宇宙的未来教案

《宇宙的未来》解读与探究预习提示本文是被誉为当代爱因斯坦的英国科学家霍金1991年1月在剑桥大学的讲演。这篇讲演，从古代巫师的预言，谈到近代世界末日预言和宗教预言，再过渡到对宇宙未来的讨论，主要探讨了宇宙未来的两种命运：一是继续膨胀下去，一是收缩以至于坍缩成一个奇点。膨胀还是收缩，取决于宇宙的平均密度。由于现在只能对星系和星系团等明物质和星系与星系团内的暗物质的量进行分析，而对星系和星系团之外广大空间中有无附加的暗物质目前还不能判断，因此，对宇宙现在的平均密度无法确切估算，对宇宙的未来也只能如同巫师“两方下赌注”，不能有肯定的科学结论。这篇文章涉及许多深奥的科学知识，又是翻译文字，读起来有一定困难。建议你采用如下的学习方法：(1)抓住开头结尾，把握文章结构。课文虽然难度大，但只要抓住开头与结尾，文章结构层次便豁然开朗。课文起笔开门见山，指出本文中心是预言宇宙未来，对此作者感到非常困难但又满怀信心。为什么如此矛盾？全文紧紧围绕这个问题展开讨论。结尾则是归结全文，指出文章从三个方面进行了分析论证。我们只要依据作者的上述提示顺藤摸瓜，对于文章的内容便不难理解。（2）认真推敲文字，准确理解语意。课文有许多科学术语，对于正确理解内容关涉甚大，例如“非常大的尺度”“暗物质”“大挤压”“微波背景辐射”“黑洞”“人择原理”“暴涨理论”等，要结合语境弄明内涵。课文还有许多精警的语句，含义深刻，还有许多的语句在幽默风趣，自我调侃中表达了丰富的哲理，这些地方要一一琢磨。课文是翻译文字，与汉语比较，在句子结构、语言风格上区别较大，理解起来有一定难度，阅读时更要细致辨析，避免误读。课文解读（1）这篇讲演的主题是宇宙的未来，或者不如说，科学家认为将来是什么样子的。预言将来当然是非常困难的。我曾经起过一个念头，要写一本题为《昨天之明天：未来历史》的书。它会是一部对未来预言的历史，几乎所有这些预言都是大错特错的。但是尽管有这些失败，科学家仍然认为他们能预言未来。（2）在非常早的时代，预言未来是先知或者女巫的职责。这些通常是被毒药或火山隙溢出的气体弄得精神恍惚的女人。周围的牧师把她们的咒语翻译出来，而真正的技巧在于解释。古希腊的德勒菲的著名巫师以模棱两可而臭名昭著。当这些斯巴达人问道，在波斯人攻击希腊时会发生什么时，这巫师回答道：要么斯巴达①会被消灭，要么其国王会被杀害。（①斯巴达：古希腊城堡中除雅典之外的最大城堡，位于希腊半岛南部的拉哥尼亚平原。）我想这些牧师盘算，如果这些最终都没有发生，则斯巴达就会对阿波罗太阳神①如此之感恩戴德，以至忽视其巫师作错预言的这个事实。（①阿波罗太阳神：阿波罗是希腊奥林珀斯十二主神之一，是宙斯与黑暗女神勒托的儿子。阿波罗是光明之神，也称真理之神。）事实上，国王在捍卫特莫皮拉隘道①的一次拯救斯巴达并最终击败波斯人的行动中丧生了。(①特莫皮拉隘道：一般译作“温泉关”。公元前480年，波斯国王薛西斯一世率领大军50多万、战舰千艘，越过达达尼尔海峡，水陆两路进犯希腊。斯巴达国王列奥尼达斯率领300名斯巴达士兵在温泉关顽强抵抗波斯军，虽然全部战死，但成功阻慢波斯大军前进，结果最后希腊战胜了波斯。)（3）另一次事件，利迪亚①的国王克罗修斯②，这位世界上最富裕的人有一次问道：如果他侵略波斯的话会发生什么。（①利迪亚：一般译作“吕底亚”，小亚细亚西部的奴隶制国家，在今土耳其境内。②克罗修斯：一般译作“克罗伊斯”，吕底亚的末代国王，约公元前560年—前546年在位。公元前546年，波斯国王居鲁士攻破其首都萨狄斯，被俘。据说他是古代的巨富之一，他的名字已成为“富豪”的同义语。）其回答是：一个伟大的王国将会崩溃。克罗修斯以为这是指波斯帝国，殊不知正是他自己的王国要陷落，而他自己的下场是活活地在柴堆上受火刑。（4）近代的末日预言者为了避免尴尬①，不为世界的末日设定日期。（①尴尬：ɡānɡà，处于进退两难的境地。）这些日期使股票市场下泻。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。（5）迄今为止，所有为世界末日设定的日期都无声无息地过去了。但是这些预言家经常为他们显然的失败找借口解释。例如，第七日回归的创建者威廉·米勒①预言，耶稣的第二次到来会在1843年3月21日至1844年3月21日间发生。（①威廉·米勒：1782—1849年，美国纽约州农民，近代基督复临运动的创始人。从1831年起开始传道，根据《但以理书》的某些章节推算出基督将于1843年或1844年3月21日第二次降临，赢得了成千上万的追随者。预言虽然失败，但该派仍坚持教义，并于1863年成立了基督复临安息日会。）在没有发生这件事后，这个日期就修正为1844年10月22日。