(全)宇宙的未来【解读】+练习

宇宙的未来【解读】+练习宇宙的未来课文研讨一、整体把握仰望灿烂的星空，我们会肃然起敬，产生无穷无尽的联想和想象。从古到今，人们对于宇宙的猜测和探索从来也没有停止过。如屈原在《天问》里就发出了一系列的探问：“遂古之初，谁传道之?上下未形，何由考之?……九天之际，安放安属?隅隈多有，谁知其数?天何所沓?十二焉分?日月安属?列星安陈?出自汤谷，次于蒙汜，自明及晦，所行几里?”中国古代的宇宙学有浑天说、盖天说、宣夜说等，西方有日心说、地心说等。然而直到20世纪诞生现代宇宙学，人们对宇宙的认识才有了根本性的突破（参见“有关资料”部分）。本文作者是当代著名的理论物理学家，他以“宇宙的未来”这样玄而又玄的话题在剑桥大学作讲演，对我们认识宇宙有哪些启示呢?在讲演的开头，作者就指出，预言将来是非常困难的，预言宇宙的将来尤其困难。虽然如此，科学家对此仍然满怀信心。课文第2段，作者却话题一转，考察起预言的历史。提及预言，人们会不由自主地想到古代的巫术。女巫用“毒药或火山溢出的气体”把自己“弄得精神恍惚”，不过是为了增加一点儿神秘色彩，“而真正的技巧在于解释”。近代宗教预言也是这样，不断用新的解释来掩饰预言的失败，如“首先要数出获救者名单”等。那么，科学家的预言是不是也像古代的预言家一样是一时的“骗术”呢?作者指出，“科学预言也许并不比那些巫师或预言家的更可靠些”，比如对天气预报、对“极端条件下物体的精确的定律”，以及对大脑的工作机制等，都还缺乏准确的判断。但是，“宇宙在非常大的尺度下的未来”，还是可以预言的。宇宙中的局部运动也许会出现混沌状态，但宇宙在大尺度上是可以预测的。宇宙正在高速膨胀，其他星系正在飞速离我们远去。宇宙微波背景辐射证明了宇宙的膨胀大体上“是平滑的而非混沌的”，因为如果宇宙的膨胀率和平均密度不均匀，来自宇宙各个方向的宇宙微波背景辐射温度就不会如此一致。“这表明，宇宙的行为在非常大尺度下是简单的，而不是混沌的。因此我们可以预言宇宙遥远的未来。”从目前的情况看，宇宙中星系之间的距离在增大，但是星系之间的引力吸引有可能降低膨胀率。“如果宇宙的密度大于某个临界值，引力吸引将最终使膨胀停止并使宇宙开始重新收缩。宇宙就会坍缩到一个大挤压。”“大挤压”和“大爆炸”前的状态相似，“具有无限密度”，“物理定律在这种状态下失效”。这样，预言宇宙的未来，“关键问题在于：平均密度是多少?如果它比临界值小，宇宙就将永远膨胀。但是如果它比临界值大，宇宙就会坍缩”。但是，计算宇宙的平均密度并不容易。把我们现在能看到的恒星质量加起来，还不到临界值的百分之一；即使加上“气体云的质量”，最多达到临界值的百分之一。但是，我们能不能据此得出宇宙将永远膨胀下去的结论呢?还不能。因为宇宙中还存在许多暗物质，这些暗物质我们肉眼看不见，不能直接观测到。黑洞就是这类暗物质，它是超大恒星死亡的产物。霍金对黑洞的解释是：“空间—时间的一个区域，因为那儿的引力是如此之强，以至于任何东西甚至光都不能从该处逃逸出来。”(见《时间简史》一书所附《小辞典》)我们虽然看不见黑洞的存在，但可以通过观察螺旋星系和星系团来判断它们的存在：能使大质量的星系或星系团绕之旋转的东西，其质量一定比这些星系和星系团大得多。作者指出，根据现在的观测研究，将这些暗物质估算在内，“仍然只达到要使宇宙重新坍缩的临界质量的百分之十左右”。