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徐孟献的博客

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日志

 
 

我们的眼睛  

2017-10-13 11:34:34|  分类: 范围论 |  标签: |举报 |字号 订阅

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摘要:人类眼睛的特征及结构限制了我们的视野,在我们观察到一些现象的同时,也伴随着一些现象的不可能被观察到,使我们观察到的只是客观事物某一范围的东西,使人眼的观察呈现范围性的特征。而观察的范围性也影响了我们对事物的认识,也只是对某一范围的东西的认识,从而使我们得出的结论也呈现出范围性的特征。

关键词:观察的范围性,客观事物的整体性,信息加工系统

 

   我们在学校学习的数学、物理、化学、生物、地理等学科,构成了我们所谓的知识,但是这些知识是十分有限的,因为,在这些知识之外,似乎还有许许多多现象无法用已有的知识去解释。人们是否认真地想过,这是为什么呢?为什么边缘学科不断出现?而且还没有任何迹像表明,今后不再有新学科产生的可能。这背后有多种原因,其中有一个非常重要的原因,就是观察的范围性。

   所谓观察的范围性,是说,在认识客观事物的过程中,我们眼睛观察的只是某一范围的东西。

   但是,眼睛是人体重要的感觉器官。“俗话说:‘百闻不如一见’,可见视觉是极为重要的。有了视觉使人们对周围世界形成了基本的概念。人们由外界接受信息的比例,据某些学者估计,视觉占60%,听觉占20%,触觉占15%,味觉占3%,嗅觉占2%。这更进一步证实了视觉器官是五官中获取外界信息的最重要的器官。在现代化的生产过程和科学研究中,是离不开人眼的视觉来检查人类的实践活动,即使是在自动化生产过程中也不能完全排除目视的检验。”1虽然眼睛这一视觉器官如此重要,但也有眼睛所不能为的,比如苹果的甜味,眼睛就看不到,它得靠味觉器官口和舌品尝才能感觉到;又如石头的硬度,眼睛也看不到,它得靠触觉器官手摸才能感觉到;又如厨房飘出饭莱的香味,眼睛也看不到,它得靠嗅觉器官鼻子闻才能感觉到;又如歌剧院传来美妙的歌声,眼睛也看不到,它得靠听觉器官耳朵听才能感觉到。

    有人会说,我们的眼晴可以看到很远很远的地方。

    不错,我们的眼睛可以看到很远很远的地方。如果是在大海上,我们可以看到水天相接的地方;如果是在广阔的平原上,我们可以看见远处的地平线。地平线距你有一定的距离,而且这个距离并不是很遥远。这是因为,地球是一个球体,我们并没有望见大地的尽头,远方的大地最终会向下弯曲,落到你的视平线之下。 假设你的眼睛离地面有 1.6 米,你能看到多远呢?如果我们把地球抽象成一个半径为 6371 千米的巨大球体,我们就能用我们学到的几何知识,大致算出你所能看到的最远距离。

 

2017年10月13日 - xumengxianyanshi - 徐孟献的博客

 

                      1

1就是地平线问题的一个示意图。其中,O 是地球的中心,圆 O 的半径 r = 6 371 000 米。人站在地球表面的 A 点,人眼的位置记作 B ,并且 AB = 1.6 米。C 点则是人眼所能看到的最远的地方。由于 BC 与地球表面相切,因此 BC OC 垂直,换句话说三角形 OBC 是一个直角三角形。已知这个直角三角形的一条直角边长 OC = 6 371 000 ,而斜边长为 OB = 6 371 000 + 1.6 = 6 371 001.6。利用勾股定理,我们就能算出这个直角三角形的另一条直角边的长度:2017年10月13日 - xumengxianyanshi - 徐孟献的博客

   当然,准确地说,人与地平线之间的距离应该是弧 AC 的长度但由于和地球半径相比,人的高度太小太小,因此线段 BC 和弧 AC 的长度几乎没什么差别,BC 的长度就可以视为人与地平线之间的距离。也就是说,一个成年人站在一望无垠的草地上,远方的地平线离他不到 5 千米!

