高中語文 第13課 宇宙的未來教案 人教版必修5

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1、 《宇宙的未來》解讀與探究 預(yù)習(xí)提示 本文是被譽(yù)為當(dāng)代愛因斯坦的英國科學(xué)家霍金1991年1月在劍橋大學(xué)的講演。這篇講演，從古代巫師的預(yù)言，談到近代世界末日預(yù)言和宗教預(yù)言，再過渡到對宇宙未來的討論，主要探討了宇宙未來的兩種命運(yùn)：一是繼續(xù)膨脹下去，一是收縮以至于坍縮成一個(gè)奇點(diǎn)。膨脹還是收縮，取決于宇宙的平均密度。由于現(xiàn)在只能對星系和星系團(tuán)等明物質(zhì)和星系與星系團(tuán)內(nèi)的暗物質(zhì)的量進(jìn)行分析，而對星系和星系團(tuán)之外廣大空間中有無附加的暗物質(zhì)目前還不能判斷，因此，對宇宙現(xiàn)在的平均密度無法確切估算，對宇宙的未來也只能如同巫師“兩方下賭注”，不能有肯定的科學(xué)結(jié)論。 這篇文章涉及許多深?yuàn)W的

2、科學(xué)知識(shí)，又是翻譯文字，讀起來有一定困難。建議你采用如下的學(xué)習(xí)方法： (1)抓住開頭結(jié)尾，把握文章結(jié)構(gòu)。課文雖然難度大，但只要抓住開頭與結(jié)尾，文章結(jié)構(gòu)層次便豁然開朗。課文起筆開門見山，指出本文中心是預(yù)言宇宙未來，對此作者感到非常困難但又滿懷信心。為什么如此矛盾？全文緊緊圍繞這個(gè)問題展開討論。結(jié)尾則是歸結(jié)全文，指出文章從三個(gè)方面進(jìn)行了分析論證。我們只要依據(jù)作者的上述提示順藤摸瓜，對于文章的內(nèi)容便不難理解。 （2）認(rèn)真推敲文字，準(zhǔn)確理解語意。課文有許多科學(xué)術(shù)語，對于正確理解內(nèi)容關(guān)涉甚大，例如“非常大的尺度”“暗物質(zhì)”“大擠壓”“微波背景輻射”“黑洞”“人擇原理”“暴漲理論”等，要結(jié)合語境弄明內(nèi)

3、涵。課文還有許多精警的語句，含義深刻，還有許多的語句在幽默風(fēng)趣，自我調(diào)侃中表達(dá)了豐富的哲理，這些地方要一一琢磨。課文是翻譯文字，與漢語比較，在句子結(jié)構(gòu)、語言風(fēng)格上區(qū)別較大，理解起來有一定難度，閱讀時(shí)更要細(xì)致辨析，避免誤讀。 課文解讀 （1）這篇講演的主題是宇宙的未來，或者不如說，科學(xué)家認(rèn)為將來是什么樣子的。預(yù)言將來當(dāng)然是非常困難的。我曾經(jīng)起過一個(gè)念頭，要寫一本題為《昨天之明天：未來歷史》的書。它會(huì)是一部對未來預(yù)言的歷史，幾乎所有這些預(yù)言都是大錯(cuò)特錯(cuò)的。但是盡管有這些失敗，科學(xué)家仍然認(rèn)為他們能預(yù)言未來。[講演開頭，作者點(diǎn)明主題是預(yù)言宇宙的未來。作者引用歷史上的“未來預(yù)言”都是“大錯(cuò)特錯(cuò)”的教

4、訓(xùn)，驗(yàn)證預(yù)言未來將是非常困難，預(yù)言宇宙的未來尤其困難。但科學(xué)家對此仍然有信心。這一段是全文的總綱，預(yù)言宇宙的未來困難在哪里呢？科學(xué)家為什么又對此滿懷信心呢？這篇演講，就是緊緊圍繞這兩個(gè)問題展開議論。] （2）在非常早的時(shí)代，預(yù)言未來是先知或者女巫的職責(zé)。這些通常是被毒藥或火山隙溢出的氣體弄得精神恍惚的女人。周圍的牧師把她們的咒語翻譯出來，而真正的技巧在于解釋。古希臘的德勒菲的著名巫師以模棱兩可而臭名昭著。當(dāng)這些斯巴達(dá)人問道，在波斯人攻擊希臘時(shí)會(huì)發(fā)生什么時(shí)，這巫師回答道：要么斯巴達(dá)①會(huì)被消滅，要么其國王會(huì)被殺害。（①斯巴達(dá)：古希臘城堡中除雅典之外的最大城堡，位于希臘半島南部的拉哥尼亞平原。）我

5、想這些牧師盤算，如果這些最終都沒有發(fā)生，則斯巴達(dá)就會(huì)對阿波羅太陽神①如此之感恩戴德，以至忽視其巫師作錯(cuò)預(yù)言的這個(gè)事實(shí)。（①阿波羅太陽神：阿波羅是希臘奧林珀斯十二主神之一，是宙斯與黑暗女神勒托的兒子。阿波羅是光明之神，也稱真理之神。）事實(shí)上，國王在捍衛(wèi)特莫皮拉隘道①的一次拯救斯巴達(dá)并最終擊敗波斯人的行動(dòng)中喪生了。(①特莫皮拉隘道：一般譯作“溫泉關(guān)”。公元前480年，波斯國王薛西斯一世率領(lǐng)大軍50多萬、戰(zhàn)艦千艘，越過達(dá)達(dá)尼爾海峽，水陸兩路進(jìn)犯希臘。斯巴達(dá)國王列奧尼達(dá)斯率領(lǐng)300名斯巴達(dá)士兵在溫泉關(guān)頑強(qiáng)抵抗波斯軍，雖然全部戰(zhàn)死，但成功阻慢波斯大軍前進(jìn)，結(jié)果最后希臘戰(zhàn)勝了波斯。) （3）另一次事件，