于是有人择原理和暴涨理论为之说，前者假设有多个宇宙共存，而我们所能理解的只是身处其中的一个；后者认为宇宙可能采取一种非常规的方式突变，从一个微小的尺度很快达到临界状态。宇宙的未来归根到底，宇宙的未来只有两种命运：继续膨胀，或可能收缩。这取决于宇宙现有的密度，所以，科学家在没有称算出宇宙的重量之前，不得不承认“宇宙实际上是处在刀锋上”，所以要继承巫师或预言家的传统：“两方下赌注，以保万无一失。”二、问题探究1.作者是怎样探讨“宇宙的未来”的?作者先从古代的巫术和近代的宗教预言谈起，引出话题，说明从科学的角度谈论宇宙的未来是非常严肃的事，科学有别于宗教的地方是它的求实精神。探讨宇宙是继续膨胀还是有可能收缩是这篇讲演的主体部分，计算宇宙的密度又是这一主体部分的关键，有关宇宙中物质密度临界值的探讨，则把问题引向深入。最后，介绍两种新的理论──人择原理和暴涨理论，则体现了科学界最新的探索。作者从可见物质谈到暗物质，从成熟的理论谈到科学的假说，把问题讲得透彻明白。最后没有作出一个明确的预言，恰恰说明了他严谨的科学态度。2.怎样理解本文的一些相关论述?这是一篇科学讲演，涉及较为复杂的背景知识。这些知识和讲演的主题是密切相关的，如果不作必要的交代，讲演的内容就会显得抽象和单薄。如，谈到天气预报、大脑工作原理都具有混沌性质，来反衬宇宙在大尺度上是“平滑而非混沌”的；如，谈到恒星的死亡(归宿)引出黑洞，为宇宙中暗物质的存在寻找理论支持；如，谈到现存宇宙对初始密度的极度敏感，引出了“人择原理”等等。这些相关的论述，或从对立面凸显观点，或从纵深面强化观点，使论证丰富多彩。3.这篇讲演在语言上具有怎样的特点?讲演是面对面的交流，这种交流又是单向度的，如果不注意讲演的语言艺术，就达不到最佳的表达效果。这篇讲演，除了推理严谨外，语言幽默也是其突出的特点。幽默的语言创造出一种轻松愉快的气氛，更具有亲和力，使所阐发的事理更容易为听众接受。如，谈到轮赌盘的旋转具有混沌性质，作者说即使是物理学家也不能计算出它“出来的数字，否则的话，物理学家就会在赌场发财”，这就生动地说明了什么是混沌现象；如，文章最后一句话：“所以我正是继承那些巫师或预言者的良好传统，两方下赌注，以保万无一失。”兼有讽刺与幽默，对宇宙未来命运的判断采取了审慎态度。关于练习一作者讲演的题目是“宇宙的未来”，却先讲了许多历史故事，这起到了什么作用?你认为这是“跑题”了还是与话题有关联?设题意图：通过对这一问题的思索，引导学生体会讲演“引言”的特点。参考答案：如同中国古代说书人先讲一段别的故事以引起正题一样，这篇讲演先从古代的先知和女巫谈起，以引起听众的兴趣，起到了引出话题的作用。作者敢于讽刺那些古代预言家，正是代表科学界表明了一种自信，因为科学的预言是建立在科学研究基础之上的，是可以用科学原理加以说明的。所以说，“讲史”是为了“衬今”，不是“跑题”，而是与话题相关的。二举出文中几个语言幽默风趣的例子加以分析，体会霍金这位科学大师的演说风格。设题意图：通过举例分析，使学生悉心体会这篇讲演幽默的语言风格，并期望学生在今后的写作实践中有意识地学习运用。参考答案：除了“课文研讨”中举过的例子，课文中还有许多风趣幽默的话语。如，说古代女巫“通常是被毒药或火山隙溢出的气体弄得精神恍惚的女人”，叙述生动，语言夸张而带有讽刺意味，把女巫需要借助神秘力量来作“预言”的特点揭露无遗。如，讽刺近代宗教预言家时说“幸运的是，数人名看来要花很长的时间”，委婉地道出这些“末日预言者”的尴尬与无奈。