Księżyc: olbrzym istniejący tylko w naszych głowach

Pamiętam wschód księżyca w pełni, gdy zapadał wieczór. Najpierw zauważyłem poświatę na wschodzie rozświetlającą płaski horyzont na ciemniejącym niebie, a po chwili księżyc wznosił się ponad nim. Wyglądał na ogromny! Wydawał się być tak blisko, że niemal mogłem go dotknąć. Wpatrywałem się w niego przez chwilę, a potem się uśmiechnąłem. Zdawałem sobie sprawę z tego, co naprawdę widzę – iluzję Księżyca.

Każdy, kto obserwował Księżyc (lub Słońce) w pobliżu horyzontu, doświadczył tego efektu. Księżyc wygląda wtedy na ogromny, znacznie większy niż wtedy, gdy znajduje się wysoko na niebie. Jestem astronomem i wiem doskonale, że Księżyc nie ma większych rozmiarów na horyzoncie aniżeli w zenicie, lecz nie zmienia to faktu, że tak go widzę. Wrażenie jest przemożne, jednak nie odpowiada prawdzie. Proste pomiary pokazują, że Księżyc jest zasadniczo taki sam na horyzoncie, jak nad naszymi głowami. To naprawdę jedynie złudzenie.

Iluzja ta znana jest od dawnych czasów – opisano ją pismem klinowym na glinianej tabliczce z asyryjskiego miasta Niniwa, datowanej na VII wiek p.n.e. Próby jej wyjaśnienia są równie stare, jak ona sama, a większość była nieudana. Jedną z nich podjął na przykład Arystoteles, przypisując iluzję zamgleniu nieba.

Nie miał racji; mamy z nią do czynienia nawet przy idealnie czystym niebie. Zbliżona koncepcja, wciąż rozpowszechniona, głosi, że atmosfera ziemska działa niczym soczewka, załamując światło księżyca i powiększając jego widome rozmiary. Wiemy jednak, że to nieprawda, ponieważ Księżyc jest mierzalnie tej samej wielkości bez względu na to, gdzie znajduje się na sferze niebieskiej. Analiza tego wyjaśnienia pod względem fizycznym również pokazuje, że jest ono niepoprawne. Wprawdzie atmosfera w pobliżu horyzontu faktycznie działa jak soczewka, ale w konsekwencji Słońce i Księżyc wyglądają na ściśnięte, jak spłaszczone owale, a nie są wprost powiększone. Zatem to również nie może być przyczyną.

Innym powszechnie spotykanym, lecz błędnym wyjaśnieniem jest to, że kiedy Księżyc znajduje się nisko nad horyzontem, podświadomie porównujemy go z pobliskimi obiektami, takimi jak drzewa i budynki, co sprawia, że wygląda na większy. Ale to nie może być prawdą, ponieważ iluzja ta wciąż występuje, gdy horyzont jest pusty, na przykład na morzu lub na rozległych równinach. Ponadto, jeśli jesteśmy w mieście i widzimy Księżyc wysoko na niebie między budynkami, wydaje się on mieć normalny rozmiar, zatem to także nie jest rozwiązanie.

Wszakże nie ulega wątpliwości, że księżyc w pobliżu horyzontu wygląda na większy. Eksperymenty przeprowadzone w latach 50. i 60. przez psychologów poznawczych Irvina Rocka i Lloyda Kaufmana wykazały, że ludzie postrzegają księżyc jako znacznie większy na horyzoncie – czasami nawet trzykrotnie większy niż wtedy, gdy znajduje się on wysoko nad głową. Jednak gdy brak wizualnych odniesień dotyczących pozycji księżyca, iluzja znika. Jeśli spojrzymy na niego na przykład przez rurkę ręcznika papierowego, wygląda tak samo niezależnie od tego, w którym miejscu na niebie się znajduje.

Jaka jest zatem przyczyna? Podobnie jak w wielu przypadkach w nauce, w grę wchodzą dwa efekty. Jednym z nich jest iluzja Ponzo (nie należy jej mylić ze schematem Ponziego, oszustwem inwestycyjnym). Jest ona bardzo prosta, lecz sugestywna. W jej najprostszej wersji dwie równoległe poziome linie tej samej długości (jak w znaku równości) są umieszczone między dwiema liniami, które są prawie pionowe, lecz zbiegają się lekko u góry. Gdy patrzymy na poziome linie, górna z nich wydaje się dłuższa, mimo że obie są tej samej długości. Praktycznie niemożliwe jest, aby nie postrzegać ich jako nierównych.

