“妈妈，为什么月亮总跟着我走？”妈妈眉头一皱，发现问题并不简单……｜张双南专栏

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原创 2017-09-19 张双南 果壳科学人

作者：张双南，中科院高能物理研究所研究员

编辑：婉珺

有人问我：为何在高速运动的汽车或火车上看到远处的动物是静止的？

这是一个挺有趣的问题！让我们来扩展一下这个问题：为什么远处的物体跟着我跑？为什么晚上月亮跟着我走？

我记得这些问题在我上初中的时候困扰过我一段时间，和小朋友们的争论最后都变成了抬杠，问家长和老师却被怼了回来。那时候也没有别的信息来源，只好自己琢磨，好在后来自己终于琢磨清楚了。

实际上，出现这种困扰的根本原因就是视觉效应。

我们的大脑判断某个物体是否运动，首先要选择一个相对于自己静止的参照物，因为只有相对运动才有意义；然后确定两个方向，一个是我们的视线到参照物的方向，另外一个就是我们的视线到那个物体的方向。我们大脑是根据参照物的选择和视角的变化来判断物体的运动的，如果我们的眼睛告诉我们的大脑这两个方向之间的夹角变了，我们的大脑就认为这个物体相对于参照物动了，否则就认为物体没动。

至于为什么远处的物体跟着我跑？为什么月亮跟着我走？我们一步一步地来回答。

判断物体的运动状态，

为什么我们容易“近对远错”？

首先我们看看如果自己不动，我们怎么判断物体是否运动。

我们可以很方便地选择自己的身体作为参照物。马在我面前不远的地方跑过去，我得扭脖子转眼球才能盯着他，很显然我的视线到马的方向相对于我的身体变了很多，所以我认为马在跑。

但是，如果马在离我很远的地方以同样的速度往同样的方向跑，如下图所示，我的视线到马的方向就几乎没有变化，因此我的大脑就判断不出来马是否在跑。

所以，对于近处物体的运动情况，我们的判断比较准确；而对于远处的物体，就经常会出现错觉。

同样是静止的事物，

为什么我们给出了不同的判断？

如果我们自己也在运动，道理基本上一样，但是情况就稍微复杂一点儿了。下面我就用在高铁上看铁道旁边的树和远处草原上的马作为例子来说明这个现象。

由于我在高铁上，如果我观测的对象只有一个，我就只能以我自己和高铁作为参照物，也就是我的大脑得出物体是否运动就是相对于我和高铁是否运动。

首先我无视远处的马和草原，只看铁道旁的一棵树。

12:00:00的时候，树在我前方约45度角的方位，一秒钟之后，树已经在我后方约45度角的方位，为了追着看这棵树，一秒内我的脖子和眼球一起要转90度，这么剧烈的运动只能让我的大脑得到结论：树后退的好快！

然后我无视树，只看远处的马和草原，情况如下图所示。

由于马和草原距离高铁很远，无论是12:00:00还是一秒钟之后，马和草原都在和高铁运动方向几乎垂直的方向，我的脖子和眼球不需要动就能够盯着马和草原，所以我的大脑就判断马和草原根本就没有动！当然马相对于草原的运动也不会改变马在我视线方向的角度（跑多快都没用），因此我的大脑只能判断马并没有动。

但是，如果我们同时看树和远处的马，由于它们在我们视线方向的运动很不一样，我们的大脑就得选择一个参照物。一般来讲，大脑总是选择离得近而且看得清的物体优先作为参照物，在这种情况下就是铁道旁边的树。

我们看到的图像就是：近处的树在我们眼前很快就闪过去了，但是远处的马和草原在我们的视觉里没有变化。

由于我们的大脑选择了树作为参照物，我们就会先得出结论：高铁在向前跑（正确），然后再根据远处的马和草原在我们的视觉里没有变化这个现象，得到另一个结论：远处的马和草原跟着高铁一起跑（错觉）。

所以，为什么月亮会跟着我们走？

实际上，我们在晚上觉得月亮跟着我们走就是同一个道理。

由于在晚上我们只能选择离我们最近的物体作为参照物，我们沿直线快速走路的时候前进的方向相对于参照物的视线方向就不断变化，因此我们知道自己真的在快速走路。但是月亮很远，月亮的视线方向相对于我们直线前进的方向是几乎不会改变的，所以大脑就得出了月亮跟着我们走的错觉，和在高铁上觉得远处的物体跟着高铁跑是一样的道理。参照物的选择和视角的变化仍然是关键词！

我相信很多父母都被孩子问过这些问题，而能够给孩子讲清楚这个道理的父母大概不多。读完了这篇文章，父母们以后就可以愉快地回答孩子们的这些问题了！

作者名片

排版：晓岚

题图来源：123RF

科学人问答

张双南专栏精彩回顾：

第一则：我知道宇宙有多迷人

第二则：打通科学圈的“任督二脉”

第三则：如果掉进黑洞，我们能看到什么？

第四则：科学家的日常都在做些什么

第五则：宇宙中遥远的相似性

第六则：浩瀚的宇宙是我们的征途