如，在反思世界末日会使股票下跌时说：“虽然它使我百思不解，为何世界的终结会使人愿意用股票来换钱，假定你在世界末日什么也带不走的话。”有力地讽刺了有关世界末日的预言给人们精神上造成的恐慌。如，“我比其他的末日预言者更占便宜。即便宇宙将要坍缩，我可以满怀信心地预言，它至少在一百亿年内不会停止膨胀。我预料那时自己不会留在世上被证明是错的”，以庆幸自己会逃脱干系的自嘲式的幽默，传达出宇宙“至少在一百亿年内不会停止膨胀”的重要信息。三学了本文，你对我们头上的灿烂星空有哪些新的认识?请推举出一两位班上的“天文爱好者”，组织一次科普讲座，可以参考以下题目：1.日食和月食2.哈雷彗星的回归3.流星雨4.登陆火星设题意图：通过这次科普讲座活动，增加学生对我们所处的宇宙家园的了解，增进学生对科学的热爱，并从中提高他们的口语表达能力。参考答案：略教学建议一、本文虽然是一篇略读课文，但涉及的科学知识有一定难度。教学中要参考“课文研讨”和“有关资料”部分，帮助学生读懂课文。这篇讲演的主体部分是论述宇宙物质密度的段落，这是课文的重点，也是理解的难点。不过其中的道理比较简单：宇宙中物质的密度，决定了引力的大小。物质密度大，引力就大；物质密度小，引力就小。当物质密度超过一个临界值，引力增大，宇宙就会停止膨胀而收缩。物质密度不但取决于可见天体和气体云，还取决于宇宙中的暗物质有多少。现在科学家还不能给整个宇宙“过秤”来称量它的质量，所以宇宙未来的两种命运仍是悬而未决的。二、结合练习第二题，引导学生体会这篇讲演幽默的语言风格。可以与前面学过的《作为生物的社会》一文作对比，看看两位作者的幽默风格有什么异同。还可以鼓励学生沿着作者的思路或另辟蹊径“仿造几句”，既加深对课文内容的理解，又提高自己的思维和语言表达能力。三、对本文内容的理解，不要求全责备，能理解作者的主要观点和推论即可。学生对一些细节问题一时不能完全明了，可留待以后的学习中逐渐领悟。科普讲座也要量力而行，可大可小，大到专门组织一次活动，小到在课堂上自由发言。可请物理老师作一些背景知识讲解，或提供书目音像资料，以提高讲座的科学性；语文老师则着重在组织和表达方面给予指导。有关资料一、作者简介(麦克丹尼尔)斯蒂芬·霍金是继阿尔伯特·爱因斯坦之后最杰出的物理学家。霍金1942年出生于英国牛津，先后就读于牛津大学和剑桥大学，学习数学、物理学和宇宙学。1963年，霍金经诊断得了肌萎缩性侧索硬化症。这种病会引起肌肉萎缩，导致瘫痪；说话会越来越困难，直至完全丧失语言能力；患者通常因并发肺炎或窒息而死亡。不过，患者的思维能力包括记忆能力不受影响。医生告诉霍金他最多只能活两年。在经历了一段短暂的失望和沮丧后，霍金又开始了他的宇宙学研究。霍金后来在相对论、“大爆炸”和黑洞等领域取得了突出的研究成果。霍金1988年出版的宇宙学著作《时间简史：从大爆炸到黑洞》，是一部里程碑式的畅销书。霍金被确诊患病已三十多年，但他仍孜孜于宇宙起源的理论研究，仍在为大统一理论而耕耘不已。霍金现任剑桥大学卢卡斯数学教授，这也是牛顿爵士曾担任过的职位。(选自《斯蒂芬·霍金：伟大的物理学家》，世界知识出版社1998年版)二、有关背景知识中国是最早进行天文观测的国家之一，在殷商甲骨文里，就有许多天文观测记录。汉语“宇宙”一词出现较早。