奇妙之光

    朋友们，您们知道什么是海市蜃楼吗？海市蜃楼形成的科学原理是什么？在人类历史上都有那些关于海市蜃楼的历史传说？请听我慢慢道来。

    首先我们来看什么是海市蜃楼？

    海市蜃楼简称“蜃景“，它指的是一种自然的光现象，也称”光学幻景“。在我国蓬莱等一些地方的海面，江面，湖面以及一些地方的戈壁沙漠，有幸我们会偶尔看到一种奇妙的光学现象——在空中凭空出现一些高大的楼台，城廓，人物以及树木等幻景，这些幻景非常逼真，就好象真实地在那里存在一样，让人匪夷所思（见图1）。

    其实，海市蜃楼这种自然现象不仅现在有，远在古代，就有这方面的记载。宋朝著名科学家沈括在他的著作《梦溪笔谈》中写道：“登州海中，时有云起，如宫室，台观，城堞，人物，车马，冠盖，历历可见，谓之”海市。

    根据我国古代传说，蜃是蛟龙的一种属性，它能使蛟龙吐气，从而产生楼台城廓，而海市呢，则是海上神仙居住的地方，因此人们把这个由蛟龙吐气产生的物体或疑似神仙居住的地方称为“海市蜃楼”。

    显然古人对海市蜃楼的解释并非科学。大家现在已经知道了，海市蜃楼绝非蛟龙吐气产生，也不是什么神仙居住的地方。而是一种自然的光学现象——由于地球上的物体反射的光经过大气折射而形成的一个虚像。

    光的基本性质之一就是光在均匀介质中是沿直线传播的，这一结论在我们日常生活中很容易得到证实：如太阳光底下站立出现的人的影子；太阳光穿过茂密的树林而出现的直射的光线。然而一旦光遇到两个介质的分界面时，光的方向就会发生改变，产生反射和折射。一个光以另一角度返回原介质，称为反射光，另一光则射到另一介质，称为折射光（见图2）。

    大家知道，我们生活中的空气并不是一个均匀的介质，一般情况下，空气的密度是随高度的增大而递减的，高度越高，密度越小。当光线穿过不同高度空气层时，就会产生折射。

    现在假设我们在海边看到一幅悬浮在海平面上方的物体。但那是幻影，此时在这个地方并不存在此物体，但它确实存在，只不过是在海平面以下的另外某一个地方。

    光是沿着直线传播的，所以如果没有发生海市蜃楼，您是看不到这个真实的场景的，因为真实的物体处于海平面以下，但由于这时空气层下密上疏，这样来自这个物体的光线先由密的气层逐渐折射进入稀的气层，并在上层发生全反射后，折回到下层密的气层中来，经过这弯曲的线路，进入观察者的眼中，于是我们就看到了位于地平线以下的某个物体的像了（见图3）。这就是海市蜃楼形成的科学原理，简单吧！

    有关海市蜃楼的历史故事或传说很多，许多都与秦始皇有关，这里可列举一个例子。

    大约在公元前221年，秦始皇用武力统一了中国。他自封为“皇帝”，因此称为秦始皇，也是中国历史上第一个皇帝。然而就在这一年，在临洮出现了一个奇特的现象。当地的老百姓在天空中看到了十二个行走的巨人，这些巨人每个人的身高都有五丈长，非常高大，并且都穿着夷狄少数民族的服装。

    消息传到首都咸阳。秦始皇马上召集群臣来商量此事。讨论的结论是，这一现象是一个祥瑞，标志着天下从此太平，不再发生战争。秦始皇非常高兴，令人在民间广泛收集散落的兵器，并将其运到咸阳，熔化后，对应在空中出现的十二个巨人，铸成十二个金人，放在宫廷各处，以昭告天下从此太平。

    大家看看，古人是不是比较愚昧，其实也不能完全怪他们，因为当时的科学技术并不发达，所以只好这样解释了！大家想想，科学是不是很重要；掌握了科学，是不是就可以了解到自然界中出现的一些奇妙现象的奥秘了？

    （作者系合肥工业大学仪器科学与光电工程学院副教授，中国光学学会光电技术专业委员会委员）