6、利迪亞①的國王克羅修斯②，這位世界上最富裕的人有一次問道：如果他侵略波斯的話會(huì)發(fā)生什么。（①利迪亞：一般譯作“呂底亞”，小亞細(xì)亞西部的奴隸制國家，在今土耳其境內(nèi)。②克羅修斯：一般譯作“克羅伊斯”，呂底亞的末代國王，約公元前560年—前546年在位。公元前546年，波斯國王居魯士攻破其首都薩狄斯，被俘。據(jù)說他是古代的巨富之一，他的名字已成為“富豪”的同義語。）其回答是：一個(gè)偉大的王國將會(huì)崩潰?？肆_修斯以為這是指波斯帝國，殊不知正是他自己的王國要陷落，而他自己的下場是活活地在柴堆上受火刑。[引述兩個(gè)古代巫師預(yù)言的故事。作者先指出巫師預(yù)言的特點(diǎn)，這些巫師“通常是……精神恍惚的女人”，是“牧師把她們的

7、咒語翻譯出來”，這些所謂的預(yù)言都是一些“模棱兩可”的語言，可以這樣解釋，也可以那樣解釋，因此，“真正的技巧在于解釋”。接著舉出兩個(gè)具體的事例進(jìn)行證明。作者提到的兩個(gè)預(yù)言都運(yùn)用了詭辯的方法：第一個(gè)預(yù)言等于沒說，因?yàn)椴ㄋ沟能婈?duì)比斯巴達(dá)強(qiáng)大得多，斯巴達(dá)滅亡、國王被殺在情理之中，而如果沒有滅亡，可以解釋成是神靈庇護(hù)；第二個(gè)預(yù)言中的“王國”是個(gè)模糊概念，可以解釋是“波斯帝國”，也可以解釋是“利迪亞王國”。作者敘述這些故事的旨意有兩點(diǎn)，一是說明預(yù)言未來是人類自古以來就有的一種追求，二是把巫師的無稽之談與科學(xué)家的預(yù)言嚴(yán)格區(qū)別開來，為下面自己對宇宙未來的分析張本。] （4）近代的末日預(yù)言者為了避免尷尬①，不

8、為世界的末日設(shè)定日期。（①尷尬：ɡānɡà，處于進(jìn)退兩難的境地。）這些日期使股票市場下瀉。雖然它使我百思不解，為何世界的終結(jié)會(huì)使人愿意用股票來換錢，假定你在世界末日什么也帶不走的話。 （5）迄今為止，所有為世界末日設(shè)定的日期都無聲無息地過去了。但是這些預(yù)言家經(jīng)常為他們顯然的失敗找借口解釋。例如，第七日回歸的創(chuàng)建者威廉·米勒①預(yù)言，耶穌的第二次到來會(huì)在1843年3月21日至1844年3月21日間發(fā)生。（①威廉·米勒：1782—1849年，美國紐約州農(nóng)民，近代基督復(fù)臨運(yùn)動(dòng)的創(chuàng)始人。從1831年起開始傳道，根據(jù)《但以理書》的某些章節(jié)推算出基督將于1843年或1844年3月21日第二次降臨，贏得了成

9、千上萬的追隨者。預(yù)言雖然失敗，但該派仍堅(jiān)持教義，并于1863年成立了基督復(fù)臨安息日會(huì)。）在沒有發(fā)生這件事后，這個(gè)日期就修正為1844年10月22日。當(dāng)這個(gè)日期通過又沒有發(fā)生什么事后，又提出了一種新的解釋。據(jù)說，1844年是第二次回歸的開始，但是首先要數(shù)出獲救者名單。只有數(shù)完了名單，審判日才降臨到那些不列在名單上的人。幸運(yùn)的是，數(shù)人名看來要花很長的時(shí)間。[引述近代世界末日預(yù)言家和宗教預(yù)言家失敗的事例。世界末日預(yù)言家“為了避免尷尬，不為世界末日設(shè)定日期”，宗教預(yù)言家對耶穌第二次回歸的日期不斷作出新的解釋，以此為“顯然的失敗找借口”。賞讀這段文字要體會(huì)作者語言幽默風(fēng)趣，比如一方面人們預(yù)言世界末日即將

10、來臨，死神就在眼前，一方面人們又利用這個(gè)預(yù)言拼命賺錢，兩相對比，辛辣地嘲笑了世界末日預(yù)言只不過是騙人的謊言。又如對宗教預(yù)言家一再修改耶穌第二次回歸的時(shí)間，作者嘲笑說：“幸運(yùn)的是，數(shù)人名看來要花很長的時(shí)間?！比嗣麛?shù)不完，回歸也便遙遙無期，這樣的預(yù)言就等于沒有預(yù)言，只不過是玩弄一種騙術(shù)罷了。作者運(yùn)用這樣的諷刺，目的是以此與科學(xué)家的預(yù)言相區(qū)別，繼續(xù)為下面自己對宇宙未來的分析張本。] （6）當(dāng)然，科學(xué)預(yù)言也許并不比那些巫師或預(yù)言家的更可靠些。人們只要想到天氣預(yù)報(bào)就可以了。但是在某些情形下，我們認(rèn)為可以做可靠的預(yù)言。宇宙在非常大的尺度下的未來，便是其中一個(gè)例子。[這一段又回到演講的開頭，申述自己對科學(xué)