战国时期的尸佼在他的著作《尸子》中就说：“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”东汉的高诱在《淮南子·原道训》注中也说：“四方上下曰宇，古往今来曰宙。”中国古代的宇宙学说，有浑天说、盖天说、宣夜说等。浑天说认为：“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于天内，天大而地小。大表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而浮。”(《张衡浑仪注》)盖天说认为：“天似盖笠，地法覆盘。”(《晋书·天文志》)天地都是穹形的，如同一个同心的球穹。宣夜说认为：“天了无质，仰而瞻之，高远无极，眼瞀精绝，故苍苍然也。”(《晋书·天文志》)就是说“天”不是一个固体的“天穹”，不过充满了无边无际的气体，日月星辰都在这气体中浮动。在西方，古希腊人也有多种宇宙学说。公元前600年左右，住在米利都的古希腊哲学家泰利斯认为地球是一个圆盘，漂浮在一片汪洋中。他的弟子阿那克西曼德认为天空是包围地球的一个球层，恒星在内层，太阳和月亮在外层。毕达哥拉斯认为，地球、月亮、太阳、行星和恒星都在一个同心球上围绕中央火旋转。托勒密总结了古希腊的天文学成就，著《天文学大成》，认为地为球形，静止不动，处于宇宙的中心，其他天体围绕地球运行，创立了“地心说”，统治西方天文学界一千四百多年，直到波兰天文学家哥白尼在16世纪发表《天体运行论》，创立日心说。17世纪，意大利物理学家和天文学家伽利略亲手制造天文望远镜，开拓了人们的天文视野。德国天文学家开普勒提出了行星运动的三大定律，英国物理学家牛顿用力学的引力原理解释开普勒的行星运动定律，创立了天体力学。现代宇宙学最有影响的学说是大爆炸宇宙学。大爆炸宇宙学认为，宇宙早期温度极高(在100亿度以上)，物质密度极大。在那里，物质被压缩成一个奇点，时间和空间都毫无意义。大约200亿年前，发生“爆炸”，温度逐渐冷却，形成各种各样的恒星体系，也就是我们今天所能观测到的宇宙。宇宙大爆炸学说是逐渐形成的。20世纪初，爱因斯坦的相对论改变了科学家研究宇宙的方法。1927年，比利时天文学家勒梅特第一个提出了动态宇宙模型，认为宇宙是从一种“原始原子”不断分裂、膨胀形成的。他推测：如果宇宙中物质的质量小于某个临界值，宇宙就会继续膨胀下去，成为“开放的宇宙”；反之，就会坍缩，成为“闭合的宇宙”。1948年，出生在俄国的美籍物理学家伽莫夫发展了这一理论，提出了“大爆炸”学说。大爆炸学说得到了以下天文观测的支持。(1)河外星系有系统地谱线红移(课文中涉及)。1917年，美国天文学家斯里弗发现河外星系谱线有系统地向红端移动，表明这些遥远的天体正在离我们远去。1929年，美国天文学家哈勃发现，几乎所有的星系都有红移现象。星系距离越远，红移越大。这种红移与距离之间的线性关系，称为哈勃定律。(2)在各种不同的天体上，氦的丰度相近，大都是30％。根据大爆炸理论，早期宇宙温度很高，所以产生氦的效率也很高。(3)测定各种天体的年龄，均小于200亿年。(4)宇宙微波背景辐射的发现。三、宇宙论导引(J.希尔克)宇宙论是研究宇宙的大尺度结构和演化的学科。当我们巡视遥远的太空深处时，也就是在沿着时间上溯。我们所看到的那些最远的星系，是很久很久以前当它们发出的光开始其漫长的太空旅行时的面貌。既然庞大的星系都曾经是年轻的，所以宇宙结构如何产生的问题就同宇宙论不可分割地联系在一起。