在《头部旅行》系列中，《大众科学》探索了我们的大脑、感官以及它们之间发生的奇妙现象之间的关系。
我们都在电影和动画片里见过它。有人在炎热的沙漠里跋涉数日，突然，凭空出现一片阴凉、湿润的绿洲，就在几百码之外。他们用尽最后一点力气，向着解渴的希望跑去，结果却大失所望，因为当他们到达感知中的位置时，幻象却消失了。
约翰霍普金斯大学的验光师布莱斯·圣克莱尔解释说，海市蜃楼在现实生活中并没有那么神奇或细节丰富。相反，它们是光学幻觉，由两种不同密度的空气以不同的方式折射光线而形成。由于地面和上方大气之间不成比例的温差，你最有可能在炙热的表面上看到海市蜃楼，比如沙漠的沙子、公路或人行道。（尽管如果空气温度条件合适，理论上你可以在任何地方看到海市蜃楼。）
圣克莱尔说：“我们来谈谈你在沙漠里看到的典型海市蜃楼。沙子会散发很多热量，所以它上方的空气非常热，因此密度较低。”“当（空气）上升时，它会变冷并改变密度。正是这两种不同密度空气之间的界面造成了光学幻觉。基本上，光线的折射方式不同。”
海市蜃楼的形成是来自天空的光线向上弯曲，射向较冷的空气，并似乎来自地面。我们感知到这个虚像，部分原因在于折射的角度和光的折射率，即光线穿过不同介质时弯曲的程度。当光线在密度均匀的单一介质（如只有冷空气或只有热空气）中传播时，它会沿直线传播，但当它穿过密度不同的两种介质时，其角度会发生变化。热空气和冷空气交界处发生的扭曲会产生我们感知到的水状图像。
想想一个更常见的海市蜃楼——在炎热的马路上的水坑。当司机从几乎与地平线平行的角度观察所谓的这摊水时，光线会向上弯曲进入他们的眼睛。热空气和冷空气之间的界面就像一个镜子，折射光线，而光线通常会反射天空，从而在道路上产生水的错觉。（这种现象也可能导致远处真实物体的反射。）
然而，海市蜃楼只有在观察者远离热冷空气交界面的情况下才起作用。以道路为例，当司机接近最初看到水坑的地方时，水坑就会消失，并再次出现在几百码之外。“当你离得很远时，你与热冷空气交界面的角度非常小，”达特茅斯大学心理学和脑科学教授彼得·蔡（Peter Tse）说。当你靠近时，或者如果你爬上山丘，“你的头就高于那个边界。而那个角度太大，无法发生反射。”
虽然我们可能想把海市蜃楼看作是人类视觉处理的故障，但这种现象被认为是真实的光学幻觉，因为它完全可以用外部世界的变化来解释——在这种情况下，就是光线的物理性质。
蔡说：“当你看到云中的人脸时，那是由于你的大脑工作方式产生的错觉。”“但海市蜃楼不是由于你的大脑——它们是由于光的物理原理。”
为了适应这种光学现象，我们需要与海市蜃楼进行定期互动。例如，当你向窗外看时，你可以感知、识别并理解室外和你身后房间的反射是不同的景象。
美国大学教授、《牛津视觉错觉汇编》的编辑阿瑟·夏皮罗（Arthur Shapiro）说：“我们的大脑之所以能够理解这一点，部分原因是我们与玻璃、世界打交道，而且我们可以左右转动头部。”“我们可以看到不同物体在不同平面上移动。”
所以，虽然我们的大脑并非创造了我们看到的所有幻觉，但如果给我们机会经常与幻觉互动，我们的视觉处理系统就有可能发展出适应我们感知到的怪异现象的能力。鉴于我们遇到海市蜃楼的频率不如玻璃窗那么频繁，我们的大脑在处理这种图像时能够纠正它的可能性很低，特别是考虑到我们感知到的水状景象与我们在路面上看到的水坑非常相似。
不过，如果你花足够多的时间在沙子上“烘烤”，你的大脑也许也能找到克服这种幻觉的方法。它就是那么强大。
更正（2023年2月16日）： 彼得·蔡是达特茅斯学院的教授，而不是达特茅斯大学。
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