11、預(yù)言的看法。作者先用天氣預(yù)報(bào)作例子說明科學(xué)預(yù)言也許如同巫師和預(yù)言家的預(yù)言一樣不可靠，接著又以“宇宙在非常大的尺度下的未來”為例子說明科學(xué)預(yù)言之可靠。那末，科學(xué)預(yù)言為什么又可靠又不可靠呢？“宇宙在非常大的尺度下的未來”是什么意思？為什么對它的預(yù)言卻是可靠的呢？我們可以帶著這些問題研讀下文。] （7）我們在過去的三百年間發(fā)現(xiàn)了制約在所有正常情形下物體的科學(xué)定律。[例如牛頓的萬有引力定律，愛因斯坦相對論定律。]我們?nèi)匀徊恢乐萍s在極端條件下物體的精確的定律。[即下文提到的“高能定律”。]那些定律在理解宇宙如何啟始方面很重要，但是它不影響宇宙的未來演化，除非直到宇宙坍縮①成一種高密度的狀態(tài)②。（①坍

12、縮：天體體積縮小，密度加大。這里指整個(gè)宇宙的坍縮。坍，tān。②高密度的狀態(tài)：即下文提到的“奇性”。）事實(shí)上，我們必須花費(fèi)大量金錢建造巨大粒子加速器去檢驗(yàn)這些高能定律，便是這些定律對現(xiàn)在宇宙的影響是多么微不足道的一個(gè)標(biāo)志。[從這段文字開始，作者連續(xù)用五個(gè)段落說明預(yù)言宇宙未來的困難。這段文字說明了第一個(gè)困難：一、我們對物理定律的了解非常有限，雖然“發(fā)現(xiàn)了制約在所有正常情形下物體的科學(xué)定律”，但是“仍然不知道制約在極端條件下物體的精確的定律”，更不了解那些“制約宇宙的有關(guān)定律”；二、“制約在極端條件下物體的精確的定律”只能幫助我們了解宇宙是如何啟動(dòng)，如何發(fā)生的，也就是說只能幫助我們了解宇宙的過去，

13、而無助于我們了解宇宙的未來。] （8）即便我們知道了制約宇宙的有關(guān)定律①，我們?nèi)匀徊荒芾盟鼈內(nèi)ヮA(yù)言遙遠(yuǎn)的未來。(①制約宇宙的有關(guān)定律：從上下文看，作者在這里，既不是指“制約在所有正常情形下物體的科學(xué)定律”，也不是指“制約在極端條件下物體的精確的定律”，當(dāng)是指能夠制約宇宙未來的定律。)這是因?yàn)槲锢矸匠痰慕鈺?huì)呈現(xiàn)出一種稱作混沌的性質(zhì)。這表明方程可能是不穩(wěn)定的：在某一時(shí)刻對系統(tǒng)作非常微小的改變，系統(tǒng)的未來行為很快會(huì)變得完全不同。[作者退一步指出，即便知道了那些“制約宇宙的有關(guān)定律”，也仍然不能預(yù)言宇宙遙遠(yuǎn)的未來。這是為什么呢？于是引出第二個(gè)困難：物理方程的解是混沌的、不穩(wěn)定的：在某一時(shí)刻對系統(tǒng)作

14、非常微小的改變，系統(tǒng)的未來行為很快會(huì)變得完全不同。]例如，如果你稍微改變一下你旋轉(zhuǎn)輪賭盤的方式，就會(huì)改變出來的數(shù)字，你在實(shí)際上不可能預(yù)言出來的數(shù)字，否則的話，物理學(xué)家就會(huì)在賭場發(fā)財(cái)。 （9）在不穩(wěn)定或混沌的系統(tǒng)中，一般地存在一個(gè)時(shí)間尺度，初始狀態(tài)下的小改變在這個(gè)時(shí)間尺度將增長到兩倍。在地球大氣的情形下，這個(gè)時(shí)間尺度是5天的數(shù)量級(jí)，大約為空氣繞地球吹一圈的時(shí)間。人們可以在5天之內(nèi)作相當(dāng)準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)，但是要做更長遠(yuǎn)得多的天氣預(yù)報(bào)，就既需要大氣現(xiàn)狀的準(zhǔn)確知識(shí)，又需要一種不可逾越的復(fù)雜計(jì)算。我們除了給出季度平均值以外，沒有辦法對6個(gè)月以后作具體的天氣預(yù)報(bào)。 （10）我們還知道制約化學(xué)和生物的基本

15、定律，這樣在原則上，我們應(yīng)能確定大腦如何工作。但是制約大腦的方程幾乎肯定具有混沌行為，初始態(tài)的非常小的改變會(huì)導(dǎo)致非常不同的結(jié)果。這樣，盡管我們知道制約人類行為的方程，但在實(shí)際上我們不能預(yù)言它。科學(xué)不能預(yù)言人類社會(huì)的未來或者甚至它有沒有未來。其危險(xiǎn)在于，我們毀壞或消滅環(huán)境的能力的增長比利用這種能力的智慧的增長快得大多了。[以上三段文字作者舉了三個(gè)例子證明對一個(gè)混沌的系統(tǒng)不可能預(yù)言遙遠(yuǎn)的未來：第一，用生活中常見的賭盤為例，證明“在某一時(shí)刻對系統(tǒng)作非常微小的改變，系統(tǒng)的未來行為很快會(huì)變得完全不同”；第二，用天氣預(yù)報(bào)為例，證明對“不穩(wěn)定或混沌的系統(tǒng)”只能進(jìn)行短期的準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，不能進(jìn)行長期的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)；第