研究宇宙中可观测的结构(从巨大的星系团到太阳系)的起源属于天体演化学的领域。有待查明的根本问题包括：宇宙是何时和怎样发端的，星系是如何形成并获得我们观测到的形态及尺度分布的，恒星是如何诞生的，行星和生命是如何演化的，等等。仅仅在20年前，人们还没有什么把握来回答宇宙论和天体演化学的这些根本问题。我们对于遥远宇宙和早期宇宙的知识是如此贫乏，以至于好些很不相同的宇宙学理论似乎都可以解释观测资料。然而近年来天文学家们作出了有关宇宙本性的激动人心的新发现，这些发现提供了压倒优势的证据支持一种宇宙学理论，即大爆炸理论。今天，人们正是在这个理论的框架内探索着宇宙论和天体演化学的根本问题。尽管大爆炸理论还不能对所有的重大问题作出回答，但它却为我们勾画出了一幅宇宙演化的大致轮廓。在下面几章中，我们将描述那些为大爆炸理论提供了证据的发现，并将追溯宇宙从最初时刻以来的演化。可以看到，当我们试图回答宇宙论和天体演化学的某些基本问题时，新的问题和争议又会不可避免地出现。我们理论的许多细节仍然是不确定的。在这种情况下，我们可以描述一些可供选择的假说，并指出一些方向留待进一步的研究来判明。因此，我们的讨论既包含了宇宙本身的过去和未来，也包含着人类为理解它所作努力的历史和前景。作为开始，我们要介绍一些形成任何科学的宇宙理论基础的原理。1.宇宙学原理自古以来，人类就不愿放弃我们在宇宙里起着中心作用的想法。先是提出了地心宇宙观，放弃地心宇宙观以后又提出了日心宇宙观。直到20世纪人们才认识到，我们的太阳不过是处在一个普普通通星系边沿的一颗普普通通的恒星。我们的星系是一个大星系团外部的一个松散星系群的一员。甚至这个星系团(即室女座星系团)同我们在宇宙中其他地方看到的真正巨大的星系团相比，也只不过是一个毫不出众的角色而已。我们在宇宙中的地位可以说是平凡到了极点。这种用最大的光学望远镜观测得来的知识，给宇宙学者留下了一个棘手的难题。我们的观测是从宇宙中的一个特殊位置进行的，而建立一个宇宙学理论却要求一般地了解整个宇宙中物质的性质和分布。宇宙学者需要摆脱这种令人遗憾的限制，他们的办法是假设一个普适原理，这个原理要求宇宙在我们附近的部分同极遥远的区域相比没有什么差别。有很强的哲学理由来为这种普适原理辩护。举个例来说，物理学规律在全宇宙中应当是同样的；因为若不如此，实验就会不可重复，而我们的物理规律就会不成其为规律了。一个更强的要求是，大宇宙应当尽可能地简单。用可以容许的最简单模型来解释现象，这是物理学前进的自然方式。不过，宇宙学原理也有一些不同的说法。1543年，哥白尼提出地球可能不是宇宙的中心。哥白尼学说的逻辑推广是应将我们的银河系从任何优越的空间位置挪走。于是我们得到了近代宇宙论的重要基石，即哥白尼宇宙学原理。这个原理说，我们在宇宙空间中并不处于特别优越的位置。人们研究了天文底片上的大量星系以后发现，它们的出现频率在不同方向上是颇为相似的。这一迹象表明，宇宙是局域各向同性的，从地球上看来，宇宙在不同方向上显示出相同的面貌。(从中心看一个球是各向同性的，而看一个鸡蛋就不然了。)哥白尼原理要求，宇宙在空间任何一点周围都是各向同性的。矩的反射应足以验证，点点各向同性要求宇宙在空间上也必须均匀。因为，如果宇宙是非均匀的，那么它只能在某些特定位置上显示出各向同性。某些宇宙学者曾试图把宇宙学原理推广到包括沿时间不变的概念。根据这个原理，至少在最大的尺度上宇宙是永恒不变的。