当这个日期通过又没有发生什么事后，又提出了一种新的解释。据说，1844年是第二次回归的开始，但是首先要数出获救者名单。只有数完了名单，审判日才降临到那些不列在名单上的人。幸运的是，数人名看来要花很长的时间。（6）当然，科学预言也许并不比那些巫师或预言家的更可靠些。人们只要想到天气预报就可以了。但是在某些情形下，我们认为可以做可靠的预言。宇宙在非常大的尺度下的未来，便是其中一个例子。（7）我们在过去的三百年间发现了制约在所有正常情形下物体的科学定律。我们仍然不知道制约在极端条件下物体的精确的定律。那些定律在理解宇宙如何启始方面很重要，但是它不影响宇宙的未来演化，除非直到宇宙坍缩①成一种高密度的状态②。（①坍缩：天体体积缩小，密度加大。这里指整个宇宙的坍缩。坍，tān。②高密度的状态：即下文提到的“奇性”。）事实上，我们必须花费大量金钱建造巨大粒子加速器去检验这些高能定律，便是这些定律对现在宇宙的影响是多么微不足道的一个标志。（8）即便我们知道了制约宇宙的有关定律①，我们仍然不能利用它们去预言遥远的未来。(①制约宇宙的有关定律：从上下文看，作者在这里，既不是指“制约在所有正常情形下物体的科学定律”，也不是指“制约在极端条件下物体的精确的定律”，当是指能够制约宇宙未来的定律。)这是因为物理方程的解会呈现出一种称作混沌的性质。这表明方程可能是不稳定的：在某一时刻对系统作非常微小的改变，系统的未来行为很快会变得完全不同。例如，如果你稍微改变一下你旋转轮赌盘的方式，就会改变出来的数字，你在实际上不可能预言出来的数字，否则的话，物理学家就会在赌场发财。（9）在不稳定或混沌的系统中，一般地存在一个时间尺度，初始状态下的小改变在这个时间尺度将增长到两倍。在地球大气的情形下，这个时间尺度是5天的数量级，大约为空气绕地球吹一圈的时间。人们可以在5天之内作相当准确的天气预报，但是要做更长远得多的天气预报，就既需要大气现状的准确知识，又需要一种不可逾越的复杂计算。我们除了给出季度平均值以外，没有办法对6个月以后作具体的天气预报。（10）我们还知道制约化学和生物的基本定律，这样在原则上，我们应能确定大脑如何工作。但是制约大脑的方程几乎肯定具有混沌行为，初始态的非常小的改变会导致非常不同的结果。这样，尽管我们知道制约人类行为的方程，但在实际上我们不能预言它。科学不能预言人类社会的未来或者甚至它有没有未来。其危险在于，我们毁坏或消灭环境的能力的增长比利用这种能力的智慧的增长快得大多了。（11）宇宙的其他地方对于地球上发生的任何事物根本不在乎。绕着太阳公转的行星的运动似乎最终会变成混沌，尽管其时间尺度很长。这表明随着时间流逝，任何预言的误差将越来越大。在一段时间之后，就不可能预言运动的细节。我们能相当地肯定，地球在相当长的时间内不会和金星相撞。但是我们不能肯定，在轨道上的微小扰动会不会积累起来，引起在十几亿年后发生这种碰撞。太阳和其他恒星绕着银河系的运动，以及银河系绕着其局部星系团的运动也是混沌的。我们观测到，其他星系正离开我们运动而去，而且它们离开我们越远，就离开得越快。这意味着我们周围的宇宙正在膨胀：不同星系间的距离随时间而增加①。（①我们观察到……：这几个句子，作者用通俗的语言阐述了根据光谱红移现象推断出来的宇宙膨胀的理论。美国天文学家斯莱弗通过对恒星光谱的研究，于1912年发现它们的光谱线普遍存在着向红端移动的现象，进一步观察又发现，除个别例外，几乎所有的河外星系的光谱都有红移现象。按照多普勒效应解释，这就意味着这些星系都在远离地球而去。1929年，哈勃考察了斯莱弗的工作，提出了著名的哈勃定律：星系的红移量与它们离地球的距离成正比。哈勃定律证明了宇宙正在整体退移或者说整体膨胀。）（12）我们观察到的从外空间来的微波辐射背景①给出这种膨胀是平滑而非混沌的证据。（①微波辐射背景：一般称作“宇宙微波背景辐射”，即来自宇宙空间背景上的各个方向同性的微波辐射，是宇宙之初“大爆炸”的余热，温度比开氏绝对零度高2.7度，即-2700C，习惯上称为3K辐射。1965年美国科学家彭齐亚斯和威尔逊因共同发现宇宙微波背景辐射而获1978年诺贝尔物理学奖。）你只要把你的电视调到一个空的频道就能实际观测到这个辐射。你在屏幕上看到的斑点的小部分是由太阳系外的微波引起的。这就是从微波炉得到的同类的辐射，但是要更微弱得多，它只能把食物加热到绝对温度①度，所以不能用来温热你的外卖比萨②。（①绝对温度：即开氏温度，1848年由英国物理学有开尔文提出，1960年第十一届国际计量大会泰山定热力学温度以开尔文为单位。开氏的零度称为“绝对零度”0C。②比萨：一种意大利式馅饼。）人们认为这种辐射是热的早期宇宙的残余。但是它最使人印象深刻的是，从任何方向来的辐射量几乎完全相同。