16、三，用我們雖然知道制約人類行為的方程，但由于這個(gè)方程“幾乎肯定具有混沌行為”，因此，在實(shí)際上卻不能預(yù)言人類社會(huì)的未來。以上作者連用三個(gè)自然段詳細(xì)闡釋了混沌學(xué)的基本原理，但是這與預(yù)言宇宙的未來有什么關(guān)系呢？讓我們閱讀下文。] （11）宇宙的其他地方對于地球上發(fā)生的任何事物根本不在乎。繞著太陽公轉(zhuǎn)的行星的運(yùn)動(dòng)似乎最終會(huì)變成混沌，盡管其時(shí)間尺度很長。這表明隨著時(shí)間流逝，任何預(yù)言的誤差將越來越大。在一段時(shí)間之后，就不可能預(yù)言運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)。我們能相當(dāng)?shù)乜隙ǎ厍蛟谙喈?dāng)長的時(shí)間內(nèi)不會(huì)和金星相撞。但是我們不能肯定，在軌道上的微小擾動(dòng)會(huì)不會(huì)積累起來，引起在十幾億年后發(fā)生這種碰撞。太陽和其他恒星繞著銀河系的運(yùn)動(dòng)

17、，以及銀河系繞著其局部星系團(tuán)的運(yùn)動(dòng)也是混沌的。[作者在上文證明了對一個(gè)混沌的系統(tǒng)不能預(yù)言其遙遠(yuǎn)的未來，這一段則說明太陽系，銀河系以及星系團(tuán)的運(yùn)動(dòng)都是混沌的，因此，只能對其進(jìn)行某個(gè)時(shí)段（盡管其時(shí)間尺度很長）的預(yù)報(bào)，“在一段時(shí)間之后，就不可能預(yù)言運(yùn)動(dòng)的細(xì)節(jié)”。讀到這里，我們會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大大的疑問：既然宇宙的運(yùn)動(dòng)是混沌的，而混沌的系統(tǒng)是不能預(yù)言的，為什么作者還要說滿懷信心預(yù)言宇宙的未來？]我們觀測到，其他星系正離開我們運(yùn)動(dòng)而去，而且它們離開我們越遠(yuǎn)，就離開得越快。這意味著我們周圍的宇宙正在膨脹：不同星系間的距離隨時(shí)間而增加①。（①我們觀察到……：這幾個(gè)句子，作者用通俗的語言闡述了根據(jù)光譜紅移現(xiàn)象推斷出

18、來的宇宙膨脹的理論。美國天文學(xué)家斯萊弗通過對恒星光譜的研究，于1912年發(fā)現(xiàn)它們的光譜線普遍存在著向紅端移動(dòng)的現(xiàn)象，進(jìn)一步觀察又發(fā)現(xiàn)，除個(gè)別例外，幾乎所有的河外星系的光譜都有紅移現(xiàn)象。按照多普勒效應(yīng)解釋，這就意味著這些星系都在遠(yuǎn)離地球而去。1929年，哈勃考察了斯萊弗的工作，提出了著名的哈勃定律：星系的紅移量與它們離地球的距離成正比。哈勃定律證明了宇宙正在整體退移或者說整體膨脹。）[預(yù)言宇宙未來雖然困難，但不是說就不能預(yù)言。從這里開始，作者轉(zhuǎn)入論述宇宙的未來。為什么可以預(yù)言？根據(jù)什么樣的科學(xué)原理預(yù)言？讓我們研讀下文。] （12）我們觀察到的從外空間來的微波輻射背景①給出這種膨脹是平滑而非混沌

19、的證據(jù)。（①微波輻射背景：一般稱作“宇宙微波背景輻射”，即來自宇宙空間背景上的各個(gè)方向同性的微波輻射，是宇宙之初“大爆炸”的余熱，溫度比開氏絕對零度高2.7度，即-2700C，習(xí)慣上稱為3K輻射。1965年美國科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜因共同發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射而獲1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。）[這是本段的中心句。上文說明了宇宙正在膨脹，人們自然會(huì)問：宇宙是怎樣膨脹的呢？作者回答：宇宙微波背景輻射證明了宇宙膨脹是“平滑而非混沌”的。那么，宇宙空間有沒有微波輻射？研究宇宙微波輻射有什么意義？宇宙微波背景輻射何以能證明宇宙膨脹是非混沌的？為什么要證明宇宙膨脹是非混沌的？讓我們帶著這些問題探討下面的文字。

20、]你只要把你的電視調(diào)到一個(gè)空的頻道就能實(shí)際觀測到這個(gè)輻射。你在屏幕上看到的斑點(diǎn)的小部分是由太陽系外的微波引起的。[用一個(gè)人人都可以觀察到的現(xiàn)象，確證宇宙微波背景輻射的真實(shí)存在。]這就是從微波爐得到的同類的輻射，但是要更微弱得多，它只能把食物加熱到絕對溫度①的2.7度，所以不能用來溫?zé)崮愕耐赓u比薩②。（①絕對溫度：即開氏溫度，1848年由英國物理學(xué)有開爾文提出，1960年第十一屆國際計(jì)量大會(huì)泰山定熱力學(xué)溫度以開爾文為單位。開氏的零度稱為“絕對零度”，等于-273.150C。②比薩：一種意大利式餡餅。）人們認(rèn)為這種輻射是熱的早期宇宙的殘余。[這里用比較的方法生動(dòng)形象地說明宇宙微波背景輻射的第一個(gè)特

21、征：具有黑體輻射譜，它是熱的早期宇宙的殘余。科學(xué)家認(rèn)為，背景輻射是溫度近于2.7K的黑體輻射，習(xí)慣稱為3K背景輻射。黑體譜現(xiàn)象表明，微波背景輻射是極大的時(shí)空范圍內(nèi)的事件。因?yàn)橹挥型ㄟ^輻射與物質(zhì)之間的相互作用，才能形成黑體譜。由于現(xiàn)今宇宙空間的物質(zhì)密度極低，輻射與物質(zhì)的互相作用極小，所以，我們今天觀察到的黑體譜必定起源于很久以前。微波背景輻射應(yīng)具有比遙遠(yuǎn)星系和射電源所能提供的更為古老的信息。因此，可以利用它研究宇宙的初始。從這個(gè)特征來看，微波背景輻射也只有肋于研究宇宙的過去，無助于預(yù)言宇宙的未來。]但是它最使人印象深刻的是，從任何方向來的輻射量幾乎完全相同。宇宙背景探索者衛(wèi)星已經(jīng)非常精確地測量了

