平面鏡成像為何左右相反 但上下沒有顛倒?


平面鏡成像為何左右相反 但上下沒有顛倒?

如果以國中理化程度回答可說:「因為我們會想像自己從側面繞到鏡子裡面。」

高中物理程度回答:光的反射現象會造成物體沿著與鏡子垂直的方向反轉。如果是直立於地面的鏡子,會讓物體前後反轉。如果鏡子平擺在地面,那麼立於鏡上的物體便會上下顛倒。

用座標來看最清楚

假設鏡子放在 𝑥𝑦平面前方,鏡面法線方向是 𝑧軸。

那麼鏡射的效果就是:(𝑥,𝑦,𝑧)→(𝑥,𝑦,−𝑧)

可以發現

𝑥不變 → 左右沒直接變

𝑦不變 → 上下沒直接變

z 變號 → 前後反轉

大學程度,可以用群論回答

鏡像不是單純旋轉 𝐶𝑛,而是反射 𝜎。而我們的大腦常常拿它去和一個旋轉後的物體比。所以感受到「左右相反」,其實是:

鏡映操作σ

再加上腦中做的

旋轉操作C2​

兩者混在一起造成的視覺印象

這就是手性(chirality)的核心。

有些分子和它的鏡像:

看起來像左右手 彼此是鏡像 但不能靠純旋轉重疊

這表示:

鏡映不是旋轉群中的元素

或者更精確地說:

旋轉是 proper operation

鏡映是 improper operation

所以一個手性分子如果沒有 𝜎、𝑖、𝑆𝑛這些操作,就可能是手性的。

至於電子上下自旋的性質,與「鏡射」操作無關(不是手性),不是給予上自旋態「鏡射」操作就變成下自旋態,而是要給予旋轉操作π才會變成下自旋態,通常就是利用π電磁脈衝造成自旋翻轉。

|+1/2>(z) 翻轉成|-1/2>(z) 不是鏡映操作而是旋轉,例如在BLOCH SPHERE 以x軸翻轉180度,實務上就是π pulse