宇宙背景探索者卫星已经非常精确地测量了这种辐射。从这些观测绘出的天空图可以显示辐射的不同温度。在不同方向上这些温度不同，但是差别非常微小，只有十万分之一。因为宇宙不是完全光滑的，存在诸如恒星、星系和星系团的局部无规性，所以从不同方向来的微波必须有些不同。但是，要和我们观测到的局部无规性相协调，微波背景的变化不可能再小了。微波背景在所有方向上能够相等到100000分之99999（十万分之九万九千九百九十九）。（13）上古时代，人们以为地球是宇宙的中心。在任何方向上背景都一样的事实，对于他们而言毫不足怪。然而，从哥白尼①时代开始，我们就被降级为绕着一颗非常平凡的恒星公转的一颗行星，而该恒星又是绕着我们看得见的不过是一千亿个星系中的一个典型星系的外边缘公转。(①哥白尼：1473—1543年，波兰天文学家，太阳中心说的创立者，近代天文学的奠基人。)我们现在是如此之谦和，我们不能声称任何在宇宙中的特殊地位。所以我们必须假定，在围绕任何其他星系的任何方向的背景也是相同的。这只有在如果宇宙的平均密度以及膨胀率处处相同时才有可能。平均密度或膨胀率的大区域的任何变化都会使微波背景在不同方向上不同。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。（14）因为宇宙的膨胀是如此之均匀，所以人们可按照一个单独的数，即两个星系间的距离来描述它。现在这个距离在增大，但是人们预料不同星系之间的引力吸引正在降低这个膨胀率。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，这和启始宇宙的大爆炸相当相似。大挤压是被称作奇性①的一个东西，是具有无限密度的状态，物理定律在这种状态下失效。（①奇性：也称“奇点”，指空间—时间曲率变得无穷大而形成的点。大爆炸宇宙学认为，宇宙起源于大爆炸，在大爆炸之前，宇宙是一个没有体积的“奇点”，时间和空间都不存在。奇，jī。）这就表明即便在大挤压之后存在事件，它们要发生什么也是不能预言的。但是若在事件之间不存在因果的连接，就没有合理的方法说一个事件发生于另一个事件之后。也许人们可以说，我们的宇宙在大挤压处终结，而任何发生在“之后”的事件都是另一个相分离的宇宙的部分。这有一点像是再投胎。如果有人声称一个新生的婴儿是和某一死者等同，如果该婴儿没从他的以前的生命遗传到任何特征或记忆，这种声称有什么意义呢？人们可以同样地讲，它是完全不同的个体。（15）如果宇宙的密度小于该临界值。它将不会坍缩，而会继续永远膨胀下去。其密度在一段时间后会变得如此之低，引力吸引对于减缓膨胀没有任何显著的效应。星系们会继续以恒常速度相互离开。（16）这样，对于宇宙的未来其关键问题在于：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，而时间本身就会在大挤压处终结。然而，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。（17）我们可以从观测来估计宇宙的平均密度。如果我们计算能看得见的恒星并把它们的质量相加，我们得到的，不到临界值的百分之一左右。即使我们加上在宇宙中观测到的气体云的质量，它仍然只把总数加到临界值的百分之一。然而，我们知道，宇宙还应该包含所谓的暗物质，即是我们不能直接观测到的东西。暗物质的一个证据来自于螺旋星系。存在恒星和气体的巨大的饼状聚合体。我们观测到它们围绕着自己的中心旋转。但是如果它们只包含我们观测到的恒星和气体，则旋转速率就高到足以把它们甩开。必须存在某种看不见的物质形式，其引力吸引足以把这些旋转的星系牢牢抓住。（18）暗物质的另一个证据来自于星系团。我们观测到星系在整个空间中分布得不均匀，它们成团地集中在一起，其范围从几个星系直至几百个星系。假定这些星系互相吸引成一组从而形成这些星系团。然而，我们可以测量这些星系团中的个别星系的运动速度。我们发现其速度是如此之高，要不是引力吸引把星系抓到一起，这些星系团就会飞散开去。所需要的质量比所有星系总质量都要大得多。这是在这种情形下估算的，即我们认为星系已具有在它们旋转时把自己抓在一起的所需的质量。所以，在星系团中我们观测到的星系以外必须存在额外的暗物质。（19）人们可以对我们具有确定证据的那些星系和星系团中的暗物质的量作一个相当可靠的估算。但是这个估算值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。这样，如果我们仅仅依据观测证据，则可预言宇宙会继续无限地膨胀下去。再过50亿年左右，太阳将耗尽它的核燃料。它会肿胀成一颗所谓的红巨星①，直到它把地球和其他更邻近的行星都吞没。