22、這種輻射。從這些觀測繪出的天空圖可以顯示輻射的不同溫度。在不同方向上這些溫度不同，但是差別非常微小，只有十萬分之一。因?yàn)橛钪娌皇峭耆饣?，存在諸如恒星、星系和星系團(tuán)的局部無規(guī)性，所以從不同方向來的微波必須有些不同。但是，要和我們觀測到的局部無規(guī)性相協(xié)調(diào)，微波背景的變化不可能再小了。微波背景在所有方向上能夠相等到100000分之99999（十萬分之九萬九千九百九十九）。[這是說明微波背景輻射的第二個(gè)特征：各向同性。作者援引“非常精確地測量”出來的輻射溫度的數(shù)據(jù)詳盡地證明宇宙微波背景輻射“從任何方向來的輻射量幾乎完全相同”。作者說微波背景輻射的這一特征“最使人印象深刻”。黑體輻射的特征證明宇宙起

23、始之初是一個(gè)“熱的宇宙”；那么，各向同性的特征又說明了什么呢？這一特征對于預(yù)言宇宙的未來為什么“最使人印象深刻”呢？請繼續(xù)研讀作者的論述。] （13）上古時(shí)代，人們以為地球是宇宙的中心。在任何方向上背景都一樣的事實(shí)，對于他們而言毫不足怪。[地球中心說認(rèn)為，宇宙是一個(gè)圓，因此“在任何方向上背景都一樣”便很容易理解。這是說，如果按照地球中心說，微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)沒有什么意義，因?yàn)槔硭?dāng)然會(huì)是這樣。]然而，從哥白尼①時(shí)代開始，我們就被降級(jí)為繞著一顆非常平凡的恒星公轉(zhuǎn)的一顆行星，而該恒星又是繞著我們看得見的不過是一千億個(gè)星系中的一個(gè)典型星系的外邊緣公轉(zhuǎn)。(①哥白尼：1473—1543年，波蘭天文學(xué)家

24、，太陽中心說的創(chuàng)立者，近代天文學(xué)的奠基人。)我們現(xiàn)在是如此之謙和，我們不能聲稱任何在宇宙中的特殊地位。所以我們必須假定，在圍繞任何其他星系的任何方向的背景也是相同的。[從哥白尼開始的現(xiàn)代宇宙學(xué)說告訴我們，地球不處在宇宙的中心，沒有“任何在宇宙中的特殊地位”，所以微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)就具有不平常的意義，它可以由個(gè)別推及一般，從在地球上測出的微波背景輻射各向同性的特征可以推出，在圍繞任何其他星系的任何方向的背景也是相同的。所以，微波背景輻射各向同性的特征是一個(gè)普遍現(xiàn)象，在宇宙中的任何一點(diǎn)都是如此。那么各向同性這一事實(shí)說明了什么呢？請讀下文。]這只有在如果宇宙的平均密度以及膨脹率處處相同時(shí)才有可能。平

25、均密度或膨脹率的大區(qū)域的任何變化都會(huì)使微波背景在不同方向上不同。[作者認(rèn)為，微波背景輻射各向同性的事實(shí)說明“宇宙的平均密度以及膨脹率處處相同”。如果膨脹率和密度不同，背景就不會(huì)相同。]這表明，宇宙的行為在非常大尺度下是簡單的，而不是混沌的。因此我們可以預(yù)言宇宙遙遠(yuǎn)的未來。[這是作者在上述分析的基礎(chǔ)上得出的結(jié)論，這個(gè)結(jié)論證明了我們可以預(yù)言宇宙遙遠(yuǎn)的未來?，F(xiàn)在我們把文章從第8段開始到此處的文字歸結(jié)一下，回過頭去看看作者說理的思路。作者先證明對“不穩(wěn)定或混沌的系統(tǒng)”只能進(jìn)行短期的準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，不能進(jìn)行長期的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，而太陽系、銀河系以至星系團(tuán)的運(yùn)動(dòng)都是混沌的，因此預(yù)言宇宙的未來非常困難。然后根據(jù)宇宙微

26、波背景輻射各向同性的事實(shí)推出“宇宙的平均密度以及膨脹率處處相同”，由此知道“宇宙的行為在非常大尺度下是簡單的，而不是混沌的”，因此，可以預(yù)言宇宙的未來。那么，用什么方法預(yù)言宇宙的未來？宇宙的未來又是怎樣的呢？這是我們需要繼續(xù)弄明白的問題。] （14）因?yàn)橛钪娴呐蛎浭侨绱酥鶆?，所以人們可按照一個(gè)單獨(dú)的數(shù)，即兩個(gè)星系間的距離來描述它。[宇宙以多大的速度均勻地膨脹呢？作者說，按照“兩個(gè)星系間的距離”可以求出宇宙的膨脹率。]現(xiàn)在這個(gè)距離在增大，但是人們預(yù)料不同星系之間的引力吸引正在降低這個(gè)膨脹率。如果宇宙的密度大于某個(gè)臨界值，引力吸引將最終使膨脹停止并使宇宙開始重新收縮。宇宙就會(huì)坍縮到一個(gè)大擠壓，

