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炎熱的夏天為什麼總覺得馬路上有水?海市蜃樓的原理——《跟著網紅老師玩科學》

時報出版_96
・2019/08/25 ・3039字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 519 ・六年級

不知道大家在炎熱的夏天,有沒有看過這樣一個現象:

在不遠的前方,路面上好像有一灘水,還映出了前車的倒影,但我們走近一看,其實路面上根本沒有水。

你並沒有出現幻覺,這是一種光的折射和全反射現象,通常稱為「海市蜃樓」。

馬路上似乎有著前方車子的水中倒影。圖/《跟著網紅老師玩科學》提供

原來,這是因為光線會轉彎

我們說過光在不同介質間傳播的時候,方向通常會發生變化。例如一束光從空氣斜射進入水中,會向下偏折。出現折射的原因是因為光在不同介質中的傳播速度不同。人們用折射率 n 表示光在不同介質中傳播速度的不同,折射率 n 等於真空中光速 c 與介質中光速 v 的比: n = cv ,也就是說,介質的折射率 n 愈大,光在介質中傳播的速度 v 愈小。

顯然,真空中光速 v = c ,折射率 n = 1。空氣中光速接近於真空中光速,因此,其他介質中光速都小於真空中光速,折射率 n>1 。

介質折射率
空氣1.0003
1.309
水(20℃)1.333
普通酒精1.360
麵粉1.434
玻璃1.500
翡翠1.570
紅寶石1.770
水晶2.000
鑽石2.471

折射率主要由介質材料所決定,但是與光的波長也有一定關係,這就是上述的色散現象,上表中的折射率指的是這種材料對光的平均折射率。

光線在折射率不同的兩種材料中傳播時,角度的關係滿足司乃爾定律,用荷蘭物理學家威理博.司乃爾的名字命名。

在司乃爾定律裡,當光由介質1傳播到介質2,兩種介質的折射率n及與法線的夾角θ關係為:n1sinθ1=n2sinθ2。圖/《跟著網紅老師玩科學》提供

其中 n 是折射率, θ 是介質中光線與法線的夾角, sinθ 是正弦函數,在 0 ~ 90° 的區間內是一個遞增函數,也就是說,角度 θ 愈大, sinθ 也會愈大。透過這個公式我們就會發現,如果材料的折射率 n 比較大,介質中的角度 θ 就小,這種介質就稱為「光密介質」;如果材料的折射率 n 比較小,介質中的角度 θ 就大,這種介質就稱為「光疏介質」。

例如空氣相對於水就是光疏介質,水相對於空氣就是光密介質。光從空氣射入水中,折射率變大,折射角小於入射角,因此光線向法線偏折。

走出不去的光:全反射現象

如果光線從水中射入空氣中,情況又是如何呢?由於水是光密介質,角度較小,空氣是光疏介質,角度較大,因此光線會向水面偏折。如果增大水中光線的入射角,空氣中的折射角也會增大,在某個時刻,空氣中的折射角達到 90° ,此時就稱為「掠出射」。如果繼續增大入射角,折射光線無論折射向哪裡都不合理。此時會出現一種奇特的現象,折射光線消失,只剩下反射光線,這種現象就稱為「全反射」。

虛線箭頭為「掠出射」,此時折射角到達了 90°,而灰色箭頭則是「全反射」,此時光線被反射回水裡。圖/《跟著網紅老師玩科學》提供

全反射在生活中有很多應用,例如光纖就是利用光線在內芯和外套之間反覆全反射傳播訊號。

光纖即是運用全反射的原理,讓光快速的傳播。圖/《跟著網紅老師玩科學》提供

所謂的海市蜃樓,究竟從何而來呢?

現在我們就可以解釋「海市蜃樓」了,先說說什麼叫「蜃」呢?

古老的傳說裡,龍有眾多的子嗣,蜃則是其中一個大有來頭的兒子。圖/《跟著網紅老師玩科學》提供

龍生九子,各不相同,其中有一個兒子就叫蜃,蜃喜歡吞雲吐霧,在海上把東西都吞到肚子裡,一會兒又吐出來,這時人們就可以看到有些東西浮在海平面上。這只是一種神話傳說,「海市蜃樓」實際上是一種光的折射現象,在海洋和沙漠中都可能出現。

傳說蜃會在海上把所有東西吞到肚子裡,再吐出來,讓人們看到各式各樣不可思議的事物漂浮在海面上。圖/《跟著網紅老師玩科學》提供

在海洋上,海水比熱更大,也就是說,在接受太陽照射時,海水不容易升溫。在強烈的太陽照射下,靠近海水的地方,空氣溫度比較低,密度較大,折射率較大,屬於光密介質;高層空氣溫度較高,空氣受熱膨脹,密度較小,折射率較小,是光疏介質。光線從光密介質射向光疏介質,就像從水中射向空氣一樣,折射角變大,光線會趨於水準。假如海面上有一艘船,這艘船反射出的光線向上射,就會在各個不同的空氣層之間發生折射,發生彎折。

當光線從密度大逐漸傳播至密度小的介質,再全反射回密度大的介質。圖/《跟著網紅老師玩科學》提供

如果在還沒有發生全反射時,光線就進入人眼,就會以為物體在遠方的高處,形成正立的蜃景;如果光線在傳播過程中發生全反射,人們逆著光線看去,就會看到倒立的蜃景。

以海面上的海市蜃樓為例,光線的傳播路徑如實線所示,虛線則是人們以為物體所在的地方。圖/《跟著網紅老師玩科學》提供

沙漠中的海市蜃樓成因剛好與海洋上相反,沙子的比熱很小,所以靠近沙漠的地方,空氣溫度比較高。空氣受熱膨脹,密度較小,折射率較小,是光疏介質;上層的空氣距離沙子較遠,溫度相對較低,空氣密度相對較大,折射率較大,也就形成了光密介質。光線從上向下照射時,從光密介質進入光疏介質,相當於從水射向空氣,折射角變大,光線偏向水準。當折射角增大到一定程度時,就會發生全反射而向上照射。

當光線從密度大逐漸傳播至密度小的介質,再全反射回密度大的介質。圖/《跟著網紅老師玩科學》提供

例如有一朵雲彩飄在空中,反射的光線經過折射和全反射被地面上的人觀察到。大腦會認為光線依然是直線傳播,因此判定雲彩在地下。雲彩不會在地下,所以人們會認為地面上有一個可以反射光線的物質,那就是水,這就是沙漠中海市蜃樓的原理。由於沙漠中沙子的溫度非常高,形成蜃景的光線在靠近沙子時一定會發生全反射,所以在沙漠中的海市蜃樓都是倒像。

在沙漠的海市蜃樓裡,光線的傳播路徑如實線所示,虛線則是人們以為物體所在的地方。圖/《跟著網紅老師玩科學》提供

炎熱的夏天,馬路上的溫度也非常高,形成的效果與沙漠相同。在靠近地面的位置,光線很容易發生全反射,映出車輛的倒影,所以就會讓人們誤以為地面上有水。下次再遇到這種現象,別再被你的眼睛欺騙了哦!

——本文摘自《跟著網紅老師玩科學》,2019 年 4 月,時報出版

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時報出版_96
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》