（①红巨星：光谱呈橙色、红色的巨星。它是在恒星演化过程中，由于内部核燃料的耗尽，热核反应的速率减弱，打破了引力与辐射压之间的平衡，恒星的外壳开始燃烧膨胀而形成的。）它最后会稳定成一颗只有几千英里尺度的白矮星①。（①白矮星：一类低光度、高温度、高密度的简并态恒性，是恒星演化的一种归宿。当恒星经过红巨星阶段损失大量质量后，剩下的质量若小于1.44个太阳质量，这颗恒星就演化成白矮星。）我正在预言世界的结局，但这还不是。这个预言还不至于使股票市场过于沮丧。前面还有一两个更紧迫的问题。无论如何，假定在太阳爆炸的时刻，我们还没有把自己毁灭的话，我们应该已经掌握了恒星际旅行的技术。（20）在大约100亿年以后，宇宙中大多数恒星都已把燃料耗尽。大约具有太阳质量的恒星不是变成白矮星就是变成中子星①，中子星比白矮星更小更紧致。(①中子星：恒星在核能耗尽后，经过引力坍缩，依靠简并中子的压力与引力平衡形成的星体。)具有更大质量的恒星会变成黑洞①。（①黑洞：一种特殊的天体，是时间—空间的一个区域。它的基本特征是有一个封闭的视界。由于引力过于强大，就连光也不能从中逃逸出来，所以黑洞是看不见的。）黑洞还更小，并且具有强到使光线都不能逃逸的引力场。然而，这些残留物仍然继续绕着银河系中心每一亿年转一圈。这些残余物的相撞会使一些被抛到星系外面去。余下的会渐渐地在中心附近更近的轨道上稳定下来，并且最终会集中一起，在星系的中心形成一颗巨大的黑洞。不管星系或星系团中的暗物质是什么，可以预料它们也会落进这些非常巨大的黑洞中去。（21）因此可以假定，星系或星系团中的大部分物体最后在黑洞里终结。然而，我在若干年以前发现，黑洞并不像被描绘的那样黑。量子力学的不确定性原理①讲，粒子不可能同时具有定义很好的位置和定义很好的速度。（①量子力学的不确定性原理：即海森伯提出的测不准原理。它的量子力学意义是不能在同一个态中同时准确测量出粒子的位置和速度。海森伯，1901—1976年，德国物理学家。）粒子位置定义得越精确，则其速度就只能定义得越不精确，反之亦然。如果在一颗黑洞中有一颗粒子，它的位置在黑洞中被很好地定义，这意味着它的速度不能被精确地定义。所以粒子的速度就有可能超过光速，这就使得它能从黑洞逃逸出来，粒子和辐射就这么缓慢地从黑洞中泄漏出来。在一颗星系中心的巨大黑洞可有几百万英里的尺度。这样，在它之内的粒子的位置就具有很大的不确定性。因此，粒子速度的不确定性就很小，这表明一颗粒子要花非常长的时间才能逃离黑洞。但是它最终是要逃离的。在一个星系中心的巨大黑洞可能花1090年的时间蒸发掉并完全消失，也就是“1”后面跟90个0。这比宇宙现在的年龄要长得多，它是1010年，也就是“1”后面跟10个0。如果宇宙要永远膨胀下去的话，仍然有大量的时间可供黑洞蒸发。（22）永远膨胀下去的宇宙的未来相当乏味。但是一点也不能肯定宇宙是否会永远膨胀。我们只有大约为使宇宙坍缩的需要密度十分之一的确定证据。然而，可能还有其他种类的暗物质，还未被我们探测到，它会使宇宙的平均密度达到或超过临界值，这种附加的暗物质必须位于星系或星系团之外。否则的话，我们就应觉察到了它对星系旋转或星系团中星系运动的效应。（23）为什么我们应该认为，也许存在足够的暗物质，使宇宙最终坍缩呢？为什么我们不能只相信我们已有确定证据的物质呢？其理由在于，哪怕宇宙现在只具有十分之一的临界密度，都需要不可思议地仔细选取初始的密度和膨胀率。如果在大爆炸后一秒钟宇宙的密度大了一万亿分之一，宇宙就会在十年后坍缩。另一方面，如果那时宇宙的密度小于同一个量，宇宙在大约十年后就变成基本上空无一物。（24）宇宙的初始密度为什么被这么仔细地选取呢？也许存在某种原因，使得宇宙必须刚好具有临界密度。看来可能存在两种解释。一种是所谓的人择原理，它可被重述如下：宇宙之所以是这种样子，是因为否则的话，我们就不会在这里观测它。其思想是，可能存在许多具有不同密度的不同宇宙。只有那些非常接近临界密度的能存活得足够久并包含足够形成恒星和行星的物质。只有在那些宇宙中才有智慧生物去诘问这样的问题：密度为什么这么接近于临界密度？如果这就是宇宙现在密度的解释，则没有理由去相信宇宙包含有比我们已探测到的更多物质。十分之一的临界密度对于星系和恒星的形成已经足够。（25）然而，许多人不喜欢人择原理，因为它似乎太倚重于我们自身的存在。这样就有人对为何密度应这么接近于临界值寻求另外可能的解释。这种探索导致极早期宇宙的暴涨理论。其思想是宇宙的尺度曾经不断地加倍过，正如在遭受极端通货膨胀的国家每隔几个月价格就加倍一样。然而，宇宙的暴涨更迅猛更极端得多：在一个微小的暴涨中尺度的至少一千亿亿亿倍的增加，会使宇宙这么接近于准确的临界密度，以至于现在仍然非常接近于临界密度。