27、這和啟始宇宙的大爆炸相當(dāng)相似。[這是作者預(yù)言宇宙的第一種前途：“坍縮到一個(gè)大擠壓”，回復(fù)到“啟始宇宙的大爆炸”時(shí)的狀態(tài)。宇宙正在膨脹，為什么會(huì)坍縮呢？作者說，如果宇宙的密度大于某個(gè)臨界值，引力就會(huì)等于以至大于膨脹的張力，宇宙于是停止膨脹以至收縮。]大擠壓是被稱作奇性①的一個(gè)東西，是具有無限密度的狀態(tài)，物理定律在這種狀態(tài)下失效。（①奇性：也稱“奇點(diǎn)”，指空間—時(shí)間曲率變得無窮大而形成的點(diǎn)。大爆炸宇宙學(xué)認(rèn)為，宇宙起源于大爆炸，在大爆炸之前，宇宙是一個(gè)沒有體積的“奇點(diǎn)”，時(shí)間和空間都不存在。奇，jī。）這就表明即便在大擠壓之后存在事件，它們要發(fā)生什么也是不能預(yù)言的。但是若在事件之間不存在因果的連接，

28、就沒有合理的方法說一個(gè)事件發(fā)生于另一個(gè)事件之后。[作者說明什么是大擠壓，指出大擠壓之后會(huì)發(fā)生什么是不能預(yù)言的。為什么不能預(yù)言？因?yàn)橛钪媾c大擠壓之后的事件沒有任何因果聯(lián)系。]也許人們可以說，我們的宇宙在大擠壓處終結(jié)，而任何發(fā)生在“之后”的事件都是另一個(gè)相分離的宇宙的部分。[但是有人從因果聯(lián)系的角度對大擠壓之后進(jìn)行預(yù)言，認(rèn)為我們的宇宙在大擠壓處終結(jié)后會(huì)成為另一個(gè)新的宇宙的一部分。]這有一點(diǎn)像是再投胎。如果有人聲稱一個(gè)新生的嬰兒是和某一死者等同，如果該嬰兒沒從他的以前的生命遺傳到任何特征或記憶，這種聲稱有什么意義呢？人們可以同樣地講，它是完全不同的個(gè)體。[作者認(rèn)為，宇宙在大擠壓處終結(jié)，終結(jié)就是死亡，

29、再討論“之后”怎么樣，已毫無意義，因此，用所謂再投胎的說法作比喻，對其進(jìn)行批駁。] （15）如果宇宙的密度小于該臨界值。它將不會(huì)坍縮，而會(huì)繼續(xù)永遠(yuǎn)膨脹下去。其密度在一段時(shí)間后會(huì)變得如此之低，引力吸引對于減緩膨脹沒有任何顯著的效應(yīng)。星系們會(huì)繼續(xù)以恒常速度相互離開。[這是作者預(yù)言宇宙的第二種前途：不會(huì)坍縮，永遠(yuǎn)膨脹。前提是宇宙的密度小于某臨界值，引力小于張力。] 　??（16）這樣，對于宇宙的未來其關(guān)鍵問題在于：平均密度是多少？如果它比臨界值小，宇宙就將永遠(yuǎn)膨脹。但是如果它比臨界值大，宇宙就會(huì)坍縮，而時(shí)間本身就會(huì)在大擠壓處終結(jié)。[在上述分析的基礎(chǔ)上，作者得出預(yù)言宇宙未來的方法。宇宙的未來取決于

30、平均密度，取決于某臨界值。平均密度小于某臨界值，宇宙就膨脹；平均密度大于某臨界值，宇宙就會(huì)坍縮。因此，只要求出宇宙現(xiàn)在的平均密度和那個(gè)臨界值，就可以知道宇宙未來的命運(yùn)。]然而，我比其他的末日預(yù)言者更占便宜。即便宇宙將要坍縮，我可以滿懷信心地預(yù)言，它至少在一百億年內(nèi)不會(huì)停止膨脹。我預(yù)料那時(shí)自己不會(huì)留在世上被證明是錯(cuò)的。[作者在這里強(qiáng)調(diào)科學(xué)預(yù)言和世界末日預(yù)言的本質(zhì)區(qū)別?？茖W(xué)預(yù)言家和世界末日預(yù)言家都認(rèn)定世界將有一個(gè)末日，但是世界末日預(yù)言家認(rèn)定世界末日即將降臨，人類面臨滅頂之災(zāi)，科學(xué)預(yù)言家則認(rèn)定宇宙“至少在一百億年內(nèi)不會(huì)停止膨脹”，人類不必驚慌。在這段文字里，作者說明了預(yù)言宇宙未來的科學(xué)方法，并且根據(jù)

31、這個(gè)方法斷言，宇宙至少在一百億年之內(nèi)不會(huì)停止膨脹。讀到這里，我們自然會(huì)向作者詢問：宇宙現(xiàn)在的平均密度是多少？有沒有達(dá)到這個(gè)臨界值？又有什么根據(jù)說宇宙至少在一百億年之內(nèi)不會(huì)停止膨脹？讓我們研讀下文，看看作者對這些問題是如何回答的。]? ?。?7）我們可以從觀測來估計(jì)宇宙的平均密度。如果我們計(jì)算能看得見的恒星并把它們的質(zhì)量相加，我們得到的，不到臨界值的百分之一左右。即使我們加上在宇宙中觀測到的氣體云的質(zhì)量，它仍然只把總數(shù)加到臨界值的百分之一。[說明宇宙中恒星和氣體云，也就是所謂的明物質(zhì)在宇宙中所占的密度，這個(gè)密度最多也只有臨界值的百分之一。]然而，我們知道，宇宙還應(yīng)該包含所謂的暗物質(zhì)，即是我們不

