為什麼在高速路上，極遠而平坦的路面會出現倒影，就像遠處的路面是水潭一樣，即使路面是乾的？

12-05

評論里充滿題主肯定沒上過高中，好可憐的說法，也不知道這些人又不正經答題，又要充滿優越感。感謝這麼多認真答題的朋友，嚴謹得嚇到我了，有水平的人心平氣和，沒水平的人急著貶低別人，畢竟知乎。
還有題主高中經常不聽課，現在上一本，在年級前10%的培養計劃里，評論都留著~

對不起同志們，我又來打自己臉了，因為暑假我去了趟武漢。

武漢是個什麼地方？中華大火爐啊！在武漢期間，這種現象已經頻繁到，只要我白天上路，就必然會遇到的程度，比比皆是，一直到傍晚，直接驚掉了我的下巴。

從武漢離開後，我分別去了山東省濰坊市和四川省成都市，與武漢相比，這兩座城市出現該現象的概率低了很多很多。這證明該現象與溫度具有強相關性。

而且我在武漢路邊持續觀察了很長時間，發現反射像會有擾動，只是擾動不大，當然擾動也有可能是路徑中熱空氣運動引起的，不過這樣一來確實不能以「不擾動」來排除全反射的可能性。

太陽落山後，我也在馬路邊對瀝青馬路進行了觀察，以遠處車燈的反射為觀察目標。之前沒有注意過，其實瀝青馬路的反射挺強的，只是更類似於下過雨但未有積水的地面那種反射，即破碎的、零散的，暫時未能觀察到鏡面的反射。但周教授的推導並沒有問題，粗糙表面只要可以滿足一定的條件，是可以在掠入射方向觀察到鏡面反射的，只是要求更為苛刻。在溫度並不高的冬天仍舊能夠觀察到這種現象，很可能就是粗糙表面近鏡面反射的結果。

所以目前我對此現象的看法是，夏季時以熱空氣全反射為主，粗糙表明近鏡面反射作用為輔；冬季或溫度降低時則反過來。

可惜在武漢時間太短，沒法做進一步的驗證。若是有在武漢的同學，歡迎聯繫我，進行進一步的實際觀測。

————原答案分割線——
打臉還得自己來。

科學界長期都將此現象視為海市蜃樓現象，因此答主從小接受的也是這個傳統解釋，寫答案時也直接這樣寫了。
但有知友提到周懷春教授等學者近年來的新的研究成果，提出了一種更為合理的解釋。我查閱文獻後，認為新解釋與觀測現象更相符，所以更改答案如下，打臉自己來才更加啪啪響嘛^O^

——修改後的答案分割線——
自上世紀二三十年代，科學界就對此現象有過一次討論，普遍認為這是「海市蜃樓」現象。

夏天高速公路受陽光暴晒，所以靠近地面的位置溫度很高，造成空氣溫度升高，密度降低，引起折射率的降低。

而光線在傳播過程中是滿足折射定律的，如下圖：

n1&>n2的情況下，A1&

這個光線的傳播路徑很像地面的鏡面反射，所以就像地面有了一灘水似的。我畫的這個彎曲程度很誇張，實際上光線角度變化很緩慢的，所以看起來水面的位置在前方很遠。

但隨著新的測量技術的發展，有很多之前只能建模模擬的理論如今可以通過實驗測試驗證其正確性。周懷春教授於2011年發表了一篇論文，路面蜃景:熱空氣的把戲?

他利用熱電偶技術測定了發生此現象的路面溫度，發現並不存在明顯的溫度梯度；而且由於熱空氣會受到車輛擾動，因此若是此現象與穩定的熱梯度場有關，那麼車輛行駛過的位置此現象應該會被破壞，但實際觀察中並非如此，汽車駛過並不會產生影響。

因此學者們提出了一種新的解釋方法，即此現象是由於粗糙物體在光線大角度入射（掠入射）時發生的近鏡面反射的作用。

這句話說的有點繞，其實粗糙物體（如瀝青地面）可以認為是表面粗糙起伏不定的一個表面，光線入射後自然被反射到了四面八方，自然無法產生鏡面反射。

但當入射角度非常大，在起伏不定的表面上，局部凸起的峰的位置反射的光組成了一個整體，形成了近似鏡面的反射效果，只是總體反射率比較低。

若是上圖覺得不好理解的話，可以大致這樣去思考：
地面上散落著許許多多小鏡子，正常的視角看，這片小鏡子自然無法形成統一的反射面。但當你趴下來，視角非常低的時候，這堆散落的鏡子就連成了一片，形成了一個相對完整的統一的反射面。

有知友懷疑天氣冷的時候沒有，只有大太陽天氣熱才存在，因此此現象必然與溫度有關。實際上冬天此現象同樣存在，上述答案中第三幅圖的圖c就是冬天拍攝的，右側溫度曲線也可以看出地面和環境溫度並不高。

