为什么看远处的路灯，会眯起眼睛看到“星芒”？

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深夜独自走在街头，也许是出于无聊，也许是因为近视没戴眼镜，你试着眯起眼睛看向远处的路灯。

突然间，那原本模模糊糊的光晕变成了一道道锐利的光束，像漫画里的“星芒”。
之所以会这样，是因为当你眯起眼睛时，上下眼睑会通过肌肉收缩靠拢，将原本圆形的瞳孔遮挡成一条水平方向的狭缝。此时，衍射发生了。这个现象早在1660年，就被一位名为弗朗切斯科·玛丽亚·格里马尔迪（Francesco Maria Grimaldi）的意大利物理学家详细记录。

光本质上是一种波。当光波遇到障碍物或者穿过狭缝时，它不会乖乖地走直线，而是会发生弯曲和扩散。根据惠更斯菲涅耳原理[1]，狭缝限制了光波的传播，导致光在垂直于狭缝的方向上发生扩散。

既然你的眼睑构成的狭缝是水平的（左右方向），那么光线就会在垂直方向（上下方向）产生最强烈的衍射[2]。

这就是为什么你眯眼时，首先看到的是一条贯穿天地的垂直光柱[3]。这和你透过窗帘缝隙看阳光会看到垂直光带是同一个道理。从数学上讲，这其实是你的眼睑在对入射光做一维傅里叶变换，频域的延展方向与空域的压缩方向刚好垂直[4]。
但事情没那么简单。如果你仅仅是用两张扑克牌模拟狭缝放在眼前，你会发现虽然也有衍射，但光柱并没有那么“油润”和拉长。
这就涉及到了流体力学。你的眼球表面并非干燥的，覆盖着一层泪膜。当你眯眼时，上下眼睑的挤压会导致泪液在眼睑边缘积聚，形成一个弯月面（Tear Meniscus）。根据2006年发表在《Ophthalmic Surgery, Lasers and Imaging》上的研究，这个弯月面在光学上等效于一个柱面透镜[5] 。

这个液体柱面透镜在垂直方向上有很强的屈光力，但在水平方向几乎没有。它就像是你临时给眼睛戴上了一副做工极差的散光眼镜，把点光源在视网膜上强行拉伸成了一条垂直的线 。所以，那道垂直的“圣光”，很大程度上是你的泪水扭曲了世界。
如果你眯眼的程度再精细一点，或者你的睫毛比较长，你会发现光芒不仅仅是垂直的，而是呈放射状的“海胆”形态。

这时候，你的睫毛充当了光栅（Diffraction Grating）的角色。人类的睫毛并不是整齐排列的，它们杂乱无章、粗细不一，且向各个方向生长。根据巴比涅原理（Babinet's Principle）[6]，一根阻挡光线的睫毛产生的衍射图样，与一个同样形状的透光狭缝是一样的。

每一根睫毛都会产生一条垂直于它生长方向的衍射光刺。因为你有大约100到150根随机取向的睫毛，这些光刺在视网膜上叠加，就形成了向四面八方炸裂的星芒 。
更有趣的是，这其实是一种“内视现象”（Entoptic Phenomenon）[7]，也就是你看到的图像反映了你眼睛内部的结构 。如果你在有风的夜晚观察，或者快速眨眼，你会发现那些星芒在闪烁、跳动。那不是路灯在动，而是风吹动了你的睫毛，或者眨眼改变了泪膜和睫毛的排列组合 。

有人可能会问，为什么看日光灯管或大面积光源时这种现象不明显，而看远处的路灯特别明显？
这涉及光的空间相干性（Spatial Coherence）[8][9]。

衍射条纹的清晰度取决于入射光的相干性。远处的路灯对人眼而言近似为点光源，其发出的光波在到达瞳孔时具有较高的空间相干性。这使得来自狭缝上下边缘的波列能够产生高对比度的干涉条纹。相反，大面积光源由无数个互不相干的点源组成，它们产生的衍射图样在视网膜上相互重叠、平均化，导致条纹模糊或消失。
有时候，你不必眯眼也能看到“星星”，但这是有条件的，那就是距离。