   由此可知,我们的眼睛看到最远的距离大致为5公里,5公理的观察范围,相对于地球而言,人眼观察的仅仅只是一个非常狭小的范围而已。

   有人会说,晴朗的夜晚,仰望天空可以看见无数的星星在闪烁,哪远不只有5公里之遥。不错,但是我们看到的只是一小部分,还有许多星星因为太遥远,肉眼根夲看不到。眼睛看得再远,它都有一定的范围!超岀这一范围,便什么也看不到了。

看细小的东西也如此,我们能够识别一根头发丝细小的东西,再小,眼睛就看不见了。

   即使有各种各样的、一代比一代先进的望远镜和显微镜的出现,也有我们的眼睛观察不到的东西。我们的眼睛仍然观察的只是一定范围的东西。

   我们的眼睛看到只是某一范围的东西,眼睛的这一特性,称为观察的范围性。正是由于观察的范围性,使我们在认识世界和改造世界的过程中,所发现的具有规律性的东西,以及反映事物夲质特征的东西,也就是我们常说的真理的东西,都具有范围性的特征。比如我们所学的数学、物理、化学、生物学、地理等等学科,就是范围的标志。

观察为什么具有范围性呢?

这首先与人眼的视觉特征有关

人类的眼睛长在头部的前面,注视正前方时,眼睛观察到的空间范围,称为视野,通常以角度表示。根据眼球的工作状态,视野可分为直接视野、眼动视野和观察视野三种。这里讨论的是眼动视野,所谓眼动视野是指,头部不动眼球转动时人眼可觉察到的水平面与垂直面所形成的空间范围。眼动视野是人观察事物的基本方式。

   人的视觉信号的感知有三个层次:a.觉察:仅感受到信号的存在;b.识别:把被觉察到的信号从其它信号中进行认识或辨别;c.解释(或译码〕:是指理解了信号的内容和意义。”2“视野反映人的视觉生理机能,直接视野是视野的基础,眼动视野是人观察事物的基本方泫。视野给出了人眼能觉察到信号的空间范围,但只是在注视点附近的信号才是清晰的,在视野的边缘上,人只能模糊地觉察到是否有信号存在,而不可能进行识别。例如,在直接视野内,仅在围绕注视点的一个很狭窄的范围内,视觉信号是清晰的随着与注视点偏离距离的增加,视觉信号的觉察效果逐渐减弱,若在注视点处对图像的视敏度(视力) 1.0,在偏离注视点2.5处则可能仅为0.5。所以,欲看清楚事物的全貌,就需进行扫视,即将各个需辨明的目标轮流作注视点〔例如仪器面板上的各个视觉信号〕。扫视可通过转动眼球或转动头部来实现。然而,从监视信号作业来说,转动头部进行扫视,显得笨拙、迟钝,且易于疲劳,而转动眼球显然要灵活和快捷得多。所以在实际工程应用中,‘视野’主要指眼动视野,或者说眼动视野是人观察事物的基本方式。”3

  下图2,为 眼动视野图:〔a〕为最佳水平视野范围,〔b〕为最佳垂直视野范围;〔c〕为最大水平视野范围,〔d〕为最大垂直视野范围。4

2017年10月13日 - xumengxianyanshi - 徐孟献的博客

 

2

图〔a〕和〔b〕可以看出,眼动视野的最佳视野范围,在水平面內零线左右两侧各30度和垂直面內水平视线以下50度的范围内。上下左右 1.5度为中心视野,也称清晰区,这一视域,目光能够清晰地分辨物体的颜色及细节部分。图〔c〕和〔d〕是眼动视野的最大视野范围。其视角为,水平面220度,零线左右两侧各110度,双眼视角120度,左右各60度;垂直面110在这样一个视野范围內,我们能觉察到物体的存在和动作出现,并不能识别是什么物体和什么动作,尤其在边缘部分,更是如此。如果要察看这个范围之外的物体,就需要转动头部或者身体。即使在最大视野围內也有我们无法识别的事物在。

实际上,能清晣地识别物体的最佳视野范围是十分狭小的。

这主要与我们的眼睛的结构有关。

   人的眼睛近似球形,直径约23毫米。眼球包括眼球壁、眼内腔和内容物、视神经和视路、眼附属器等组织,如下图:

 

2017年10月13日 - xumengxianyanshi - 徐孟献的博客

 

3

眼球壁的最外层由角膜和巩膜组成,中间一层由脉络膜、睫状体和虹膜组成,内层为视网膜。视网膜居于眼球的內层,是一层透明的薄膜。在视网膜中央有一个直径约3毫米的圆形区域,称为黄斑,黄斑中心有一小凹,称为中央凹,面积约1平方毫米。中心凹是视网膜上视觉最敏锐的部位。视网膜上面 有两种感光细胞,一种叫做视锥细胞。视锥细胞感受强光和颜色,在黄斑里面非常集中,尤其是在中央凹里面最为密集。因此,黄斑区尤其中央凹,是视力最好、分辨物体细节和颜色的能力最强的地方。最佳视野范围和中心视野范围,是由此产生的。视杆细胞在光线较暗时活动,有较高的光敏度,但不能作精细的空间分辨,只能看到物体粗略的轮廓,且不参与色觉。愈近视网膜的周边部分,视杆细胞愈多,最大视野范围是由此产生的。