这样，如果暴涨理论是正确的，宇宙就应包含足够的暗物质，使得密度达到临界值。这意味着，宇宙最终可能会坍缩，但是这个时间不会比迄今已经膨胀过的一百五十亿年左右长太多。（26）现在小结如下：科学家相信宇宙受定义很好的定律制约，这些定律在原则上允许人们去预言将来。但是定律给出的运动通常是混沌的。这意味着初始状态的微小变化会导致后续行为的快速增大的改变。这样，人们在实际上经常只能对未来相当短的时间作准确的预言。然而，宇宙大尺度的行为似乎是简单的，而不是混沌的。所以，人们可以预言，宇宙将永远膨胀下去呢，还是最终将会坍缩。这要按照宇宙的现有密度而定。事实上，现在密度似乎非常接近于把坍缩和无限膨胀区分开来的临界密度。如果暴涨理论是正确的，则宇宙实际上是处在刀锋上。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。特色鉴赏（1）层层推进，步步深化。作者选择预言宇宙未来这个高深课题，因此，起笔就开门见山，指出预言未来非常困难，但是又对此满怀信心。为什么困难？作者反复举例论证了对一个混沌的系统只能进行短期的预报，不能预报遥远的未来，而宇宙在恒星、星系和星系团这样的尺度下是一个混沌的系统，因此要预言宇宙的未来非常困难。但又为什么满怀信心？作者运用光谱红移和宇宙微波背景辐射证明，宇宙在非常大的尺度下是简单的、非混沌的，因此对于宇宙的未来可以预言。怎么预言呢？于是，作者把他的研究推向深入，指出宇宙的命运取决于宇宙的平均密度。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。如果宇宙的密度小于该临界值。它将不会坍缩，而会继续永远膨胀下去。宇宙现在的平均密度是多少呢？作者通过详尽的分析、推算，指出宇宙中星系、星系团等明物质和星系、星系团中的暗物质的量在宇宙中的密度只有临界密度的十分之一。但是，宇宙在星系和星系团之外还有广大的空间，那里有没有附加的暗物质呢？于是作者又引入人择宇宙原理和暴涨宇宙理论继续深入论证。根据人择原理，宇宙密度只需要有临界密度的十分之一，星系和星系团之外的空间中不会再有附加的暗物质，因此宇宙将会无限地膨胀下去。根据暴涨理论，宇宙中还存在附加的暗物质，而且足可以使宇宙的平均密度达到临界密度，因此宇宙现在正处在膨胀和收缩的锋口，最终将会坍缩。作者的论证就这样步步推进，环环相扣，一直把我们引向问题的终极。（2）科学论证，超凡绝尘。对于一个复杂的处于混沌状态的事物要预言它的未来，我们都知道其中的困难，最常见的是天气预报，即便预报三四天的情况，也不能确保绝对准确,何况宇宙呢？但是作者却透过重重迷雾和种种假象，发现了宇宙这个最复杂最混沌的事物在非常大的尺度下最简单最单一的非混沌的本质。这样,他向我们揭示了一个真理，最复杂的事物原来是最简单的，最混沌的事物原来是最单纯的，因而宇宙的未来也是可以预言的。作者这种超凡的智慧和思维能力给了我们巨大的启示，他使我们相信，在具有如此伟大智慧的人类面前，宇宙中还有什么秘密不能揭开！这也许就是这篇文章所以扣人心弦的主要原因。这篇文章所以动人，还在于作者论证具体问题时所表现出来的敏捷的思维和严谨的推理。例如对于宇宙中的暗物质，眼睛看不见，仪器测不到，怎么断定它的有无？作者巧妙地利用旋转运动向心引力的原理，不仅断定它必有，而且计算出来它的量！对于黑洞，密度很大，引力强到连光线都不能逃逸出来，因此，根据引力学原理，科学家认定星系演变到黑洞就是最后的终结。但是作者却别出心裁地根据量子力学的不确定性原理发现，黑洞没有走到尽头，黑洞中有的粒子可以超过光速逃逸出来，从而导致黑洞最终会被蒸发。这样敏捷地解决问题的方法，在课文中还有许多，他使人感到无论多么困难的问题，作者都能手到擒来，迎刃而解。此外，作者分析问题时，那种严密的推理也让人惊叹不已。现在让我们再来看看作者是如何根据微波背景辐射推出宇宙在非常大的尺度下是平滑而非混沌的结论。作者先引用微波辐射的资料，指出它的两个特征：一是黑体辐射谱，二是各向同性。但是，在地球上测得的这个微波辐射有什么意义呢？作者对此进行了精辟的分析和推理。按照地心学说，地球处于宇宙的中心，这个发现则没有什么意义，因为理所当然应当这样。但是近代宇宙学告诉我们，地球不处在宇宙中心，地球只是宇宙中非常普通的一个点，因此就可以由个别推及一般，既然在地球这个点测得宇宙微波辐射是各向同性，那末在宇宙其他任何地方的那个点测得的微波辐射也应当同样是各向同性，这就是说，“在围绕任何其他星系的任何方向的背景也是相同的”。为什么会出现这种情况呢？作者合乎逻辑地推理分析，指出它只能是“宇宙的平均密度以及膨胀率处处相同”才可能出现，又由于微波背景辐射“是热的早期宇宙的残余”，来自宇宙大爆炸的初期，于是得出结论：宇宙的行为在非常大尺度下是简单的，而不是混沌的。