32、能直接觀測到的東西。暗物質(zhì)的一個(gè)證據(jù)來自于螺旋星系。存在恒星和氣體的巨大的餅狀聚合體。我們觀測到它們圍繞著自己的中心旋轉(zhuǎn)。但是如果它們只包含我們觀測到的恒星和氣體，則旋轉(zhuǎn)速率就高到足以把它們甩開。必須存在某種看不見的物質(zhì)形式，其引力吸引足以把這些旋轉(zhuǎn)的星系牢牢抓住。 ?（18）暗物質(zhì)的另一個(gè)證據(jù)來自于星系團(tuán)。我們觀測到星系在整個(gè)空間中分布得不均勻，它們成團(tuán)地集中在一起，其范圍從幾個(gè)星系直至幾百個(gè)星系。假定這些星系互相吸引成一組從而形成這些星系團(tuán)。然而，我們可以測量這些星系團(tuán)中的個(gè)別星系的運(yùn)動(dòng)速度。我們發(fā)現(xiàn)其速度是如此之高，要不是引力吸引把星系抓到一起，這些星系團(tuán)就會(huì)飛散開去。所需要的質(zhì)量比所

33、有星系總質(zhì)量都要大得多。這是在這種情形下估算的，即我們認(rèn)為星系已具有在它們旋轉(zhuǎn)時(shí)把自己抓在一起的所需的質(zhì)量。所以，在星系團(tuán)中我們觀測到的星系以外必須存在額外的暗物質(zhì)。[以上列舉兩個(gè)事例,一個(gè)來自螺旋星系，一個(gè)來自星系團(tuán)，作者根據(jù)星系動(dòng)力學(xué)的原理，間接證明宇宙中確有暗物質(zhì)的存在，而且推算出暗物質(zhì)的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出明物質(zhì)。因此，計(jì)算宇宙的平均密度必須考慮暗物質(zhì)這個(gè)最重要的因素。那么，宇宙中的暗物質(zhì)又有多少呢？] （19）人們可以對我們具有確定證據(jù)的那些星系和星系團(tuán)中的暗物質(zhì)的量作一個(gè)相當(dāng)可靠的估算。但是這個(gè)估算值仍然只達(dá)到要使宇宙重新坍縮的臨界質(zhì)量的百分之十左右。這樣，如果我們僅僅依據(jù)觀測證據(jù)，則可

34、預(yù)言宇宙會(huì)繼續(xù)無限地膨脹下去。[作者在對宇宙中明物質(zhì)和星系與星系團(tuán)中暗物質(zhì)的量進(jìn)行了估算分析之后，預(yù)言宇宙將會(huì)繼續(xù)無限地膨脹下去。讀到這里，讀者也許會(huì)問：星系與星系團(tuán)在浩瀚的宇宙中只是極小的一部分，好比大海中的幾個(gè)零星的島嶼，那么在茫茫的宇宙空間中這些無法證明的暗物質(zhì)還有多少呢？把它們加起來宇宙的平均密度又是多少呢？我們?nèi)绻麩o法求出宇宙的平均密度，還有其他方法證明宇宙永恒或者最終坍縮嗎？于是作者生發(fā)開去，引出下面的一番議論。]再過50億年左右，太陽將耗盡它的核燃料。它會(huì)腫脹成一顆所謂的紅巨星①，直到它把地球和其他更鄰近的行星都吞沒。（①紅巨星：光譜呈橙色、紅色的巨星。它是在恒星演化過程中，由于

35、內(nèi)部核燃料的耗盡，熱核反應(yīng)的速率減弱，打破了引力與輻射壓之間的平衡，恒星的外殼開始燃燒膨脹而形成的。）它最后會(huì)穩(wěn)定成一顆只有幾千英里尺度的白矮星①。（①白矮星：一類低光度、高溫度、高密度的簡并態(tài)恒性，是恒星演化的一種歸宿。當(dāng)恒星經(jīng)過紅巨星階段損失大量質(zhì)量后，剩下的質(zhì)量若小于1.44個(gè)太陽質(zhì)量，這顆恒星就演化成白矮星。）我正在預(yù)言世界的結(jié)局，但這還不是。這個(gè)預(yù)言還不至于使股票市場過于沮喪。前面還有一兩個(gè)更緊迫的問題。無論如何，假定在太陽爆炸的時(shí)刻，我們還沒有把自己毀滅的話，我們應(yīng)該已經(jīng)掌握了恒星際旅行的技術(shù)。[作者根據(jù)恒星演化的原理，首先預(yù)言太陽將于50億年后毀滅，但是人類不一定毀滅，因?yàn)榈搅四?/p>

36、個(gè)時(shí)候人類應(yīng)該已經(jīng)掌握了恒星際旅行的技術(shù)，早已搬遷到了其他的行星。] （20）在大約100億年以后，宇宙中大多數(shù)恒星都已把燃料耗盡。大約具有太陽質(zhì)量的恒星不是變成白矮星就是變成中子星①，中子星比白矮星更小更緊致。(①中子星：恒星在核能耗盡后，經(jīng)過引力坍縮，依靠簡并中子的壓力與引力平衡形成的星體。)具有更大質(zhì)量的恒星會(huì)變成黑洞①。（①黑洞：一種特殊的天體，是時(shí)間—空間的一個(gè)區(qū)域。它的基本特征是有一個(gè)封閉的視界。由于引力過于強(qiáng)大，就連光也不能從中逃逸出來，所以黑洞是看不見的。）黑洞還更小，并且具有強(qiáng)到使光線都不能逃逸的引力場。然而，這些殘留物仍然繼續(xù)繞著銀河系中心每一億年轉(zhuǎn)一圈。這些殘余物的相撞

