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」。

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 。

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。

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」。

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。

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？

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。

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。

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。

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。

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。

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！

• 文章首圖來源：Flickr

——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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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。

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。

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。

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