为什么镜子里的图像会左右翻转，却不会上下翻转？

如果你照过镜子，你可能会注意到你看到的一切都被翻转了。当你举起左手时，你镜子里的影子也会举起右手。当你眨右眼时，你镜子里的影子的左眼也会眨眼。如果你写了一条信息并举起来，你会看到你的镜子里也举着同样的牌子，但所有的东西都倒过来了，甚至连单个字符本身都是如此。看起来你在镜子里看到的一切东西的左右都颠倒了。但是，出于某种原因，上下似乎并没有颠倒。你的镜子里的影子仍然脚踩在地上，天花板在上面，你镜子里写的所有字母都没有颠倒过来，而是保持正面朝上。

为什么会这样？不仅仅是人类会经历这种情况：无论你是海星、昆虫、水母、长尾小鹦鹉还是猫——无论是在太空、地球还是宇宙中的任何其他地方——你都会看到同样的东西。当你看着安装在任何一面墙上的镜子时，它们似乎都是左右颠倒的，而不是上下颠倒的。这根本不是镜子的缺陷；这是反射在基本层面上工作的结果。

当你在镜子中反射文字时，每个字母和字母顺序都会反转。如果文字可以在现实和镜子中双向阅读，则称为镜像对称文字。

首先你必须认识到，我们这里的环境并没有什么特别之处。就镜子和反射而言，没有什么特别之处：

· 我们人类的眼睛，

· 我们的地球，

· 我们基于重力上下的方向，

· 或者光的本质，

我们可以打开或关闭重力；我们可以将自己旋转任意角度，甚至绕任意轴旋转 45°、90° 或 180°；我们可以给自己增加眼睛或感官；我们可以以任何我们喜欢的配置重新排列我们周围的物体。尽管进行了这些修改，我们仍然会看到上还是上，下还是下，镜子中的一切都会像左右互换了一样。

说明这一点的最好例子之一是考虑镜子中旋转的球，并从两个角度考虑它：一个角度是球绕着垂直轴旋转，就像熟练运动员手指上的篮球一样；另一个角度是球绕着水平轴旋转。

从哈林篮球队队员 TNT Lister 的角度来看，平衡旋转的篮球似乎从她的左侧向右侧旋转：与将球传到手指上的儿童相同，即逆时针旋转。如果这张照片是从 TNT Lister 的镜面反射拍摄的，那么篮球似乎会以相反的方向从右向左（顺时针）旋转。

当你让球绕着垂直轴旋转时，你可以考虑一下有两种方法可以做到这一点。要么，如果你从上面“向下”看这个球，你会看到它似乎在顺时针旋转，从前面到右边到后面到左边再到前面，要么逆时针旋转，方向完全相反。

如果球是顺时针旋转的，你可以用左手模仿。如果你用左手将拇指向上，你会注意到你的手指是顺时针卷曲的。顺时针旋转的球也遵循同样的方向。

但是现在，看看镜子中的球和你的左手。如果你再次从上方“向下”看那个球，你会看到它正在逆时针旋转。如果你顺着球上最靠近你的点，你会看到它向右向后移动，远离你，然后远离并回到中心，然后靠近并向左移动，然后更靠近并回到中心。这种逆时针运动可以用你自己的右手来描述，显示出镜子再次似乎将左手换成了右手，而上下方向保持不变。

左图为水平旋转的篮球及其镜面反射。篮球上的文字不仅从左到右翻转，而且篮球的旋转现在也绕同一水平轴朝相反方向进行。尽管镜子并不完全上下翻转，但它们也不完全只左右翻转。

那么如果我们让球绕其水平轴旋转会怎么样呢？镜子会如何处理呢？

想象一下，你把球放在你面前，这样它就夹在你两个指向彼此的食指之间。我们再次有两种旋转方式，所以让我们选择一种：正手旋转并远离你。如果我们从球上最靠近身体核心的点开始，你会看到它移动：

