光的世界︰矩陣光學六壬

濮陽西水坡蚌殼龍虎圖

古人用蚌殼擺塑出了一幅天文星圖,其年代约為距今6500年

凌家灘玉版

良渚文化玉琮

曾侯乙墓二十八宿漆箱五面圖象

新石器時代仰韶文化中期,一個六千五百年前『濮陽西水坡』的墓穴,裡頭有一幅用『蚌殼』堆出的『龍虎圖』,刻意擺放的骸骨方位,到底在說著些什麼呢?中國的天文考古學家馮時先生認為︰

文本引自鄭杭生胡翼鵬先生所寫的論文《天道左旋,天圆地方:社會運行的溯源和依據

對這組蚌殼龍虎圖案解說最深入的研究者是天文考古學家馮時。馮時認為,解釋這幅蚌塑龍虎圖案的關鍵是墓主人脚下、正北面的那個蚌塑梯形與人體脛骨组成的圖案:這是一個北斗的造型,蚌塑梯形表示斗魁,東側横置的兩根脛骨表示斗杓,所以這是一個構造十分完整的二象北斗天象圖。

蚌塑梯形與脛骨構成的北斗圖象,不儘是從形狀上認證,更主要的是從表示斗杓的兩根人體脛骨去尋找線索。古代計算時間的一種方法,是通過對人體影子長短變化的測量,所以最初的測影工具是模仿人體来設計的,這就是“”。正是因為人體、表與時間具有這種特殊關係,所以古人把計量時間的表叫作“”, 而“髀”的本 義是人體的腿骨,從大量的史料文獻中可以找到證據,古代測量日影的工具“表”就是由人骨轉變而來,所以人骨在作為一個生物體的同時,在古代還曾充當過測定 日影的工具。濮陽西水坡45號墓中的北斗圖,把腿骨、表和時間這三個方面聯繫起来,體現了古人通過立表測影和觀測北斗來測定時間這兩種方法的結合。在這個 蚌殼梯形與脛骨的構圖中,脛骨的意義就是表示測定時間的工具。而北斗星也是古代中國人觀望天象,以此作為决定時間的標準星象。所以以脛骨作為這個構圖的長 柄,結合整個構圖,可以認定蚌殼梯形與脛骨構成的圖案就是北斗星。確定了北斗星,再聯繫整個圖象的布局和造型,那麼這副蚌殼擺塑的龍和虎就只能作為星象來解釋,這樣本來孤立的龍虎圖由于北斗的存在而被自然地聯繫成了整體,成為天上的星宿和星象,即四象中的蒼龍白虎。而那個制式奇特的墓穴,其形狀實際呈現了最原始的蓋天圖式,下半部的方形是大地,上半部的圓形是天穹,實則蕴藏著最原始的“天圓地方”觀念。

這個只有蚌殼作為随葬物品的墓穴中, 竟然隱藏著“天”的秘密,陪葬墓主人的居然是整個天上的星斗。而那個北斗星的斗魁用貝殼,表明斗魁在天、在上;斗柄用人的腿骨,表明斗柄指地、在下。在 天、在上,為、為;在地、在下,為、為。它實際反映著古人頂天立地的幻想,所體現的是蒼天與大地的配合或聯繫,是神、鬼、人的相互交往。 而且 6500 年前的古人對天象有如此精細的認識,說明他們的生活時時刻刻離不開對天象的觀察,不僅僅是觀象授時的實用層面上的應用,而如此虔誠的模擬,更說明他們的思想觀念和行為活動都受著“天”的無形制約。

在《馬太福音 25:29;》一文中,我們談到了『北極星』的不動與『太陽』之視運動,遠古之人就從觀察實踐中得出了『天圓地方』的『理念』,以及『天左旋,地右動』的『道理』。人們因著『觀測』天地事物,而能建立『理論』;追究『概念』的『緣由』以及『理則』之『依據』,所以創發『哲學』。因此在生活學習的道路上,其實是『事無古今,理無中外』,彼此『同異之間』的『匯通處』往往就是『基元』的『觀念』;『基元觀念』的不同『詮釋』成為相異的『學說體系』。事實上『字串改寫系統』、『圖靈機』與『 λ 運算』,說著『□□』的不同『側寫』,彼此之間可以用『○○』來對應『轉譯』,人們或說『』或講『』的各種『詮釋』就祇在其人的了!!

假使說給定了一個『 λ表達式(\lambda x. ((\lambda y. (x \ y)) \ \Box)  \ \bigcirc),有人『第一步』這樣作『 \beta 化約』︰

((\lambda y. ( \bigcirc \ y))  \ \Box )

,也有人『第一步』這樣作『 \beta 化約』︰

(\lambda x. ( (x \ \Box )   \ \bigcirc)

,這樣不同的『步驟選擇』是否會產生『不同結果』的呢?如果說再次繼續進行『 \beta 化約』,兩者都會得到︰

(\bigcirc \ \Box )

,於是我們就可以歸結的說『 \beta 化約』不管是用著怎麽樣的『步驟次序』,都一定能夠得到『相同結果』的嗎??