你看，这里的推理是多么地严密而又周详！可以说，文章通篇都是这样的推理。读这篇课文，我们不仅学到许多的科学知识，仿佛走进了知识的殿堂，更能学到许多的科学思维和科学论证的方法，仿佛步入了思维的王国，享受到无穷的乐趣。问题探究在科学研究和科学发现领域中有一个很特别的理论，叫做“佯谬”。佯谬理论认为，科学发展的历史证明，原有理论体系内部可能存在着逻辑矛盾，佯谬就是暴露出原有理论体系的非科学性和局限性。它能诱发人们对旧理论的深层思考，并极大激励和启迪人们开始探索一个新的科学领域。每一个佯谬的提出和解决往往孕育着新理论的诞生，昭示着一场深刻的科学革命的到来。可以说，佯谬是推进科学发展的一个强大动力。最有名的例子是爱因斯坦的追光佯谬。爱因斯坦在1895年上中学时从科普读物中知道光是高速前进的电磁波，马上就提出一个“理想实验”：“假设一个人能以光的速度和光波一起跑，会看到什么现象呢？既然光是电场和磁场的不停振荡，交互变化而推动向前的波，难道那时会看到只是在振荡着的电磁波而不是向前传播吗？这可能吗？”爱因斯坦实际上是提出一个“追光佯谬”。爱因斯坦当时只有16岁。后来爱因斯坦带着这个问题学习、思考和研究了10年，终于1905年提出了“狭义相对论”，解决了这一佯谬。爱因斯坦在一次回忆中这样写道：“经过十年的沉思之后，我从一个悖论中得到了这样的原理，这个悖论是我在16岁就已经无意中想到了：如果我以光速度c（真空中的速度）追随一条光线运动，那么我就应当看到，这样一条光线就好像一个在空间里振荡着而停滞不前的电磁场。可是，无论是依据经验，还是根据麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。从一开始，在我直觉地看来就很清楚，从这样一个观察者的观点来判断，一切都应当像一个相对于地球是静止的观察者所看到的那样按照同样的一些定律进行。因此，第一个观察者怎样会知道或者能够判明他是处于均匀的快速运动之中呢？”这个离奇佯谬，既能一针见血地暴露出经典物理学的局限性和非科学性，同时在这个佯谬中隐约潜藏着狭义相对论的两个基本假设，即光速不变原理（在任何惯性参考系内真空中的光速是不变的）和相对性原理（物理学的规律在任何惯性参考系内都是一样的）。从经典物理学中牛顿力学与麦克斯韦电磁场理论之间内部逻辑矛盾出发，并将这一矛盾形象化为一个“追光理想实验”，这一思想犹如当年伽利略反驳亚里士多德关于物体重下落速度快的假说那样绝妙。爱因斯坦就这样借助佯谬的武器，揭露原有旧理论体系的逻辑矛盾，从理论上彻底推翻经典物理的时空观，创立崭新的相对论时空观。难怪有人说，爱因斯坦不是靠“盲目”地做实验，而是温文尔雅地拿着理性的佯谬，敲开真理之门。从爱因斯坦的事例看出，佯谬对科学研究和科学发现具有非常重要的意义，它是开拓创新的重要途径。我们在平时的学习中，要学会运用佯谬理论，不断提高自己发现矛盾和问题的能力，培养和提高自己的创新意识。现在，请同学们再品读课文《宇宙的未来》，说说霍金在探讨宇宙未来的过程中，哪些地方运用了佯谬理论？你运用这一理论，又从课文中发现了哪些佯谬？探究思路：佯谬并不神秘，佯谬就是暴露原有科学理论中潜在的矛盾，弄清楚原来的基本概念中出错在什么地方，从而找到解决问题的办法。正如毛泽东在《反对党八股》一文中所说：“什么叫问题？问题就是事物的矛盾。哪里有没有解决的矛盾，哪里就有问题。”因此，发现矛盾就是发现问题，这是创新的前提；是不是善于发现矛盾和问题，是有没有创新意识的一个最重要的标志。是我们在学习的过程务必自觉地注意培养和提高的最重要的能力。通过这次探讨，希望大家对这个问题高度注意。对于第一个问题，课文中的例子有：对暗物质的确认。假如星系和星团中没有暗物质，那末由星系动力学推知，高速旋转产生的离心力，就会把星球中的星球抛开，星系团也会飞散开去，但是现在星球被牢牢抓住，星系团也紧紧绑在一起，作者正是从这矛盾现象中断定其中必有暗物质。又如黑洞，如果根据引力学原理断定，它是星体运动的最后终结，那末就会与量子力学的不确定性原理相矛盾，作者正是通过这个佯谬的研究，对黑洞提出了全新的见解。对于第二个问题，我们也可以提出这样的问题。假如说宇宙的平均密度真的如作者所说是一个恒值，起始于宇宙大爆炸的初始密度，那末由于宇宙一直在不停地膨胀，空间在不断地增大，所以为了保持平均密度不变，宇宙就必须不断地产生新的物质。这物质来自何处？唯一的解释是只能来自宇宙大爆炸的“奇点”。由此可以推知，只要宇宙膨胀没有停止，这个奇点（残骸）应当仍然存在。但是，它存在何处？又如，根据宇宙大爆炸理论，宇宙在不停地膨胀，既有膨胀，宇宙就在不停地拓展自己的空间，这空间来自何处？是不是宇宙之外还有一个外空间？