在水族館發現「無頭生物」！？牠的真面目，還有水面擴散的神奇物理現象
科學教練 Kuwako Ken 登場！每天都是一場實驗。
突然來個小測驗。先看看這段影片吧。畫面裡有個黑色物體正在游動，你猜那到底是什麼呢？
咦！？這到底是啥啦！
像是沒有脖子的神秘生物正在移動。
猜到了嗎？其實那是企鵝！
這段影片是在東京晴空塔旁邊的「墨田水族館」拍攝的。攝影機從水槽正下方往上拍，所以畫面變成像是在水裡仰望企鵝的視角。很神奇的是，從這個角度看，企鵝的脖子居然完全消失了！
在墨田水族館裡學物理
前幾天我去了墨田水族館。這裡最有名的，就是室內那座超大的企鵝水槽。從二樓往下看時，可以直接俯瞰整個水槽。
從二樓看下去，可以很清楚看到水槽底部的藍色。
走到一樓後，則可以從下方向上仰望水槽，用「水中視角」觀察企鵝。而文章一開始那段影片，就是在那裡拍到的。
不過，當你從下方往上看時，還會看到另一個超奇妙的景象。
透過水槽往上看天空時，畫面會很明顯分成兩部分：
一部分能清楚看到外面的世界，
另一部分卻只剩下一片藍色，完全看不到外面。
感覺就像水裡突然開了一扇圓形窗戶一樣。
其實在箱根園水族館，也能看到同樣的現象。一起看看下面這段影片吧。
那片藍色，其實是水槽底部混凝土塗上的藍漆。
但問題來了：
為什麼外面的世界，看起來像是被「圓形裁切」了一樣呢？
這條神秘的邊界，到底是什麼？
答案藏在「全反射」裡！
這種現象，其實和「光的折射」以及「全反射」有非常深的關係。
如果把視線稍微往上移，就能看到天花板的燈光。光具有「可逆性」，也就是說，光走過的路徑反過來追蹤，也能知道它原本從哪裡來。
接著，慢慢把視線往下移。
你會發現，在某個角度上，畫面會突然從「看得到外面世界」，瞬間切換成「只能看到水底藍色」。
這個切換點，就叫做「臨界角」。
利用高中物理會學到的「史涅耳定律（折射定律）」來計算：
空氣的折射率約為 1，
水的折射率約為 1.33，
算出來的臨界角大約是 48°。
高中生可以試著用計算機輸入 arcsin 算看看喔！
也就是說：
當你從水中，以比 48° 更淺的角度（靠近水面方向）往外看時，就能看到外面的景色。
但如果角度比 48° 更深（更接近正上方），光線就會發生全反射，外面的景色完全消失，只剩水底的顏色。
另外，實際水族館裡還有玻璃與空氣之間的折射，所以真正的角度會比 48° 再稍微大一點。
因為這條邊界在 360° 每個方向都會以相同角度出現，所以最後看起來，就像是一扇漂浮在水中的圓形窗戶。
企鵝也透過這扇「窗戶」看著我們嗎？
再來看一次從二樓往下拍的照片。
從上面看時，整個水底幾乎都是藍色。
但從水裡往外看時，只有那個圓形窗戶範圍內，看得到外面的世界。
換句話說，也許企鵝們正是透過那扇「水中的窗戶」偷偷觀察著我們呢。
想到這裡，是不是突然覺得，好像會跟企鵝對到眼一樣？
下次去水族館時，記得一定要試著從下方往上看水槽。你會發現，課本裡的「光的折射」，其實就在眼前真實上演。
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