食指捏成一个小缝来模拟阴影气泡效应，首先呢，可以保持食指的位置不动，先把拇指放到食指前面，再把拇指放到食指后面，通过对比就可以发现阴影气泡的变化。你会发现两种情况下，阴影的凸起是不一样的。如果恰好拇指和食指距离眼睛的距离相同，阴影气泡效应就不会出现了，如果控制好两个指头之间的距离，应该还能看到阴影之间会出现亮的光斑，这就是经典的单缝衍射现象了。总结来说，阴影气泡效应就是由于遮挡关系导致本影变化，加之半影重叠和衍射现象带来的视觉效果。

好，下面我们再来说黑滴效应是什么意思呢？黑滴效应是天文学家在观测金星凌日的时候发现的现象，金星凌日指的就是当金星处于日地之间的时候，那我们在地球上，就会发现金星会在太阳上形成遮挡。我们之前说过，通过金星凌日就可以求出日地距离。所以早期天文学家对于金星凌日是很重视的，但是金星凌日的周期又很长，所以每一次观测都是难得的机会。当金星和太阳边缘第一次接触的时候，就叫做第一次接触，以此类推金星凌日一共就会出现四次接触。最早的时候人们发现第二次接触的时候，就是当金星进入太阳区域，马上要和太阳边缘分离的时候，金星的影子和太阳的边缘像是有什么液体黏住了一样，甚至会拉长出很长一段距离，这就严重影响了人们对于第二次接触的准确时间的判断。所以就把这个现象叫做黑滴效应。那我们不难发现，黑滴效应与阴影气泡效应是有着本质不同的，黑滴效应里根本就不存在半影重叠的问题，因为太阳本身就是光源。那黑滴效应是什么原因造成的呢？我看了最新的一篇相关论文，作者认为主要原因有两个，一个是拍摄设备的缺陷造成的，主要要看拍摄设备的点扩散函数。说白了就是好的设备拍摄出来的金星凌日，黑滴效应就不那么明显，差一点的设备就比较明显。另外一个原因是太阳的周边昏暗效应导致的。就是太阳这个光源并不是亮度均匀的，而是中心最亮，越到边缘亮度越低。这也很好理解，因为恒星的密度就是中间大边缘低，而温度也是中间高边缘低。所以太阳的周边昏暗就会加重黑滴效应的形成。这就是黑滴效应的成因。其实最开始的时候人们认为是金星的大气导致的，但是后来发现有的时候拍摄水星凌日也会出现黑滴效应，但是水星是几乎不存在大气层的，这样就把大气层的因素排除了。之所以说是设备原因所致，也是因为全球的观测者有的人就拍到了黑滴效应，有的人就没拍到，这就更加确定这不是一种纯粹的天文现象，而是观测设备的问题。不过要想再次验证这个结论就要等到下次金星凌日的时候了。下次什么时候呢？2117年，将近100年，93年。其实要想模拟黑滴效应，大家可以在一些绘图软件比如PS当中，画两个黑色的圆，然后把它加上模糊，当两个模糊的圆相互靠近的时候，就好像两个阴影相互吸引一样，实际上就是由于视觉效应造成的。

好，至此两种效应的区别和解释我应该是说清楚了。那么本期视频就到这，我是妈咪叔，一个较真儿的理工男，咱们下期见，拜拜。