为什么地平线上的月亮大一些？

有没有这样的经历？傍晚放学了，背着书包往家走。路口一转弯，忽然看到一轮巨大的红月亮漂浮在地平线上，像是日本漫画的唯美场景。Sheldon小时候就容易望着月亮发呆：为什么地平线上的月亮看起来比高高挂在空中的月亮大一些呢？

记得曾经从一本科普书中读到，利用现代科学仪器测量月亮影像在视场中的张角，得到的结果是30角分左右。这在眼底也就占据了0.15 mm宽的地方[1]。可以推测，月亮变大应该是一种错觉。那么，错觉又是怎样引起的呢？那时候，Sheldon有晚上抬头观察星空的习惯，那个姿势保持久了容易脖子疼，这是不是引起错觉的原因呢？为了验证这个想法，Sheldon改成躺在房顶上看空中的月亮，这就和站着看地平线上月亮的姿势一样。按照Sheldon的理论，这时空中的月亮也会变大。于是专门等半夜月亮升高时爬起来试验了一下——瞬间就被证伪了。在民间搞理论就是不靠谱啊。

就像绝大多数生活中的物理问题一样，最早研究这个问题的人又是亚里士多德，而且像他的其他物理定律一样，这种哲学思辨论述最终被实证推翻了。公元前4世纪的时候，他猜想月亮的影像变大了，是因为月光被地平线附近的空气折射，所以看起来比空中要大一些[6]。即使不会做月光折射的计算，现在的你也很容易超越亚里士多德的见识。因为当你激动地用普通相机把月亮拍下来时，就会发现照片里的月亮毫不起眼，像是卸了妆的当红明星，让人大失所望。古代没有这个条件，所以直到一千四百多年后，阿拉伯物理学家阿尔哈桑（Alhazen）才纠正了亚里士多德的错误，认为这种效应是主观感知的结果[6]。

事实上，不仅仅是月亮，就连太阳，以及夜空中的星座，在地平线附近时都会看起来比在天空中时大一些。地平线附近总会有许多人类熟悉的事物，例如山脉，房屋，大树等等。对比之下，月亮就会显得大很多。这种现象可以用著名的庞佐错觉（Ponzo illusion）来解释。这个错觉最先是由意大利心理学家马里奥·庞佐（Mario Ponzo）发现的。如果把一张纸卷成一根管子，来一次管中窥月，就会发现地平线上的月亮马上变正常了[1]。

这个解释并不能让人满意，因为当飞机上的飞行员在空无一物的地平线上观察月亮时，仍然会有这样的错觉[1]。这其中一定还有别的原因。会不会是距离的原因呢？纽约长岛大学心理系的两名研究者做了一个实验，他们用电子设备投影出两个立体的虚拟月亮，一个可以用键盘调节远近的感受（也就是视差），一个固定在远处作为参照。实验要求被试者在水平位置，和45°角的位置分别调节其中一个“月亮”的远近，使它刚好位于被试和用于参照的“月亮”的正中间，这样就得到了两个“月亮”在人类心中的相对距离。实验的结果是，在被试的主观感受中，水平线上的“月亮”看起来要比天空中的远4.2倍[5]。这个结果不难理解，不信你抬头去看天空的云，是不是感觉地平线附近的云要比头顶的远得多呢？

为什么感觉较远的月亮看起来反而大呢？如下图所示，人们感受大小时，不单单靠比较物体在视场中占的角度，还要比较物体的距离[5]。在角度相等的情况下，如果你知道其中一个物体距离更远，你的大脑就会把它的尺寸估计的更大一些。上述结果发表在2000年的《美国科学院院报》上，感觉够权威了吧？可是仍然有人不信服。

威斯康辛大学白水分校的两位研究者认为大家一开始就搞错了。月亮的张角确实没有变化，但人们所感知到的张角却大不相同。和比较照片上物体大小的原理不一样，人们比较不同距离的物体时，眼睛的焦距会略微变化。当人们的目光从地平线附近的物体移到月亮时，会觉得月亮的张角会略微变大一些，叫做眼动巨视效应（oculomotor macropsia）；相反，当人们注视天空中孤零零的月亮时，又会发生眼动生微视效应（oculomotor micropsia）。这两位研究者认为，眼动效应才是导致月亮大小变化的真正原因[3]。

这种说法有没有道理呢？2006年，华盛顿大学和明尼苏达大学的研究者在《自然-神经科学》杂志上发表了一篇文章。他们通过功能性核磁共振成像（fMRI）得出结论，如果两个物体张角相同，离得远的那一个在视网膜上占据的面积反而更大；同时，它在大脑视觉皮层中激活的区域也更大！这说明人类的视觉系统很早就在加工物体大小和远近的信息了。这个科学实验从一个方面支持了眼动效应的解释[3,8]。

虽然地平线上月亮变大的问题看似简单，现代科技武装的科学家也做了不少研究，却没有形成标准答案。以上都是人们经常提到的观点，除此之外，还有很多理论剑走偏锋，看似古怪，却也不乏合理之处[2,4]。目前最新最全的资料是海伦·罗斯（Helen Ross）和柯尼利斯·普拉格（Cornelis Plug）的一本288页的书，叫《月亮幻觉之谜》[7]。如果你意犹未尽，就想办法弄一本来看看吧。

[参考文献]

[1] http://science.nasa.gov/science-news/science-at-nasa/2007/27jun_moonillusion/

[2] http://www.lhup.edu/~dsimanek/3d/loony.htm

[3] http://facstaff.uww.edu/mccreadd/

[4] http://www.lhup.edu/~dsimanek/3d/moonillu.htm

[5] http://www.pnas.org/content/97/1/500.full

[6] http://en.wikipedia.org/wiki/Moon_illusion

[7] http://www.amazon.com/Mystery-Moon-Illusion-Helen-Ross/dp/019850862X

[8] http://www.nature.com/neuro/journal/v9/n3/full/nn1641.html

本文已发表于果壳网 自然控主题站 《地平线上的月亮为什么大一些？》