· 离你而去，

· 然后再回到中间，但仍然远离你，

· 然后从中间往下走，回到你身边，

· 然后回到中间，朝着你，

然后它返回到其初始位置。这种“下手”旋转是您可以做出的一种选择；相反，它会导致“上手”旋转。（如果您曾经参与过关于哪种方式才是挂卫生纸卷的“正确”方式的争论，您就会认出这两个可视化。）

但这一次，当你照镜子时，发生了什么？左右都一样。上下都一样。但球呢？镜像版的球看起来不是以下手旋转，而是以上手旋转。

如果照片中的女人朝镜子走去，从相机的角度来看，她的球会逆时针旋转，而她的球的镜像看起来会顺时针旋转。如果你在她移动时追踪球上的任何假想点，你就能准确地追踪出镜子中物体的运动与现实世界中物体的运动有何不同。

这个例子让大多数人感到惊讶。当然，它显然是绕着垂直轴对称的；如果你沿着你的中心画一条假想线，让球绕着水平轴旋转，很明显，你的左半边和右半边是完全对称的。镜子里的倒影也是如此：左右看起来完全对称。

当然，镜子里仍然用右手代替了你的左手。镜子里的右手对应你的左手；镜子里的左手对应你的右手。从镜子里看，他们的球和你自己看的球一样，向上移动并远离他们的身体，然后向下远离，然后向下靠近，然后向上靠近，回到初始位置。

但是，如果他们从自己的角度看到他们的球在“下手”旋转，那么从他们的角度看，你的球似乎在“上手”旋转。镜子似乎也在翻转那个球的旋转方向。

当球绕水平轴旋转时，它的倒影也会旋转。但是，无论你选择哪个视角，都会有一些东西发生翻转，这取决于你是观察实际物体还是镜面反射：哪个物体更近或更远，哪个物体靠近你或远离你。

如果我们足够聪明，可以识别出这个例子中的镜子，那么它就是一个非常有力的线索。想象一下——我们可以在这个例子中想象任何我们喜欢的东西——绕水平轴旋转的球现在是透明的。我们要做的是在这个球上创建一个我们可以跟踪的点，就在它的赤道上，就像我们用永久性记号笔在一个透明玻璃球上画了一个点一样。

现在，从我们在真实宇宙中的角度，我们将追踪我们的点和镜子中出现的点的位置。同时，从最靠近我们身体的点开始，我们看到的是：

· 真实的点离我们最近，离镜子最远，所以镜像点从我们的角度来看离我们最远，

· 那么真实的点就会上升，离我们越来越远，但离镜子越来越近，而镜像点则会上升，离我们越来越近，

· 然后，在达到最大高度后，真实点会下降，同时到达距离我们最远但最靠近镜子的点，而镜像点同样会下降，同时到达距离我们最近的点，

· 然后，真实的点开始在下降过程中靠近我们，远离镜子，而镜像点则继续下降并远离我们，

· 然后，真实的点在达到其最低高度后，再次上升，越来越靠近我们（并且离镜子越来越远），直到它回到原来的位置，而镜像点也以类似的方式上升，离我们越来越远，离镜子越来越远，直到它也回到它的初始位置。

介子是一种复合粒子，在衰变前绕轴旋转。介子衰变时，它们会沿特定轴和特定方向发射电子。某些介子是右旋的：如果你沿着介子旋转的方向弯曲手指，电子会优先沿右手拇指指向的方向发射。然而，镜子中的宇宙却拥有与我们相反的“旋性”。

如您所见，在此示例中，左右完全不起作用。我们只是在看一个上下移动的点，同时也在前后移动。当真实点似乎向上移动时，镜像点似乎也向上移动。当真实点似乎向下移动时，镜像点似乎向下移动。这里没有上下翻转。