Może tu być wiele wariacji, przy czym wszystkie opierają się na oszukiwaniu mózgu przez wykorzystanie perspektywy. Interpretujemy dwie niemal pionowe linie nie jako nachylone ku sobie, lecz jako równoległe, choć zbiegające się w oddali, niczym tory kolejowe. Ten efekt, w którym linie w dwuwymiarowej przestrzeni wydają się spotykać w pewnym punkcie, zwanym znikającym punktem, jest często wykorzystywany w sztuce do odzwierciedlania względnych odległości.

Kluczem w tym przypadku jest to, że dwie poziome linie są tej samej długości. Nasz mózg zdaje sobie z tego sprawę, lecz zarazem traktuje górną linię jako bardziej oddaloną. Jeśli jest dalej i ma ten sam pozorny rozmiar, zgodnie z pokrętną logiką zastosowaną przez mózg, musi być fizycznie dłuższa niż dolna linia, zatem widzimy ją jako dłuższą. Jest to bardzo podobne do intrygującej iluzji zwanej pokojem Amesa, w której zniekształcone ściany i kąty sprawiają, że dwie osoby tego samego wzrostu wydają się mieć zupełnie inne rozmiary w zależności od tego, w którym miejscu pokoju stoją.

Iluzja Ponzo jest podstawą złudzenia wielkiego księżyca, lecz to nie wyczerpuje sprawy. Gdybym zapytał was, jaki kształt ma niebo nad waszymi głowami, zapewne odpowiedzielibyście, że jest to półkula – połówka kuli. Ale w istocie nie postrzegamy tego w ten sposób. Gdyby tak było, zenit, czyli punkt znajdujący się wprost nad nami, widzielibyśmy w takiej samej odległości od nas, jak punkty na horyzoncie. Tymczasem eksperyment po eksperymencie pokazuje, że jest inaczej – widzimy horyzont jako bardziej odległy, a niebo nad głową jako bardziej przypominające miskę z płaskim dnem, z zenitem bliżej nas. Nie jest to zbyt zaskakujące. Jeśli jesteśmy na dworze w pochmurny dzień, chmury w górze są faktycznie blisko, co najwyżej pięć kilometrów nad nami, podczas gdy te w pobliżu horyzontu mogą być oddalone nawet o ponad 100 km. Zatem wyewoluowaliśmy w ten sposób, że myślimy o niebie jako spłaszczonym.

Teraz połączmy obie te rzeczy – gdy Księżyc znajduje się na horyzoncie, sądzimy, że jest dalej od nas. Jednakże rozmiar księżyca na sferze niebieskiej w rzeczywistości się nie zmienia, zatem nasz mózg interpretuje to tak, że księżyc wydaje się ogromny. Gdy księżyc znajduje się wyżej, traktujemy go jako bliższy, stąd wygląda na mniejszy.

Co zaskakujące, wyjaśnienie to, przynajmniej częściowo, zostało podane około 1000 lat temu. Genialny średniowieczny filozof Ibn al-Haytham badający ludzkie widzenie i optykę, wniósł znaczący wkład w obie te dziedziny. Przeanalizowawszy iluzję księżyca, słusznie zauważył, że obiekt o tym samym rozmiarze będzie wyglądał na mniejszy, jeśli będzie traktowany jako bliższy, natomiast na większy, jeśli będzie dalej. Uważał przy tym, że obiekty tła, takie jak drzewa czy budynki, sprawiają, że księżyc wydaje się bliższy, a tym samym większy, co teraz wiemy, że nie jest poprawne. Uchwycił jednak podstawową ideę i zbliżył się do prawidłowego wyjaśnienia bardziej niż wielu innych, którzy żyli znacznie później.

Błędne przekonania dotyczące wielkości księżyca na niebie są wciąż rozpowszechnione i jak wiele mitów, zapewne nie znikną, bez względu na to, ile ludzie tacy, jak ja, będą o tym pisać. Niemniej w tym przypadku znamy właściwe wyjaśnienie i jest to jeden z paradoksów nauki – wiemy, skąd bierze się ta iluzja, a mimo to ona uparcie się utrzymuje.