─── 摘自《λ 運算︰概念導引《四》

 

這裡引用『λ 運算』文本作起頭,祇是希望讀者能夠讀一讀,體會『符號』、『概念』、『表達』、『詮釋』、… 有著深刻的蘊函?常常看似南轅北轍的論事說理,往往發現其實內在機理互通!終究講述相同之事??!!

現象既因相距 L 之兩透鏡之組合而起︰

物 → 光 …… → 透鏡 f_1 → 距離 L → 透鏡 f_2 …… → 像

且先列出其『光學矩陣』表達式︰

\left( \begin{array}{cc} 1 & 0 \\  - \frac{1}{f_2} & 1 \end{array} \right) \left( \begin{array}{cc} 1 & L \\  0 & 1 \end{array} \right) \left( \begin{array}{cc} 1 & 0 \\  - \frac{1}{f_1} & 1 \end{array} \right) = \left( \begin{array}{cc} 1 - \frac{L}{f_1} & L \\ \frac{L - (f_1 + f_2)}{f_1 \cdot f_2} & 1 - \frac{L}{f_2} \end{array} \right)

已知若其『等效』於『薄透鏡』,焦距 - \frac{1}{f} 等於 \frac{L - (f_1 + f_2)}{f_1 \cdot f_2} 。所以曉

L = 0 時, \frac{1}{f} = \frac{1}{f_1} + \frac{1}{f_2}

L < f_1 + f_2L > f_1 + f_2 時,組合焦距可由該式算出。

因是問題就落在 L = f_1 + f_2 的時候了。但思此刻之前、之後恰是 L - (f_1 + f_2) 變號之際,也是組合透鏡或聚、或散性質變化之處,故而特殊的耶!!??

何不就求得其表現

pi@raspberrypi:~ ipython3 Python 3.4.2 (default, Oct 19 2014, 13:31:11)  Type "copyright", "credits" or "license" for more information.  IPython 2.3.0 -- An enhanced Interactive Python. ?         -> Introduction and overview of IPython's features. %quickref -> Quick reference. help      -> Python's own help system. object?   -> Details about 'object', use 'object??' for extra details.  In [1]: from sympy import *  In [2]: from sympy.physics.optics import FreeSpace, FlatRefraction, ThinLens, GeometricRay, CurvedRefraction, RayTransferMatrix  In [3]: init_printing()  In [4]: f1, L, f2 = symbols('f1, L, f2')  In [5]: 相距L之兩薄透鏡組合 = ThinLens(f2) * FreeSpace(L) * ThinLens(f1)  In [6]: 相距L之兩薄透鏡組合 Out[6]:  ⎡     L                   ⎤ ⎢   - ── + 1         L    ⎥ ⎢     f₁                  ⎥ ⎢                         ⎥ ⎢         L               ⎥ ⎢       - ── + 1          ⎥ ⎢  1      f₂        L     ⎥ ⎢- ── - ────────  - ── + 1⎥ ⎣  f₂      f₁       f₂    ⎦  In [7]: 相距L之兩薄透鏡組合 = 相距L之兩薄透鏡組合.subs(L, f1 + f2)  In [8]: 相距L之兩薄透鏡組合 Out[8]:  ⎡       f₁ + f₂                 ⎤ ⎢   1 - ───────        f₁ + f₂  ⎥ ⎢          f₁                   ⎥ ⎢                               ⎥ ⎢           f₁ + f₂             ⎥ ⎢       1 - ───────             ⎥ ⎢  1           f₂        f₁ + f₂⎥ ⎢- ── - ───────────  1 - ───────⎥ ⎣  f₂        f₁             f₂  ⎦  In [9]: 相距L之兩薄透鏡組合 = RayTransferMatrix(相距L之兩薄透鏡組合.A.simplify(), 相距L之兩薄透鏡組合.B.simplify(), 相距L之兩薄透鏡組合.C.simplify(), 相距L之兩 薄透鏡組合.D.simplify())  In [10]: 相距L之兩薄透鏡組合 Out[10]:  ⎡-f₂          ⎤ ⎢────  f₁ + f₂⎥ ⎢ f₁          ⎥ ⎢             ⎥ ⎢       -f₁   ⎥ ⎢ 0     ────  ⎥ ⎣        f₂   ⎦  In [11]:  </pre>    <span style="color: #003300;">,探索其形式實質乎??</span> \left( \begin{array}{cc}
- \frac{f_2}{f_1} & f_1 + f_2 \\
0 & - \frac{f_1}{f_2} \end{array} \right) 。     <span style="color: #003300;">假使以《<a style="color: #003300;" href="http://www.freesandal.org/?p=57961">光的世界︰矩陣光學六乙</a>》文本『平行光』聚焦說法︰</span>  <span style="color: #808080;">若問什麼是 『平行光』?它與什麼『平行』的呢??一束『平行』之光線,可用(h, \theta),這裡h表示距離『光軸』的高度,視為此束『平行光』之參數變元;那個\theta是此光束與『光軸』形成的夾角,因此為此束『平行光』之常數常元。因是『平行光』說其自身光線彼此平行而已。 </span>  <span style="color: #808080;">………</span>  <span style="color: #808080;">如此就一個『焦距』為f的『薄透鏡』 </span> \left( \begin{array}{cc}
1 & 0 \\
- \frac{1}{f} & 1 \end{array} \right) <span style="color: #808080;">, 意味著與『光軸平行』之『平行光』\theta = 0 行經此『薄透鏡』後 ,將在離『薄透鏡』f處『聚焦』,此點稱之為『焦點』 。看來清楚明白之事,數理解析上要如何陳述此理耶?設想此束『平行光』剛過『薄透鏡』即將折屈,一段距離z後,整束光會交匯於一點,也就是說此點存在且和h無關也!</span>     <span style="color: #003300;">計算後可知此一『組合透鏡』之『不可能』的矣!!!</span> <pre class="lang:python decode:true ">pi@raspberrypi:~ ipython3
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?         -> Introduction and overview of IPython's features.
%quickref -> Quick reference.
help      -> Python's own help system.
object?   -> Details about 'object', use 'object??' for extra details.