但也没有左右翻转！

如果你用一个透明玻璃球和一个画上的点进行同样的实验，但让球绕着垂直轴而不是水平轴旋转，你会注意到：

· 当你的点向左移动时，镜像点也会向左移动，

· 当你的点移回中心时，镜像点也会移到中心，

· 当你的点向右移动时，镜像点也会向右移动，

· 当你的点回到中心时，镜像的点也会回到中心。

显然，有些事情正在发生，但从左到右的变化也没有得到反映。

我们通常在镜子中看到从左到右反射的文字，因为镜子安装在垂直表面上。如果我们将镜子安装在水平表面上，例如“火灾出口”标志上方，我们会看到从上到下反射的文字，而不是从左到右。然而，镜子实际上既不反射上下，也不反射左右；你看到的内容取决于它们的方向。

然而，镜子确实是反射面。它们不会上下切换，也不会左右切换。相反，镜子所做的是从后向前反射：第三（深度）维度！

想想当你照镜子时会发生什么。光——即使是从房间其他地方反射到你身体上的环境光——也来自你身体的每个部分。没有哪个角度是看不见你的，因此光一定是向四面八方辐射的。

你能看到任何东西的唯一方式是光进入你的眼睛，就像照相机、望远镜或其他观察者能看到任何东西的唯一方式是光子（或光线）在特定位置（特定的时间和地点）与其相互作用一样。所以如果我们想知道你会看到什么以及在哪里看到，你需要做的就是追踪光线：从你身体的任何部位发射出来，从镜子反射（遵循控制光学的物理定律），最后到达你的眼睛。根据光传播的总距离和入射角度，你的眼睛和大脑就会推断出镜子中的“图像”是什么。

当你看着镜子中的自己时，你会看到自己的身体两侧颠倒。当你举起左手时，镜子中的自己举起对方的右手。当你眨右眼时，镜子中的自己也会眨左眼。当你将某物移离自己时，镜子中的自己会将该物体移近镜子另一侧的你。光学就是原因所在。

如果你的身体是半透明的，让你能看到自己身体内部，你会发现一切都被前后翻转了。当你举起你的左手时，看起来好像你的指甲离你更近，你的手掌离你最远，你的拇指在右边，你的手指朝上。这就是左手的样子。

但在镜子中，同一只手的指甲离您最远，手掌离您最近，拇指在右边，手指朝上。如果您举起（真正的）右手，但手掌朝向您的脸，您就会看到这样的景象。在镜子中：

· 左手变成右手，

· 写作被翻转为“镜像”写作，

· 顺时针旋转的物体看起来像是逆时针旋转，

· 以上皆是如此，反之亦然。

但原因并不是因为镜子会把物体从左到右翻转；它们不会。相反，它们会把物体从前到后翻转，这就是我们所看到的东西的解释。

这幅图中的文字看起来和镜子里的文字一样。然而，这并不是这里显示的文字的反射，而是透明表面的另一侧：你看到的是文字的背面，而不是正面。镜子不会上下左右翻转，而是前后翻转，而镜子的安装方式决定了其余部分。

在物理学中，如果镜子中发生的事情与现实中发生的事情无法区分，那么就存在一种特殊的对称性：宇称对称性。大多数物理定律都尊重这种对称性，但不是全部。特别是，每当有放射性衰变时，你就有破坏这种对称性的风险，因为粒子有自旋、自旋轴和衰变方向，就像你的手有手指弯曲的方向和拇指指向的方向一样。右手和左手本质上是不同的——就像手性分子彼此不同一样——有衰变方向的旋转粒子也是如此。对于那些有衰变方向的粒子，宇称就会被破坏，就像右撇子的人的倒影看起来是左撇子一样。

镜子的工作原理最了不起的地方在于它们完全独立于观察者。如果我们的眼睛在垂直方向而不是水平方向上分开，镜子仍然会从前到后反射。如果我们处于零重力状态，如果我们只有一只眼睛，如果我们是旋转对称的海星等，它根本不会改变我们在镜子中看到的东西。唯一的区别是事物是从前到后反射的，这会改变镜子中出现的所有事物的“手性”，无论我们如何看待它。