如果你盯的对象是夜空中的金星或远处极亮的车灯，那么你依然可能看到微弱的星芒，通常是五角星或六角星的形状。这解释了为什么人类几千年来画星星都要画成尖角的，而不是圆点的。
这锅得由你的晶状体来背。晶状体并非一块完美的玻璃，它是由蛋白质纤维层层包裹生长而成的，结构有点像洋葱。这些纤维在汇聚点会形成“缝线”（Sutures）。在胚胎发育期，这些缝线通常呈“Y”字形（前表面是正Y，后表面是倒Y）。

这些微米级的Y型结构破坏了光学的完美对称性。光线通过时会在这些缝线处发生衍射。根据傅里叶光学，一个Y型孔径会产生对应方向的星芒。这就是为什么我们每个人眼中都有自带的“星光滤镜”，而且随着年龄增长，晶状体纤维密度的变化会让这种散射变得更加明显。
这种光学缺陷并非人类独有。
哈勃太空望远镜拍出的照片中，明亮的恒星周围总是有十字形的星芒（下图[10]）。那不是恒星的喷流，而是望远镜内部支撑副镜的十字支架（Spider Vanes）造成的衍射。

那不是恒星的喷流，而是望远镜内部支撑副镜的十字支架（下图，Spider Vanes）造成的衍射。

而最新的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST），它的星芒则是六角形的（下图[11]）。

这是因为它那巨大的主镜是由18块六边形镜片拼接而成的，再加上三根支撑杆的衍射效应叠加，最终形成了独特的八角星芒（其中两根重合看起来像六角加小刺）。
从某种意义上说，你可以看见星芒，其实是在用自己的身体模拟一台生物版的低分辨率哈勃望远镜。
参考

• ^惠更斯-菲涅耳原理是波动光学中描述波传播的基本方法，核心思想是波前（wavefront）上的每一点都可以看作新的点波源，发出球面次波（secondary wavelets），这些次波的干涉叠加形成新的波前。该原理结合惠更斯（Huygens）的“次波”概念和菲涅耳（Fresnel）的“相干叠加”和“衍射干涉”思想，能解释光的反射、折射，尤其能精确描述衍射（diffraction）和干涉现象。
  
• ^https://physics.stackexchange.com/questions/34222/squinting-at-street-lights
  
• ^https://phys.libretexts.org/Bookshelves/University_Physics/University_Physics_(OpenStax)/University_Physics_III_-_Optics_and_Modern_Physics_(OpenStax)/04%3A_Diffraction/4.02%3A_Single-Slit_Diffraction
  
• ^https://rafael-fuente.github.io/simulating-light-diffraction-with-lenses-visualizing-fourier-optics.html
  
• ^https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/16643896/
  
• ^巴比涅原理是光学和电磁学中的一个基本原理，它指出，一个不透明物体产生的衍射图样，与一个具有相同形状和大小的孔隙的互补衍射屏在夫琅禾费衍射区域产生的图样是完全相同的。简单来说，两个互补的衍射屏（如一个障碍物和同等大小的孔）产生的远场衍射图案，在强度上基本一致。这个原理适用于所有波的衍射，并简化了对复杂结构（如细丝）的衍射分析。 https://en.wikipedia.org/wiki/Babinet%27s_principle
  
• ^https://en.wikipedia.org/wiki/Entoptic_phenomenon
  
• ^https://en.wikipedia.org/wiki/Coherence_(physics)
  
• ^https://physics.stackexchange.com/questions/34222/squinting-at-street-lights
  
• ^https://en.wikipedia.org/wiki/Diffraction_spike
  
• ^https://science.nasa.gov/mission/webb/multimedia/images/#first-images