文／簡麗賢

學生問我：「國文老師要我們請教您，海市蜃樓的物理成因是什麼？國文老師要我們寫作時也學習能加入『科學』元素。」

「老師，為什麼一條馬路上，遠遠看好像有一灘積水，近看卻沒有？好奇怪喔！」「老師，電視新聞報導，廣東的民眾看到海面上的高樓和山脈，專家學者解釋是『海市蜃樓』現象。什麼是海市蜃樓現象？」

海市蜃樓是一句成語，簡單說是虛幻不真實的現象。

唐代詩人李白的詩〈渡荊門送別〉中有一句：「月下飛天鏡，雲生結海樓」，用淺白的話說：「一輪皎潔明月在天空螢幕移轉，如同一面在空中飛行的明鏡，雲層與城郭結合，幻化成海市蜃樓。」

角度路況 影響折射



李白寫出空氣中若隱若現的海市蜃樓幻景，可見古今皆有大自然光學的海市蜃樓現象。以往普遍認為「炎熱的天氣」，是看見柏油路面上的「假積水現象」及「倒影」的主要成因。但是在2016年的全國科展得獎作品中「國王的海市蜃樓」，經過觀察與實驗發現，地面與上層空氣的溫差並非必要條件，反而和「入射光的角度」、路面的平坦程度及路面的性質有關。

李白筆下的「月下飛天鏡，雲生結海樓」，「雲生結海樓」可能與廣東的民眾看到海面上的高樓影像類似。而學者對媒體記者以科學概念推論的海市蜃樓現象，也許可從物理的幾何光學──光的「折射」與「反射」說起。

光的折射和反射現象是許多人在讀國中時，學過的幾何光學名詞──光在溼度和密度不均勻的空氣中傳播，而產生的物理現象。

光線偏好 較高溫層



若氣壓一定，空氣密度可隨溫度升高而減小，對光的折射程度也隨之減小。大氣是由一層層折射程度不相同的介質密接組成。到了夏天，海面上的空氣溫度比空中低。遠處的山峰、樓閣發出的光線射向空中時，由於空氣的折射程度下層比上層大，光線不斷被折射，進入溫度較高的一層，入射角不斷增大。當光線的入射角增大到某一程度的角度，就會發生光線在交界面全部反射，不會出現穿透介面而偏折射入的現象，觀察的人就會看到遠方如夢似幻的景物懸掛在空中。

前面提到光線遇到不同物理特性，如「密度」不同的兩層物質，在接觸的交界面會產生一部分光線反射回到原來的物質中，另一部分光線會穿透接觸面而改變行進方向，偏折射入另一物質中，這是折射。折射的方向與原來入射方向不同，偏向射入意指折射。光線在兩種不同物理特性的物質中，傳播行進的方向不同，偏向的程度可用物理學名詞「折射率」表示，光在折射率相差較大的兩種物質中行進時，偏向的角度會較大。

海市蜃樓是光線在不同物質中傳播時造成的虛像，是夢幻，也是詩人文學的寄託。許多古詩詞優美的文句中，除了暗喻詩人寄託的文學情意外，也隱含科學的物理，耐人尋味。



冷暖空氣 產生虛像

光從光速較快的物質射入光速較慢的物質時，例如光從空氣中斜向射入水中時，其折射線偏向法線，入射角會大於折射角。

當光線遇到不同的物質種類或物理狀態時，光線會偏折，如插圖所示，光線從溫度較高的暖空氣進入溫度較低的冷空氣時，因為冷空氣和暖空氣的密度不同，因此光線偏折程度也不同，顯現光會轉彎。由於人的眼睛視覺效果，以為偏折後光線的延長線交集處是真正的物體，其實不然，那只是真實物體的虛像，看到的虛像卻以為是真正的實體，是人眼視覺的錯覺囉！