在泳池睜開眼睛會模糊，為什麼魚卻看得清楚？
― 人的眼睛，要有空氣才能對焦
就算在水中睜開眼睛，眼睛本身其實什麼都沒壞。消失的，是眼睛最外層那個「和空氣的交界面」。人的眼睛，把約三分之二的對焦工作都交給了這個交界面。而魚的眼睛，一開始就沒打算依賴它。
你想撿起掉在泳池底的鑰匙，鼓起勇氣在水中睜開眼睛。眼睛明明睜開了，看到的卻只是一團模糊的顏色。
但一戴上蛙鏡，同樣的水中景象立刻變得清晰。這說明並不是水本身混濁。
而在同一片水裡，魚卻靈活地找到了小小的食物。魚的眼睛裡，到底藏著什麼呢？
原因大致有兩個
使光線彎曲的，其實不是內側的水晶體，而是更外側的角膜。不過角膜能讓光線彎曲，僅限於它外側是空氣的時候。
角膜的成分幾乎是水。當外側也變成水，對光來說就等於沒有交界面了，光會直接穿過去。
反過來說，如果要打造像魚一樣「一開始就在水中生活的眼睛」，就必須用角膜以外的方法讓光線彎曲。接下來我們依序來看。
讓光線彎曲的，究竟是哪裡
光只有在斜向穿過性質不同的物質交界面時，前進方向才會改變。表示這種彎曲程度的數值稱為折射率，空氣約為1.00，水約為1.33。數值差越大，光彎曲的程度就越大。
人類角膜的折射率約為1.38。與空氣的1.00相差約0.38之多，而且角膜是向前凸出的球面。所以從外面來的光，會在角膜表面被大幅向內彎折。光靠這一個步驟，就能負擔眼睛所需對焦能力的約三分之二。
剩下的三分之一，由內側的水晶體負責。水晶體是看近物時能改變厚度的調節專員。也就是說，人的眼睛把「大幅彎折」和「微調」分工給了不同部位。
進到水裡後，發生了什麼事
角膜成分中，重量近八成是水。所以折射率也接近水，僅約1.38。與水的1.33相差，只有0.05而已。
對光來說，這個差距幾乎等於「沒有交界面」。難得的球面也派不上用場，光幾乎筆直地進入眼睛。單靠剩下的水晶體力量不足，光無法在視網膜上匯聚，而是在其後方很遠的地方才匯聚。圖1右側就是這種狀態。
蛙鏡之所以有效，並不是因為鏡片有度數。它只是在眼睛前方重新製造出一個空氣的空間，讓角膜外側再次接觸空氣而已。只要把失去的交界面還給眼睛，眼睛本身完全沒變，卻能恢復平常的視覺。
魚是怎麼解決這個問題的
魚的角膜外側也是水。所以對魚來說，靠角膜讓光線彎曲這個辦法，一開始就用不上。於是魚把彎折光線的工作，全部交給了水晶體。
因此魚的水晶體，不像人類那樣是扁平形狀，而是接近完美的球形。硬得可以用手指夾住，從眼睛取出時看起來就像一顆小玻璃珠。而且它的構造是越靠中心折射率越高，所以雖然是單一球體，光線也不會模糊，能匯聚在一點上。
對焦方式也不同。人是改變水晶體的厚度，但魚的水晶體很硬、無法改變形狀。取而代之的是用小肌肉，讓水晶體本身前後移動。這和相機鏡頭伸縮對焦是同樣的做法。圖2右側，並列呈現了這種差異。
企鵝和鸕鶿，在空氣中和水中都能找到獵物。這類鳥類角膜彎曲程度較平緩，且能大幅改變水晶體形狀，據信能靠自身調節能力，補足進入水中後不足的部分。海獅和海豹則是用另一種方法，把角膜變得幾乎是平的，一開始就打造出適合水中的眼睛。相對地，在陸地上時，牠們的視覺被認為會呈現輕微近視的狀態。
戴著隱形眼鏡下水，不僅鏡片可能被沖走，水中的微生物還可能停留在鏡片和眼睛之間。雖然罕見，但據說可能導致難以治癒的角膜感染，日本的眼科學會和製造商都建議，游泳時應取下隱形眼鏡，或改用有度數的蛙鏡。
總結
在水中會模糊，並不是因為眼睛輸給了水。而是因為人的眼睛，本來就是以「空氣」這個零件為前提組裝而成的。魚沒有依賴這個零件，而是選擇了球形硬式水晶體這個不同的答案。同樣叫作「眼睛」，內部卻是不同的設計圖。
