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《宇宙的未来》课文说明


      一 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。天表里有水,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,相距八万里。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(课文中涉及到)。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(课文中涉及到)。

      二 内容理解

      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。但科学家仍然有信心。

      提到预言,人们会不由自主地想到古代的巫术。女巫把自己“弄得精神恍惚”,不过是为了增加点神秘色彩,“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。也许,科学预言并不比巫师或宗教预言家的预言更可靠,但预言宇宙的未来,还是可能的。

      当然,我们现在还不知道一些极端条件下的物理定律,但这并不影响我们对宇宙未来演化的预测,因为这些定律的物理方程是不稳定的,不会有确切的解──就像我们用手旋转赌盘,你感觉不到用力的微小变化,但指针却停留在不同的地方。同样道理,对五天以外的天气情况作预报是相当困难的,因为复杂得难以计算;即使我们知道了制约大脑的所有方程,也不能对人类的行为作出预测,因为小小的改变会导致截然不同的结果。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。宇宙正在膨胀,其他星系正在离我们远去。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”;反过来说,如果宇宙的膨胀率和平均密度不是“处处相同”,各个方向上的宇宙微波背景辐射就不会如此一致。“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。”

      现在,宇宙中星系之间的距离在增大,“但是人们预料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。”“大挤压”和“大爆炸”前的状态一样,“是具有无限密度的状态,物理定律在这种状态下失效。”

      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,而时间本身就会在大挤压处终结。”

      计算宇宙的平均密度并不容易。“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。”即使加上“气体云的质量”,临界值最多是百分之一。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。因为宇宙中还有许多暗物质。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。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。”这样,“在大约一百亿年以后,宇宙中大多数恒星都已把燃料耗尽”,走向灭亡。因它们的质量的不同,或者变成白矮星,或者变成中子星,或者变成黑洞。


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      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。”(《时间简史》一书所附《小辞典》)但是,也许“黑洞并不像被描绘的那样黑”,根据量子力学的测不准原理,如果黑洞中有一颗粒子的位置是确定的,那么它的速度就有可能超过光速“逃离黑洞”。

      我们不能相信已有的确定证据,是因为还有别的理论在探讨宇宙的奥秘。人择原理和暴涨理论就是其中的两种。

      宇宙是继续膨胀还是可能收缩,这取决于宇宙现有密度。在对这个问题没研究清楚之前,科学家也不得不认为“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。”

      三 演讲的特点

      1生动的导引

      这篇科技论文是演讲辞,具有演讲的特点。预言宇宙的未来,虽然是一个严肃的科学话题。但如果就事论事,很容易枯燥乏味。演讲需要激起听众的兴趣。演讲者从古代的巫术和近代的宗教预言谈起,既增加了趣味性,又深化了讲演的主题──在与巫术的对比中,更显出了科学的求实精神。

      2严谨的推理

      作为一篇科学演讲,其最终目的是让人信服。本文严谨的推理,增强了说服力。宇宙虽然复杂,但它在大尺度上又是可以描述的。宇宙的密度是决定其命运的关键,然而,确定这一点非常不易。演讲者从可见物质谈到暗物质,从成熟的理论谈到科学假说,把问题讲得透彻明白。没有作出一个明确的预言,也说明了演讲者严谨的科学态度。

      3幽默的语言演讲是面对面的交流,这种交流是单向的,如果不注意演讲的语言艺术,就达不到最佳的表达效果。这篇演讲语言幽默,创造出一种轻松愉快的气氛,使所论述的问题更易于为听众接受。如,文中有一段话说:“我比其他的末日预言者更占便宜。即使宇宙将要坍缩,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。”以揭示自己“自私”的心理表示幽默,同时传达出重要的信息:宇宙“至少在一百亿年内不会停止膨胀”。
《宇宙的未来》解题指导

      一 设计此题,是为了让学生透过生动的比喻,来理解作者所要说明的科学道理。

      1我们目前还不知道“制约宇宙的有关定律”。即使知道了,它的“物理方程的解”也会出现混沌性质,不可能有确解。

      2“宇宙在大挤压处终结”,终结就是死亡,再讨论时空问题,或者再问“在这‘之后’的事件”,已毫无意义。

      二 设计此题,是为了让学生提炼出作者所论证的一些观点及论据。

      宇宙中存在暗物质的证据有两个。“一个来自于螺旋星系”,如果没有暗物质的引力作用,这些旋转的星系早就被甩开了。“另一个证据来自于星系团”,这些星系团“成团地集中在一起”,其中个别星系运动速度非常高,若不是存在暗物质,“这些星系团就会飞散开去”。

      作者在说明现在的宇宙密度可能就在临界状态时,列举了两种假说。一是“人择原理”:可能存在多个宇宙,只有那些接近临界密度的宇宙,才有我们这些“智慧生物”去问这个问题。二是“暴涨理论”:宇宙可能从一个微小的尺度暴涨到我们现在的临界状态。

      三 设计此题,是为了让学生注意文章幽默的语言风格,体会演讲辞的特点。文章中幽默的话语,除了“课文说明”中提到的一段,还有很多,如,说古代的女巫“通常是被毒药或火山隙溢出的气体弄得精神恍惚的女人”,说明她们作预言需要借助于神秘的力量,语言夸张而带有讽刺意味;同样,在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”,将“末日预言者”的尴尬处境含蓄幽默地揭露出来;一句“否则的话,物理学家就会在赌场发财”,将“轮赌盘”的不确定性和“制约宇宙的有关定律”的物理方程的解具有混沌性质一语说透,妙趣横生。另外尚有:“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”;“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。”;“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。”等等。
《宇宙的未来》教学建议

      本课用三课时自读。

      这篇课文涉及的科学知识比较深,但也不难懂。在教学中,教师可参考“课文说明”及“有关资料”部分,帮助学生读懂课文。在此基础上,找出课文的重点难点,结合完成课后练习,加深对课文的理解。

      课文的主体部分,论述了宇宙中物质密度问题,这是课文的重点,从理解上来说,也是难点。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。物质密度的大小,如果超过了一个临界值,就会发生质的变化。依据大爆炸宇宙学,宇宙的未来只有两种命运:继续膨胀或坍缩。目前的观测表明宇宙“至少在一百亿年内不会停止膨胀”,但由于宇宙中存在着许多暗物质,也许还存在一些我们尚不十分明了的原因,在遥远的未来,它会不会坍缩,还是一个未解之谜。

      在教学中,可以请物理学习好的学生或爱好天文的学生,结合自己的学习或知识,就课文内容作一些引申发挥。现在,宇航、天文观测等科学研究都具有世界性,经常有一些有关的报道。有条件的地方可组织参观一次科技馆或天文馆。
(《高中语文第六册教师教学用书》 人民教育出版社中语室)

      
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