之所以給大家留下「此現象夏天才存在」這種印象，我推測與環境亮度有關。此現象中光利用率很低，因此只有環境亮度達到一定閾值，才能夠觀察到這種現象。而「環境亮度高」與「大太陽」以及「夏天高溫」往往同時出現，才產生了這種相關但並非因果的關係。

之所以我認為此解釋比「海市蜃樓」的解釋更讓人信服，一來是因為學者測試過溫度場與模擬模型不符，二來是因為我查閱過一些視頻，汽車駛過不會破壞該現象。汽車駕駛位頂多一米多高，能夠看到前方汽車的反射倒像，說明光線路徑頂多位於離地一米以內的空間中。
與海上和沙漠中大範圍的溫度場不同，這樣小範圍的溫度場即便存在，也很容易被擾動破壞，更不會出現汽車駛過倒像抖都不抖的情況。

對於 @看風景的蝸牛君的答案，我提一點微小的意見。這是周懷春教授的論文中的圖片

我覺得這個溫度梯度的測量是有問題的，典型的瀝青路面是這個樣子的

可以看出瀝青路面是「坑坑窪窪」的。一般情況下，夏天的路面溫度要比氣溫高得多，而空氣本身是熱的不良導體，所以殘留在瀝青路面這些「坑坑窪窪」之間的空氣，溫度應該是接近路面溫度，而遠高於路面上方一定距離的空氣溫度的。也就是說可能是因為路面表層的這個空氣薄層的溫度遠高於氣溫，導致了折射率的突變。而周懷春教授的論文中是以20cm為高度步長測溫度的，這個尺度有點「過大」。
這是我最近在同一個地點拍到的兩張照片，拍照地點是東南大學路南側，編號015的路燈旁邊。

這張可以看出明顯的倒影。

這張就沒有看到。拍第二張照片之前半小時，下了一小會雨，雖然路面已經基本上幹了，但是路面溫度比拍第一張的時候低了不少。因為沒有溫度計所以沒有測量溫度。
感想：實在是熱死我了。

用費馬原理能很好的理解。
我想指出的是當折射率是連續變化的話該如何計算光路：
假設折射率n是高度y的連續函數n(y),
則光從地面上相距x的固定的A點到B點所需時間的泛函為：
$t=int_{0}^{x}n(y) sqrt{1+y$
Lagrangian為 $L=nsqrt{1+y$
假設折射率不依賴於x方向, 所以有守恆量： $L-frac{partial L}{partial y$
曲線的具體解看折射率的具體情況而定, 如果 $npropto 1/sqrt{y}$ , 則問題等價於最速降線問題, 光走的是擺線。

看到 @看風景的蝸牛君的解答，拿手邊的物體做了一些實驗，我現在有個比較簡單的猜想，不過沒有條件進行實驗檢驗
首先我覺得簡單認為任何錶面都都這種特性是不正確的，從我手邊的物體上看，紙、布、果殼等等天然表面無論如何都不會出現這種現象，對於出現這種現象的材質，出現的角度也是不同的，有的其實在30°以上就會出現，有的則需要非常小的比如10°以下的角度，顯然這是跟表面性質有關的。

這個猜想就非常簡單了，所有會出現這個現象的表面材質，其實都是經過壓平、磨平或者類似的加工過程的材質。
天然表面的高低起伏是完全不均勻的，像下圖這樣：

這樣的表面對於光線的反射幾乎是完全隨機的，導致任意角度的入射光線都可能被反射到任意角度，產生漫反射的現象。
經過壓平或磨平之後，這個表面被強迫變得平了一些，導致原來那些最高的凸起被碾平或者磨去，凹進的部分則基本不變，變成了這樣：

這其實是一種介於鏡面與漫反射表面中間的面。當入射光線角度與平面成的角比較大的時候，光線照射到所有的表面上，大部分仍然呈現漫反射的現象，因此總體上呈現漫反射的現象。

當入射光線角度與平面成的角很小的時候，所有的磨平面都平行，而且都不會被彼此遮擋，這些磨平面都會反射光線；而凹進的漫反射面則會被這些磨平面遮擋，因此總的反射面積中，磨平面的反射面積的比例大大增加，這些面是一個鏡面的一部分，因此整體上呈現鏡面反射的效果。隨著入射角度變小，磨平面占的反射面積也會增加，鏡面反射會越來越明顯。
呈現鏡面反射需要的角度則跟表面被壓平或者磨平的程度有關，程度越小，磨平面佔總面積的比例越小，就需要更小的角度；反之則在較大的角度上也能出現鏡面反射現象。所以總結來說：柏油路會出現鏡面反射是因為被壓路機壓過。
純猜想，希望有實驗科學家可以進行驗證，我猜找個粗糙表面壓一下、磨一下試試就可以初步驗證。

@看風景的蝸牛君後來的解釋應該基本是對的，小時候我就觀察過這個，發現實際上這個現象在很多粗糙表面都有。
我們可以把粗糙表面看成是很多法向不同的，細小的鏡子構成的表面，因為每個小鏡子之間角度差別很大，所以我們看不到一個完整的像，而是模糊一片的。下圖就是這樣一個場景，箭頭是物體，藍色是物體某點的光，紅線是粗糙物體表面的反射光線：