假如有这个外空间，那便意味着宇宙之外还有宇宙，假如没有外空间，宇宙又怎么能不断地获得新空间？如此等等，我们尽可能开动脑筋，虽然有些想法在别人看来幼稚可笑，甚至喷饭，但是也许你未来的诺贝尔奖就从这里起步呢！训练提高1．说说下面语句的表现手法及深刻含意：（1）近代的末日预言者为了避免尴尬，不为世界的末日设定日期。这些日期使股票市场下泻。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。（2）据说，1844年是第二次回归的开始，但是首先要数出获救者名单。只有数完了名单，审判日才降临到那些不列在名单上的人。幸运的是，数人名看来要花很长的时间。(3)这就是从微波炉得到的同类的辐射，但是要更微弱得多，它只能把食物加热到绝对温度的2.7度，所以不能用来温热你的外卖比萨。（4）然而，从哥白尼时代开始，我们就被降级为绕着一颗非常平凡的恒星公转的一颗行星，而该恒星又是绕着我们看得见的不过是一千亿个星系中的一个典型星系的外边缘公转。我们现在是如此之谦和，我们不能声称任何在宇宙中的特殊地位。（5）然而，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。（6）如果暴涨理论是正确的，则宇宙实际上是处在刀锋上。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。（7）这有一点像是再投胎。如果有人声称一个新生的婴儿是和某一死者等同，如果该婴儿没从他的以前的生命遗传到任何特征或记忆，这种声称有什么意义呢?人们可以同样地讲，它是完全不同的生命。答：2．根据上下文，解释加点词语的含义：（1）但是在某些情形下，我们认为可以做可靠的预言。宇宙在非常大的尺度下的未来，便是其中一个例子。（2）我们在过去的三百年间发现了制约在所有正常情形下物体的科学定律(从下文看，这是指牛顿万有引力定律)。我们仍然不知道制约在极端条件（当是指“大挤压”，宇宙坍缩成一种高密度状态）下物体的精确的定律。（3）我们可以从观测来估计宇宙的平均密度。如果我们计算能看得见的恒星并把它们的质量相加，我们得到的，不到临界值的百分之一左右。即使我们加上在宇宙中观测到的气体云的质量，它仍然只把总数加到临界值的百分之一。（4）因此可以假定，星系或星系团中的大部分物体最后在黑洞里终结。然而，我在若干年以前发现，黑洞并不像被描绘的那样黑。答：3．请你按照我们汉语的习惯，对下面句子中划线的部分进行改写，要求与原意完全相符，并且能与前后文衔接。（1）我曾经起过一个念头，要写一本题为《昨天之明天：未来历史》的书。它会是一部对未来预言的历史，几乎所有这些预言都是大错特错的。（2）其思想是，可能存在许多具有不同密度的不同宇宙。只有那些非常接近临界密度的能存活得足够久并包含足够形成恒星和行星的物质。（3）然而，宇宙的暴涨更迅猛更极端得多：在一个微小的暴涨中尺度的至少一千亿亿亿倍的增加，会使宇宙这么接近于准确的临界密度，以至于现在仍然非常接近于临界密度。（4）我们观察到的从外空间来的微波辐射背景给出这种膨胀是平滑而非混沌的证据。（5）但是若在事件之间不存在因果的连接，就没有合理的方法说一个事件发生于另一个事件之后。也许人们可以说，我们的宇宙在大挤压处终结，而任何发生在“之后”的事件都是另一个相分离的宇宙的部分。答：4．揣摩下列语句的含义，回答后面括弧内的问题：（1）科学不能预言人类社会的未来或者甚至它有没有未来。其危险在于，我们毁坏或消灭环境的能力的增长比利用这种能力的智慧的增长快得大多了。（2）为什么我们应该认为，也许存在足够的暗物质，使宇宙最终坍缩呢？为什么我们不能只相信我们已有确定证据的物质呢？（3）宇宙的其他地方对于地球上发生的任何事物根本不在乎。（4）我正在预言世界的结局，但这还不是。这个预言还不至于使股票市场过于沮丧。前面还有一两个更紧迫的问题。无论如何，假定在太阳爆炸的时刻，我们还没有把自己毁灭的话，我们应该已经掌握了恒星际旅行的技术。答：5．根据作者的论述，我们目前所能看到的宇宙物质最多只有临界密度的百分这一，似乎不足以使宇宙坍缩，但是作者又指出，宇宙中也许还存在有足够的暗物质可以使宇宙坍缩。作者作如是说法的证据是什么？答：6．“这表明方程可能是不稳定的：在某一时刻对系统作非常微小的改变，系统的未来行为很快会变得完全不同”，或者说“初始态的非常小的改变会导致非常不同的结果”，这是作者在文中反复说明的一个观点，并且运用这个观点来证明预言宇宙的未来非常困难。这个观点其实具有普遍性的意义，你能否运用它来说明其他方面的道理？答：7．根据课文内容回答下面问题：（1）作者说，预言将来当然是非常困难的,科学家仍然认为他们能预言未来。