于是，完美宇宙学原理说，从空间和时间中的任何一点看去，宇宙都呈现出相似的面貌。由这个假设导出的稳恒态宇宙论已被观测排除。因而，宇宙学者一般只接受宇宙学原理的较弱的形式，而我们也乐于承认，宇宙在空间(而不是时间)中是近似均匀且各向同性的。为了完备起见，我们还得谈谈人择宇宙学原理。这个原理采取的观点同完美宇宙学原理正好相反，宣称人类是在一个特定时期观察着宇宙的，尽管目前的宇宙从空间任何点看去显得一样。假设这个特定时期是因为需要产生那些有利于生命演化的特殊条件，比方说，假如宇宙比现在炽热得多或稠密得多，星系就不能形成；假如引力的强度和我们的观测值大不相同，行星系统就不能形成，或不适合于我们所知的生命形式存在。现已查明，地球的年龄和天文学家发现的最老恒星或星系的年龄相仿(顶多差4倍)，这毕竟是一个惊人的符合。人择宇宙学原理用“许可”来解释这种相似性。宇宙本来可以比它实际的情形不规则和无序得多。人择宇宙学原理断言，若是那样的话，各种条件就不能容许生命存在了。因此，作为观察者，我们是生活在一个非常特殊的宇宙中，并且这个宇宙必须是均匀各向同性的。“人择”是一个非常基本的论据，因为它试图对哥白尼宇宙学原理作出解释，而后者几乎是所有有生命力的宇宙论的核心。2.近代宇宙论不同的宇宙学原理导致迥然不同的宇宙图景。哥白尼宇宙学原理是大爆炸理论的基础。的确，大爆炸理论实际上先于宇宙膨胀的发现。如果要求宇宙处处均匀各向同性，我们就唯一地得出大爆炸宇宙论。实际上有两种不同的大爆炸宇宙论模型。按第一种模型，宇宙将永远膨胀下去。按第二种模型，宇宙最后将重新收缩。在这两种模型中，使宇宙趋向再收缩的引力都是由初始爆炸的力抗衡着，后者在永远膨胀的模型中相对较强，而在注定要再收缩的模型中相对较弱。按照大爆炸理论，宇宙在过去一定要比现在致密得多炽热得多。这个理论不符合完美宇宙学原理，后者要求宇宙在一切时期显示出相同的面貌。建立稳恒态宇宙论就是为了满足完美宇宙学原理的要求。这种理论是1948年由海尔曼·邦迪、托马斯·哥尔德和弗雷得·霍依耳引入的。它假设物质不断地以准确的速率产生出来恰好维持宇宙中各处相同的平均物质密度，从而预言宇宙在一切时代都具有相同的面貌。稳恒态理论(至少它的初始形式)是一个非常大胆的理论。大爆炸理论最薄弱的一环，即初始创生的时刻被暴露出来了。既然大爆炸理论可以断言宇宙是在遥远而有限的过去一瞬间创生的，那为什么不能同样合理地断言任何时刻任何地方都在发生创造呢?观测证据是任何理论最严格的仲裁者，它终于否定了稳恒态宇宙论的这个大胆断言。在1950年，由于进行了更精巧更有鉴别力的天文观测，稳恒态理论的提倡者逐渐修改了它的形式。因为这个理论变得越来越牵强，只剩下一些最固执的支持者还相信它。最后，稳恒态宇宙论在1965年被宇宙微波背景辐射的发现推翻了，这一发现为宇宙早期的炽热阶段提供了不容置辩的证据。现在，稳恒态宇宙论只不过是在现代宇宙论发展过程中的一个有相当历史意义的插曲而已。虽然人们一直敦促稳恒态理论的提出者同意宇宙膨胀开始于百亿年前的一瞬，但关于早期宇宙行为的无数种可能的宇宙模型仍然具有活力。哥白尼宇宙学原理只能用可观测的宇宙来评判，而大爆炸理论对后者提供了极好的描述。不过，在宇宙还很年轻的早期，我们可以想象一种宇宙论和标准大爆炸模型的均匀各向同性膨胀非常不同。这种膨胀是各向异性的：在某个优先的方向上迅速膨胀而同时在另外的方向上坍缩。或者，宇宙也可能是非常不均匀的；在较密