上圖中物體某一點的兩束反射光線的位置差別很大，我們就無法看到一個像。
但是，當你把視線和該平面夾角減小到一定程度以後，由於該平面的視角減少，所以兩束紅線之間的角度就會很小：

這樣人就不容易分辨出兩束光線的差別，而是把它們認為是圖中綠色的那一根光線，這樣人們就能夠看到物體的像了。
這個現象基本上很多粗糙的物體表面都有：
ipad保護套

我所在的布里斯班的go card：

我小學時候教室的牆也可以。

@看風景的蝸牛君的答案震撼了我，我以前也一直是用折射率不同來解釋的。我拿筆記本電腦的磨砂表面觀察了一下，果然如此，掠入射時粗糙表面會出現近鏡面反射現象。

1.只要照明條件好就行，不一定非要溫度差；
2.只有柏油馬路有這種現象；
所以肯定不是溫度差導致的全反射。

猜測是柏油馬路上面有很多取向各異的小晶疇，入射小時就類似漫反射；
入射角很大時，菲涅爾定律導致反射很強，類似鏡面。

只說一句，這不是「海市蜃樓」現象。具體解答，請搜索清華大學周懷春教授的論文。清華的人物介紹中，有以下說明：否定了科學界對路面「海市蜃樓」現象的傳統解釋。

是說菲涅爾效應？

天氣晴好，地面與空氣溫差大，全反射

菲涅爾反射，簡單的說，看某個物體時，視線垂直於物體表面時，反射較弱，而當視線與物體表面夾角越小，反射越明顯。光線越強越明顯。

（網上隨便找了張圖）

先放結論：溫差＋曲率

周教授的文章把路面當成了一個平面，這樣計算下來，光線要幾乎和路面平行（0.2度）才能發生所觀測到的現象。但是實際上路面是有起伏的，是有凹凸的，如果把這個因素考慮進來，那麼就會發生：

如圖，彎曲的路面使得上面的一層空氣像光纖一樣被彎曲了，可以使光線彎曲更大的角度。這個原理可以解釋如下現象：
1，常現於夏天烈日下，因為需要溫差；
2，常現於柏油馬路，不常現於水泥路，原因有二：柏油馬路較黑，較熱；柏油馬路較不平整；
3，倒影不連續，因為取決於局部曲率情況；
4，上下坡轉換時多出現，因為有曲率；
5，汽車開過對倒影有影響，但影響不大，因為發生作用的是非常靠近路面的部分空氣，很快會建立新的平衡。

看完新解釋還是挺震撼的。
不過想對新解釋提出一點疑議：遠處車輛以及景物的倒影，在自遠向近的這個軸上，從有倒影到黑地面是有一個很明顯的分界的，採用折射率的解釋方法的話可以明確解釋為什麼有這個臨界角，但用新解釋的話，光滑面占視野比率從遠到近是逐漸變化的，倒影應該也是從看得非常清楚到模糊再到無倒影。不知有理否

先觀望一番。

好吧，仔細看了看高票答案，先不反對你了。

說錯了也不負責任（斜眼）

（圖一來自百度百科，侵刪，圖二自畫）

光纖就是按照這個原理來的。

希望這個會比較容易理解。

反對高票的見解，也有可能是我錯了，寫兩句吧，自己也早就發現過這個問題。

我自己的理解是:柏油路是用非常尖銳的小石子鋪的，所以在視角垂直於路面看時特別凹凸坑窪。
車來車往，路面經過輪胎的壓力，摩擦等，會在小凹凸路面的凸點上摩擦出一個相對平整的小平面，就像被拋光了一樣。如果看遠處視角接近平行於路面，這樣被拋光出來的小平面就像被拼接起來了一樣（從遠處看的話由於視角是平行的，所以看店的都是凸點被摩平的平面，凹的地方都由於視角問題，能看到的可以說相當少了）這樣一來，路面就出現了鏡面效果。
上個圖，自己畫的不知各位能不能看懂

我的觀點就是新柏油路不會有鏡面現象，因為上面沒被磨平。

是蜃景的一種，因為空氣在不同高度溫差大產生的折射效應。小學低年級的語文課本某一課講沙漠里的""清泉""（天空的倒影）的時候就有。

答全反射的太不負責了，根本不經思考，單純套用中學對黑板反光那套解釋，認為一切非鏡面反光皆是全反射。
我猜題主想問的是粗糙瀝青表面為何會在入射角較大時發生這種現象。佔個坑，去查查資料，回來補充。

一直以為是熱造成分子波動。。。。?_?空氣彎了

我也經常遇到這種情況，也曾經花費了很多心思去想，其實很簡單，首先，路面不是平的，有很多的凹槽，近距離看不到，但是遠遠的距離看，所有的小凹槽拼接在一起，就變成了一面很大的平面，因為材質的緣故，也就像鏡子一樣！

入射角越大，介質界面的平行波和垂直波反射率都會越來越高，高溫在地表形成空氣內部的不同溫度的界面，所以遠看會反光