人的眼睛，要搭配空氣才算完整。
魚的眼睛，一開始就是搭配水而完整的。
光在交界面彎曲的故事，在插進水裡的吸管，為什麼看起來像折斷了？中，可以看到更貼近生活的呈現方式。而在暗處變得看不清楚，則是另一套機制。也請一併參考從明亮的地方走進暗房，為什麼會暫時什麼都看不見？。
- 在洗臉盆裝水並把臉浸入，用裸眼看放在盆底的花紋毛巾。接著戴上蛙鏡再看同一樣東西，明明是同一盆水，看到的樣子卻完全不同。
- 在空杯子底部放一張小圖片，從上方往下看。接著慢慢往杯裡倒水，會發現圖片的位置看起來稍微浮起來了。這就是水和空氣的交界面讓光線彎曲的證據。
- 如果買了整條魚，可以觀察眼睛的部分。在看起來黑黑的部分深處，藏著一顆又硬又透明的球體。可以看出它和人類眼睛的水晶體形狀完全不同。
把臉浸入水中驗證時，請務必使用淺的洗臉盆，並在大人陪同下進行。如果眼睛感到疼痛，請立刻停止，並用自來水沖洗。
想知道更多 ― 用語、公式與教科書的關聯從國中理科到大學專業科目，都明確標示屬於哪個程度
- 國中國中理科課程範圍
- 高中高中「物理基礎・物理（波與光）」課程範圍
- 高中＋高中進階內容，或教科書專欄性質的內容
- 大學高中不會教、屬於大學專業科目（生理光學・比較眼科學）的內容
- 研究連大學都還不當作「定論」教授、研究者正在調查中的內容
國中用語：這個現象是有名字的
- 折射率：表示光在該物質中前進有多困難的數值。以真空為1，空氣約1.00、水約1.33、角膜約1.38。
- 屈光度（折射力）：表示透鏡或球面能讓光線彎曲多少的量。單位是屈光度（diopter），數值為以公尺測量的焦距的倒數。
- 調節：依觀看距離改變對焦的作用。人類是改變水晶體厚度，多數魚類則是讓水晶體前後移動。
國中高中用公式驗證：進入水中後，眼睛會失去多少屈光度
這篇文章的主題是「角膜在水中會失去多少能力」。我們用球面折射公式，把這個量本身算出來。
| 用符號表示 | P ＝ ( N₂ － N₁ ) ÷ R |
| 用文字表示 | 屈光度 ＝ （後側折射率 － 前側折射率） ÷ 曲率半徑 |
| 公式的來源 | 這是把光在交界面彎折的規則（折射定律），套用在光通過眼軸附近時的公式，稱為球面折射公式。若交界面前後的折射率相同，右式的減法就會變成零，彎折能力也就消失。 |
| 角膜的折射率 | 約為 1.376 |
| 空氣的折射率／水的折射率 | 約 1.000 ／ 約 1.333 |
| 角膜表面曲率半徑（符號為 R，單位為公尺） | 約 0.0078（7.8毫米） |
| 整個眼睛所需的屈光度 | 約 60 屈光度 |
| 與空氣的差距 | 1.376 － 1.000 ＝ 0.376 |
| 空氣中角膜的屈光度 | 0.376 ÷ 0.0078 ≒ 48 |
| 與水的差距 | 1.376 － 1.333 ＝ 0.043 |
| 水中角膜的屈光度 | 0.043 ÷ 0.0078 ≒ 5.5 |
| 進入水中後損失的量 | 48 － 5.5 ＝ 42.5 |
| 相當於幾副老花眼鏡（2.5） | 42.5 ÷ 2.5 ＝ 17 |
整個眼睛所需的約60屈光度中，計算下來消失了42.5。老花眼鏡的度數約為2.5屈光度，相當於瞬間失去了17副眼鏡份量的能力。難怪會模糊。
高中高中＋魚的球形水晶體，威力有多強