    人眼的结构,限制了人的视野。在最大视野范围内,我们只能觉察到这一范围內物体的存在;而在最佳视野范围内,我们只能识别某一物体某一部分的东西。

    观察的范围性,这种情景,我要亲身体验一下。为了使视野更开阔,我特意来到田野间。我保持头部不动眼球转动的工作状态在我的视野内是一条新修建的国道,国道北面有一条小路,直通北面的村庄,它将绿色的麦田分割成两块。路西有个厂房,厂房的屋顶是蓝色的彩钢瓦,大门前竖着一个大大的广告牌。并且,我看到向左右延伸的国道,以及国道两边的绿化带。我的目光,极力向左右扫视——我有意识这样做,我觉察到大道上来来往往的车辆,和由楸树组成的绿化带。只是愈向左右扫视愈模糊。我看到了这一切,确切地说,我只是觉察到这一切的存在。在我的这一最大视野范围內,有绿色的田野、村庄、厂房、广告牌、国道、来来往往的车辆、绿化带等等,然而,我只是觉察到它们的存在,我并不能一 一识别它们

    我如何才能识别它们,比如我要看看那个广吿牌上面究竟写得什么,我离厂房约有四百米远,只看见蓝色广告牌上红色的字模糊一片,看不清是什么字。要看清,只有走近它!而走近它,就意味着什么呢?意味着视野范围的缩小!

    走近它,是不是愈近愈好,愈近愈能看得清呢?不是!试验表明,观看图像的最佳距离应当是画面高度的4倍至5倍,在这种情况下,可以保证人眼不转动就能看到完整的画面。这个距离,既可以避免因过近观看时眼球需不停地转动而引起眼疲劳,又可以避免过远观看时对图像辨别能力的降低,以及防止画面以外的景物进入视野中。人们识别画面有一个最佳距离,根据人眼的视觉特性,视觉最清楚的范围是在垂直视角15°,水平视角20°的矩形面积之内。比如,25寸、29寸彩电最佳距离为1.9m2.2m。现在,我就站在这样一个最佳的观察点上,我有一个最佳的视野范围。在这个最佳的视野范围内,我清楚地看见整个广告牌上的文字。可是,田野、村庄、厂房、国道、来来往往的车辆、绿化带等等,这些先前出现在视野中的东西,却排除在视野之外。要想清楚地观察它们。就得像观察广吿牌那样:第一,有一个最佳的观察点;第二,将目光注视在某一物体上。你要观察田野,就只能观察田野,你要观察村庄,就只能观察村庄,而不能让其它景物闯入你的视野中。而这样做——有时我们要清晰了下识别某一物体不得不这样做,这样做的结果,就形成了一个一个的范围。同样,我要识别我前后左右周围所有的景物,就必须,转动眼球,转动头部,转动身体,而这样做的结果,也就形成了一个一个的范围。之所以如此,是因为,每次观察,都观察到先前无法看到景物,但同时,先前看到的景物被排除在视野之外又无法看到了。

   观察的范围性,除了人眼的视觉特性和人眼的结构外,还有一个原因,这就是客观事物的整体性。

    系统论认为,客观事物是由部分组成的整体,具有整体性。而我们观察的只是客观事物某一部分、某一范围的东西。在一定的观察点,我们是无法识别客观事物的整体,我们得一个范围一个范地去识别。比如广吿牌有正面和背面之分,要全面了解它,就得观察它的正面,还得观察它的背面,这样一个范围一个范围的观察。同样,我们对世界的认识也是这样,也是一个范围一个范围观察的。

   既然我们眼睛的观察具有范围性,那么我们在认识世界改造世界的过程中,所发现的具有规律性的东西,以及反映事物夲质特征的东西,也就是我们常说的真理的东西,必然地也呈现出范围性的特征。这是因为,我们的大脑只是一个处理信息的加工厂。

