在沙漠中行走，漫天风沙，一望无际。古往今来，不知有多少人在艰难跋涉的路途中看见了希望的绿洲，待走到筋疲力尽，才发觉只是美丽的幻象。大自然像是个调皮的孩子，得意地像我们展示自己鬼斧神工的魔法——海市蜃楼。
海市蜃楼，汉代称蜃气，典出《史记·天官书》：“海旁蜃气象楼台，广野气成宫阙然。”古时的人们不懂光学原理，以为海中有神兽名蜃，每逢春夏之际，便开始吞云吐雾、继而吐气形成瑰丽奇异的景观。
《礼记·月令》中云“雉入大水为蜃”，其注曰“大蛤曰蜃”。可知古人一度认为蜃便是大蛤。《古今图书集成》中亦沿用这种古老的说法，并配以图画《蜃图》以示大蛤吐气、海现幻影的情景。
然而，这样的解释并不能让每一个人满意。古时不少有识之士，都对这种说法表示了怀疑。比如唐宋八大家之一的苏轼苏东坡，于元丰八年（1085）在登州（今山东蓬莱）军州赋诗《登州海市》：
东方云海空复空，群仙出没空明中。
荡摇浮世生万象，岂有贝阙藏珠宫。
心知所见皆幻影，敢以耳目烦神工。
……
而宋人沈括《梦溪笔谈·异事》中有更科学的描述：“登州海中，时有云气，如宫室、台观、城堞、人物、车马、冠盖，历历可见，谓之海市。或曰蛟、蜃之气所为，疑不然。”
时至明清，学者郎瑛、陈霆、方以智等人对海市蜃楼的现象又做了新的探讨和研究，提出了很接近现代科学解释的说法。郎瑛《七修类稿》（1530）中说“登州海市，世以为怪，不知有可格之理。第人碍于闻见之不广，故于理有难穷”，但“观其所见之地有常，而所见之物亦有常。又独见于春夏之时，是可知也”。
在这本书中，郎瑛介绍道，海市蜃楼不仅仅在山东蓬莱出现，在陕西、浙江、广西等多处都有，并反诘道：“岂三方所见，亦鬼怪也邪。”继而提出了自己的解释：“春夏之时，地气发生，则于水下积久之物而不散者。熏蒸以呈其像也。……或新结气空中，遇天地氤氲，则随气以见。”意思就是说，海市蜃楼这种现象其实是由于地气不散，上下不通的气交织在一起而形成的。而陈霆在此基础上，又有了更进一步的解释。
嘉靖十八年（1539），陈霆在《两山墨谈》中提到了安丰塘的海市蜃楼，然后说明：“然城郭人马之状，疑塘水浩漫时，为阳焰与地气蒸郁，偶尔变幻。而见者，寡知识遂妄云已耳！”这其中就更突出强调了在不同的空气层中，上层是在日光中浮动的尘埃，而下层则是潮湿的地气，彼此作用方形成蜃景。虽然郎瑛、陈霆二人没有触及更本质的形成机理，但仅仅是提出大气层在垂直方向上的不均匀以及太阳光的作用，就已经是朝着科学向前发展一大步了。
到了1664年，著名学者方以智在其著作《物理小识》中说道：“海市或以为蜃气，非也。”接着方以智转引张瑶星的记述：“登州镇城署后太平楼，其下即海也。楼前对数岛，海市之起，必由于此。”这其中说的“数岛”是指与蓬莱遥望相对的庙岛群岛。从中看出，张瑶星、方以智明确认为海市蜃楼既非仙山琼阁，又非蜃气所致，而是现实的岛屿、城镇景色在大气不均匀层中的反映。
清代初年，学者揭暄在张、方观点的基础上，在《物理小识》一书中注释道：“气映而物见。雾气自涌，即水汽上升者，水能照物。故其气清明上升者，亦能照物。”揭暄还与持有相同观点的游艺一起，绘制了一幅《山城海市蜃气楼台图》，然后在《天经或问后集》中云：“水在涯洠，倒照人物如镜，水汽上升，悬照人物亦如镜。或以为山城海市蜃气，而不知为湿气遥映也。”这时候人们已经认识到海市蜃楼其实正是实际景物在大气中的反应，这种“气映”解说，可以说是充分体现了我们的祖先对于海市蜃楼中蕴含的科学道理的认知。
在现代光学中，海市蜃楼其实是光线在空气中被折射，再加上全内反射的结果。
要明白海市蜃楼的成因，首先要明白光线为什么会在空气中折射。原来，不同温度的空气都有着不同的折射率，就好像许多不同的介质一样。靠近地面的空气较热，折射率较低。我们可以把空气想象为许多层的介质，而每一层的折射率都不同，越接近地面，折射率越低。因此光线在空气中行走时，路线便如图所示：
如果光线微微倾斜地从玻璃射进空气，一部分的光线会被反射回去，另一部分就会被折射，从玻璃中走出来。由于玻璃的折射率较空气高，所以折射角总是大于入射角。当入射角越来越大，被折射的光线便会越来贴近空气与玻璃的界面，直至入射角大于临界角度，光线便只会被反射，而不会折射出去。这个现象叫做全内反射。
现在明白海市蜃楼的成因了吗？如下图所示，假设有个绿洲，它在A点发出的光线被空气折射，走一条弯弯的路径。在B点，光线发生全内发射，使光线往上走。之后，光线再次被空气折射，最后光线会进入站在C点观测者的眼睛，使观测者形成错觉，误以为绿洲就近在眼前。
因此，海市蜃楼在现代常用于比喻虚幻的事情。比如叶初林在《危言耸听》中写道：“城里富人一掷千金的生活，对这帮生长在山旮旯的穷哥们儿来说，那就像海市蜃楼般不可捉摸。”其中的“海市蜃楼”，就是形容难以实现的希望、空想等等。
眼见未必为实，还有可能是海市蜃楼。虚幻的景象，纵然再美丽夺目，也不过镜花水月。我们的祖先用了足足2000多年艰难探索，才弄明白了大自然的诡计，而当你遇到这样的蜃景，又要用多久才能分得清现实与虚幻、真理与谎言？