高中魚的水晶體是球形，只要半徑確定，焦距也幾乎確定。半徑的約2.55倍即為焦距，這個關係自古就為人所知，稱為馬蒂森比（Matthiessen's ratio）。若水晶體半徑為3毫米，也就是0.003公尺，則2.55 × 0.003 ＝ 0.00765，即是以公尺表示的焦距。在水中的屈光度為 1.333 ÷ 0.00765 ≒ 174，是人類整個眼睛約3倍之多。等於連角膜的份也一併由它一手扛起。
高中＋如果用一般玻璃球做同樣的事，通過周邊的光會比通過中心的光更早匯聚，導致影像模糊。這種現象稱為球面像差。魚的水晶體是一種越靠中心折射率越高的漸變折射率透鏡，幾乎能抵消這種像差。光線在透鏡內部呈現平緩曲線路徑，是它和均勻玻璃球的決定性差異。
大學模型眼與比較眼科學看到的水中視覺
眼科學中，會使用把角膜和水晶體簡化成幾個球面的古爾斯特蘭德模型眼（Gullstrand eye model），來統整處理眼睛的光學特性。若把這個模型的外側介質從空氣換成水，本文的計算便能完全重現，顯示會呈現約40屈光度以上的遠視狀態。漸變折射率透鏡的設計理論，以及水陸兩棲動物的調節機制，都是比較眼科學的主要課題之一。
📖 公式推導及更深入的內容：屈光度（日文維基百科） ／ 水晶體（日文維基百科）
研究目前尚未完全明朗的部分
- 折射率梯度是如何形成的。 魚類水晶體折射率的梯度，據信是由名為「晶體蛋白（crystallin）」的蛋白質濃度分布所決定，但即使身體成長，這個梯度形狀是如何維持的，目前尚未完全解釋清楚。
- 人類透過訓練能看到什麼程度。 有報告指出，海洋民族的孩童即使裸眼在水中也展現出很高的視力，據信是縮小瞳孔起了作用。但透過訓練究竟能重現到什麼程度，目前仍有爭議。
- 水陸兩棲視覺的極限。 對於能在空氣中和水中都維持高視力的動物，牠們究竟靠調節能力補足了多少不足之處，各物種的測量結果差異很大，尚未有統一的解釋。
也就是說，本文的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。眼睛的光學雖是歷史悠久的領域，但各種動物的細部構造，至今仍在持續研究之中。
與教科書的關聯（依程度區分）
| 程度 | 科目・單元 | 對應本文何處 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科・光的行進方式／眼睛的構造 | 光在交界面彎折、水晶體與視網膜的作用 |
| 高中 | 物理基礎・物理（波與光、折射定律） | 球面折射公式與屈光度的計算 |
| 高中＋ | 物理進階（透鏡像差） | 球面像差與漸變折射率透鏡 |
| 大學 | 生理光學・比較眼科學 | 古爾斯特蘭德模型眼、水中視覺分析 |
| 研究 | 視覺生理學・發生生物學 | 折射率梯度的形成與維持機制 |
| ― | 與生活的關聯 | 蛙鏡有效的原因、水中應取下隱形眼鏡的原因 |
- 屈折力（屈光度） ― 日文維基百科（屈光度與diopter的定義）
- 水晶体（水晶體） ― 日文維基百科（水晶體的構造與調節）
- 依據古爾斯特蘭德模型眼（Gullstrand eye model）的角膜與水晶體屈光度標準數值。廣泛收錄於眼科學及生理光學相關教科書中。
- 馬蒂森比（Matthiessen's ratio，魚類球形水晶體中焦距約為半徑2.5倍的關係）。源自19世紀L. Matthiessen的報告，至今仍被比較眼科學的綜述論文引用。
- 關於戴隱形眼鏡游泳的注意事項。依據日本眼科相關學會及製造商的一般性說明。
※本文為大眾科學解說。文中所列數值僅為幫助理解原理的參考概算值。關於眼睛不適或隱形眼鏡的使用，請遵循眼科醫師或製造商說明書的指示。