In [1]: from sympy import *

In [2]: from sympy.physics.optics import FreeSpace, FlatRefraction, ThinLens, GeometricRay, CurvedRefraction, RayTransferMatrix

In [3]: init_printing()

In [4]: f1, L, f2 = symbols('f1, L, f2')

In [5]: 相距L之兩薄透鏡組合 = ThinLens(f2) * FreeSpace(L) * ThinLens(f1)

In [6]: 相距L之兩薄透鏡組合
Out[6]: 
⎡     L                   ⎤
⎢   - ── + 1         L    ⎥
⎢     f₁                  ⎥
⎢                         ⎥
⎢         L               ⎥
⎢       - ── + 1          ⎥
⎢  1      f₂        L     ⎥
⎢- ── - ────────  - ── + 1⎥
⎣  f₂      f₁       f₂    ⎦

In [7]: 相距L之兩薄透鏡組合 = 相距L之兩薄透鏡組合.subs(L, f1 + f2)

In [8]: 相距L之兩薄透鏡組合
Out[8]: 
⎡       f₁ + f₂                 ⎤
⎢   1 - ───────        f₁ + f₂  ⎥
⎢          f₁                   ⎥
⎢                               ⎥
⎢           f₁ + f₂             ⎥
⎢       1 - ───────             ⎥
⎢  1           f₂        f₁ + f₂⎥
⎢- ── - ───────────  1 - ───────⎥
⎣  f₂        f₁             f₂  ⎦

In [9]: 相距L之兩薄透鏡組合 = RayTransferMatrix(相距L之兩薄透鏡組合.A.simplify(), 相距L之兩薄透鏡組合.B.simplify(), 相距L之兩薄透鏡組合.C.simplify(), 相距L之兩 薄透鏡組合.D.simplify())

In [10]: 相距L之兩薄透鏡組合
Out[10]: 
⎡-f₂          ⎤
⎢────  f₁ + f₂⎥
⎢ f₁          ⎥
⎢             ⎥
⎢       -f₁   ⎥
⎢ 0     ────  ⎥
⎣        f₂   ⎦

In [11]: h, θ = symbols('h, θ')

In [12]: 平行光 = GeometricRay(h, θ)

In [13]: 平行光
Out[13]: 
⎡h⎤
⎢ ⎥
⎣θ⎦

In [14]: 相距L之兩薄透鏡組合 * 平行光
Out[14]: 
⎡              f₂⋅h⎤
⎢θ⋅(f₁ + f₂) - ────⎥
⎢               f₁ ⎥
⎢                  ⎥
⎢      -f₁⋅θ       ⎥
⎢      ──────      ⎥
⎣        f₂        ⎦

In [15]: f, z = symbols('f, z')

In [16]: 行經距離Z = FreeSpace(z)

In [17]: Z處匯聚現象 = 行經距離Z * 相距L之兩薄透鏡組合 * 平行光

In [18]: Z處匯聚現象
Out[18]: 
⎡  ⎛     f₁⋅z     ⎞   f₂⋅h⎤
⎢θ⋅⎜f₁ - ──── + f₂⎟ - ────⎥
⎢  ⎝      f₂      ⎠    f₁ ⎥
⎢                         ⎥
⎢         -f₁⋅θ           ⎥
⎢         ──────          ⎥
⎣           f₂            ⎦

In [19]: 

 

因為 \frac{f_2}{f_1} \neq 0 ,並且又和 h 獨立,要將如之何而可能焉???反思 (h, \theta ) 可以述說之事?

h 不變, \theta 不變,指一物點而已矣。

h 不變, \theta 可變,可能某一點光源也!

h 可變, \theta 不可變,或該物之平行光乎?

那麼

h 可變, \theta 也可變,到底是什麼的呢☆