请说说作者为什么有这种矛盾的心情？（2）对于微波背景辐射，作者为什么一会说完全相同，一会又说只是几乎完全相同？（3）暴涨理论和人择原理有何异同？两者是什么关系？（4）作者列出了哪些古代和近代的预言家，科学家的预言和他们有什么不同？答：8．这篇课文充分表现了一个伟大科学家的创新精神，你从哪些方面受到了启发？解析与答案1．解析：这篇文章语言幽默风趣，在说明科学道理的同时，创造出一种轻松愉快的气氛，体现了演讲词的特点，而且还有许多的语句在幽默风趣，自我调侃中表达了丰富的哲理，对这些句子不要一笑了之，要仔细琢磨体会。答案：（1）一方面有人预言世界末日即将来临，人类面临灭顶之灾，让世界充满恐怖，一方面又有人利用这个预言拼命赚钱，以此揭露了这个预言的荒唐。这句话用对比的方法，让人在笑声中悟到人类自身的某些缺陷和某些思维误区。（2）“幸运的是，数人名看来要花很长的时间。”这句话幽默中含着揶揄和讽刺，揭露了宗教预言家所玩弄的骗人伎俩。（3）绝对温度的2.7度，相当摄氏的零下270多度，只能把食物冻结成厚冰，根本不能把食物加热，作者故意错谬，造成一种幽默的效果。（4）“我们现在是如此之谦和，我们不能声称任何在宇宙中的特殊地位。”作者用自我调侃的语气，与地心说形成强烈的对比，说明人类对宇宙认识的进步。（5）世界末日预言家预言了世界的末日，作者也预言了世界的末日，但是两者性质完全不同。作者用夸张和对比的手法，揭示了它们的本质区别。（6）用比喻的手法，说明宇宙现在是处在膨胀或收缩的分界，处境危险。但究竟是哪种命运无法断定，所以只好如同巫师“两方下赌注”，表示了科学的无奈。（7）用这个比喻形象地说明不能用因果原理来解释所有的现象，一个事件发生在另一个事件“之后”，并不意味着它们之间一定有内在的因果联系。因此不能说，宇宙在大挤压处终结，是

“之后”的另一个相分离的宇宙的部分。2．解析：这是一篇科学论文，涉及许多科学术语，对于正确理解课文内关涉甚大，要结合上下文正解理解这些词语的涵义，这对于提高我们阅读理解能力很有好处。答案：（1）某些情形，根据课文第12、13段对微波背景辐射的论述理解，指的是简单的非混沌的系统。非常大的尺度，作者在第（11）段中说明宇宙在恒星、星系和星系团的这个“尺度”下的运动是混沌的、不稳定的。据此，“非常大的尺度”，从空间来讲，当时指“恒星、星系和星系团”之外的广大宇宙空间；第（25）段又说“宇宙最终可能会坍缩，但是这个时间不会比迄今已经膨胀过的一百五十亿年左右长太多”，因此从时间来讲，“非常大的尺度”当在150亿年左右。（2）根据课文第7段及下面文字的论述，课文所指的“制约在所有正常情形下物体的科学定律”当是指牛顿万有引力定律。极端条件，当是指“大挤压”，宇宙坍缩成一种高密度状态。（3）根据课文在结尾的说明，临界值，指的是宇宙的平均密度所达到的把坍缩和无限膨胀区分开来的那个密度值。这个值是多少呢？课文未作具体说明，科学家理论计算得出的临界密度为5×10－30克/厘米3。（4）这里的“黑”就是终结、死亡的意思。科学家原来根据引力学原理描述星体演化到黑洞就是最后的终结，但霍金根据量子力学中的不确定性原理发现，黑洞的物质也在不断减少，直至被完全蒸发。3．解析：这是一篇翻译文字，长句和结构复杂的句子较多，欧化现象比较明显，许多句子的写法与汉语有较大区别。对这种句子按照汉语的习惯改写，是一种帮助理解的好方法。答案：（1）它会是一部这样的历史：记载人类对未来所作的预言，而所有这些历史上曾经有过的预言都是大错特错的。（2）只有那些非常接近临界密度的宇宙才能存活得足够久并包含足够形成恒星和行星的物质。（注意加点的三个字是添加的）（3）一个微小的奇点经过暴涨，尺度至少增加了一千亿亿亿倍之后。（4）从外空间来的微波辐射背景证实了这种膨胀是平滑而非混沌的。或者“从外空间来的微波辐射背景为这种膨胀是平滑而非混沌的结论提供了证据”。（4）一个事件为什么会发生在另一个事件之后呢，合理的解释是它们之间存在某种内在的因果联系。此后又会演化成另一个新的宇宙。4．解析；课文中有许多精警的语句，看似平淡，而含义非常深刻，要细心体会。答案：（1）这是作者利作混沌学原理启示人类要珍爱地球，破坏容易建设难。“初始态的非常小的改变会导致非常不同的结果”，任何破坏大自然的行为都可能产生难以想象的严重后果。（2）这是作者用设问句的形式来肯定一个观点。按照汉语的习惯，这个句子最好写成：我们不能只相信我们已有确定证据的物质，宇宙中也许存在足够的暗物质使宇宙最终坍缩，为什么应当作这样的认定呢？（3）宇宙非常博大，地球只是其中一个微不足道的小点，所以，地球上发生的任何事情对于宇宙都不会产生什么影响。（4）作者预言太阳和地球会毁灭，但是人类