   现代认知心理学,把人看成积极的知识探求者和信息加工者,把人脑看成是类似于计算计的信息加工系统。“现代认知心理学采取的基本方法论是把人类比为电子计算机式的信息加工系统。受信息论和计箕机科学的启发,现代认知心理学家多数们认为,尽管计算机的硬件和人脑神经结构不同,却完全可以在计算机的程序所表现的功能和人的认知过程之间进行类比。计算机接受符号输入,对输入进行编码,对编码后的输入作出决策,产生新的表现形式,存贮输入,给出符号输出。这就是计算机的工作过程。计箕机就是这样一种信息加工系统。人脑的工作原则,即是信息加工原则。人和计箕机一样也是一种信息加工系统。”5“著名信息加工心理学家纽尔和西蒙Newell&Simon)认为,人和计算机及一般的信息加工系统有着共同的特点,那就是,都是由感受器、加工器、记忆系统和效应器几部分构成的一个加工系统。其中,记忆系统是信息存贮机构,进行信息加工时需要某些贮存于其中的信息时,系统就会从中提取出所需的以符号形式存贮的信息;加工器是一组信息加工过程,如搜索信息、比较并评估当前信息或从记忆系统提取来的信息,决定基本的信息加工序列或程序。整个系统的加工都是以符号结构为标志的。可以说,人脑和电脑都有输入、输出、存贮机制并依据一定程序进行加工的符号操作系统。6简单地说,人脑与计算机的共同点在于:接受信息和加工处理信息。

   由于观察的范围性,因此,眼睛这一视觉器官以及其他的感觉器官,向大脑输入的是某一范围的信息。大脑的信息加工系统,加工处理的是某一范围的信息。得出的结论,并由此形成的知识也具有范围性的特征。

   为了便于人们学习掌握这些知识,于是,我们把具有数量关系和空间形式特征的一类结论,归纳在一起名之曰数学;把具有物质结构、物质相互作用和运动规律特征的一类结论,归納在一起名之曰物理学;把具有物质的组成、结构、性质、变化、制备和应用等特征的一类结论,归納在一起名之曰化学;把具有生命现象和生命活动规律特征的一类结论,归纳在一起名之曰生物学;把具有天体及其他宇宙物质运行规则特征的一类结论,归納在一起名之曰天文学……其它的学科如心理学、考古学、逻辑学以及其它各种各样的学科,都是这样形成的。随着科学技术的发展,相继出现了一些如微循环学、运动力学等边缘学科,等等。我们的知识就是这样形成的!

数学、物理学、化学、生物学、天文学以及其它各种不同的学科,第一表明,观察的范围性,第二表明,结论的范围性。而结论的范围性表明,任何结论都有它无法解释的现象和无法解决的问题,它只是在一定的范围内才是正确的。

 结论的范围性,在学科与学科之间表现的非常明显,比如物理学中牛顿的运动定律,化学中的波义耳定律,数学中的勾股定理,生物学中细胞学说,天文学中的宇宙大爆炸理论,地理学中板块构造理论,统计学中的恩格尔定律等等,都能解释一些现象并在生产活动中解决一些实际问题,但同时也有它们各自无法解释的现象和无法解决的问题。比如板块构造理论能解释的现象,细胞学说就解释不了;勾股定理能解决的问题,波义耳定律就无能为力,这些结论,既具有真理性,又具有范围性。

    结论的范围性,在不同学科之间是显而易见的,但在同一学科,也同样如此。阿西莫夫说,“牛顿是世界上从未有过的最伟大的科学家”,7但他的力学三定律,并不是无处不适用无处不正确,它有它适用的极限范围。不说它无法解释热力学现象,也不说它无法解释电磁学现象,更不说它无法解释量子力学现象。只就力学范围而言,胡克定律能解释的现象,它就解释不了;欧拉运动定律能解释的现象,它也解释不了;阿基米德定律能解释的现象,它更解释不了。力学三定律只是在一定的范围内是正确的。

   无处不适用无处不正确的结论是不存在的人眼的结构,限制了我们的视野,使我们识别的只是客观事物某一范围的东西,向大脑这个信息加工系统输入的只是某一范围的信息,因此得出的结论也只是某一范围的结论。

   因此,我们要不断地观察新现象研究新问题。量子力学不是从经典物理推导出来的,它是放弃经典理论,观察新现象尊重实验事实的结果。从已有的理论推导不出新理论,新理论产生于对原有理论的放弃和对新现象的观察。

 

 

参考文献:

1]张云熙:关于人眼视觉的一些计算.《光学技术》[J],1988年,第5

2][3]童时中:正确理解与运用控制室设计中的“视野与视区划分”.《电力标准化与计量》,19963

4DL/T575.2-1999《控制中心人机工程设计导则-2部分:视野与视区划分

5]乐国安:评现代认知心理学,[J]中国社会科学.1990年第5期.

6]刘霞:现代认知心理学的特征及其影响[J].《理论月刊》, 1995年第4期.

7][美]I.阿西莫夫著,暴永宁等译:你知道吗?[M].科学普及出版社,1980,第3

 

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