37、會(huì)使一些被拋到星系外面去。余下的會(huì)漸漸地在中心附近更近的軌道上穩(wěn)定下來，并且最終會(huì)集中一起，在星系的中心形成一顆巨大的黑洞。不管星系或星系團(tuán)中的暗物質(zhì)是什么，可以預(yù)料它們也會(huì)落進(jìn)這些非常巨大的黑洞中去。[作者根據(jù)恒星演化的原理，繼續(xù)預(yù)言其他恒星的命運(yùn)。在大約100億年以后，宇宙中大多數(shù)恒星都會(huì)毀滅，變成中子星、白矮星或者黑洞。這些恒星的殘余物，有的在互相碰撞中被拋到星系外面去，有的最終聚集在星系中心形成一顆巨大的黑洞,?星系或星系團(tuán)中的暗物質(zhì)也都將落進(jìn)這個(gè)黑洞。] （21）因此可以假定，星系或星系團(tuán)中的大部分物體最后在黑洞里終結(jié)。[作者說可以假定，星系演變到黑洞就是最后的終結(jié)。但是假如宇宙中

38、所有的星系都真的因此而走到了盡頭，宇宙還需要繼續(xù)膨脹嗎？黑洞真的再也沒有變化了嗎？于是作者在下文敘述自己最新的發(fā)現(xiàn)。]然而，我在若干年以前發(fā)現(xiàn)，黑洞并不像被描繪的那樣黑。量子力學(xué)的不確定性原理①講，粒子不可能同時(shí)具有定義很好的位置和定義很好的速度。（①量子力學(xué)的不確定性原理：即海森伯提出的測不準(zhǔn)原理。它的量子力學(xué)意義是不能在同一個(gè)態(tài)中同時(shí)準(zhǔn)確測量出粒子的位置和速度。海森伯，1901—1976年，德國物理學(xué)家。）粒子位置定義得越精確，則其速度就只能定義得越不精確，反之亦然。如果在一顆黑洞中有一顆粒子，它的位置在黑洞中被很好地定義，這意味著它的速度不能被精確地定義。所以粒子的速度就有可能超過光速，

39、這就使得它能從黑洞逃逸出來，粒子和輻射就這么緩慢地從黑洞中泄漏出來。在一顆星系中心的巨大黑洞可有幾百萬英里的尺度。這樣，在它之內(nèi)的粒子的位置就具有很大的不確定性。因此，粒子速度的不確定性就很小，這表明一顆粒子要花非常長的時(shí)間才能逃離黑洞。但是它最終是要逃離的。[霍金曾經(jīng)根據(jù)引力學(xué)原理解釋說，黑洞是“空間——時(shí)間的一個(gè)區(qū)域，因?yàn)槟莾旱囊κ侨绱酥畯?qiáng)，以至于任何東西，甚至光都不能從該處逃逸出來。”（《時(shí)間簡史》一書所附《小辭典》）很明顯，現(xiàn)在，霍金發(fā)展了這個(gè)觀點(diǎn)?；艚鸶鶕?jù)量子力學(xué)的不確定性原理發(fā)現(xiàn)，黑洞中的粒子有可能超過光速，從黑洞中逃逸出來。這一發(fā)現(xiàn)對于宇宙來說有什么意義呢？請看作者的說明。]在

40、一個(gè)星系中心的巨大黑洞可能花1090年的時(shí)間蒸發(fā)掉并完全消失，也就是“1”后面跟90個(gè)0。這比宇宙現(xiàn)在的年齡要長得多，它是1010年，也就是“1”后面跟10個(gè)0。如果宇宙要永遠(yuǎn)膨脹下去的話，仍然有大量的時(shí)間可供黑洞蒸發(fā)。[既然粒子可以從黑洞中逃逸出來，那就意味著黑洞“不黑”，黑洞的物質(zhì)在不斷地緩慢減少，最終會(huì)被“蒸發(fā)”。作者計(jì)算出星系中心的巨大黑洞要花1090年的時(shí)間才能完全蒸發(fā)，因此宇宙必須永遠(yuǎn)膨脹下去，才能“有大量的時(shí)間可供黑洞蒸發(fā)”。這樣，作者就又從星系演化的角度證明了宇宙將會(huì)永遠(yuǎn)膨脹。] （22）永遠(yuǎn)膨脹下去的宇宙的未來相當(dāng)乏味。但是一點(diǎn)也不能肯定宇宙是否會(huì)永遠(yuǎn)膨脹。我們只有大約為使

41、宇宙坍縮的需要密度十分之一的確定證據(jù)。然而，可能還有其他種類的暗物質(zhì)，還未被我們探測到，它會(huì)使宇宙的平均密度達(dá)到或超過臨界值，這種附加的暗物質(zhì)必須位于星系或星系團(tuán)之外。否則的話，我們就應(yīng)覺察到了它對星系旋轉(zhuǎn)或星系團(tuán)中星系運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)。[宇宙真的會(huì)永遠(yuǎn)地膨脹下去嗎？于是，作者又回到宇宙平均密度的問題上來，指出“一點(diǎn)也不能肯定宇宙是否會(huì)永遠(yuǎn)膨脹”。因?yàn)轭A(yù)言宇宙會(huì)無限地膨脹下去，是依據(jù)觀察證據(jù)，宇宙中的明物質(zhì)以及星系和星系團(tuán)中暗物質(zhì)只占臨界密度的十分之一，但是星系和星系團(tuán)之外有沒有暗物質(zhì)呢？這種附加的暗物質(zhì)有沒有使宇宙的平均密度達(dá)到或超過臨界值呢？作者把他的研究又向前推進(jìn)一步。] （23）為什么我們

42、應(yīng)該認(rèn)為，也許存在足夠的暗物質(zhì)，使宇宙最終坍縮呢？為什么我們不能只相信我們已有確定證據(jù)的物質(zhì)呢？[作者說宇宙中不只是“已有確定證據(jù)的物質(zhì)”，也許還存在足夠的使宇宙最終坍縮的暗物質(zhì)。為什么要這樣認(rèn)定呢？下面陳述理由。]其理由在于，哪怕宇宙現(xiàn)在只具有十分之一的臨界密度，都需要不可思議地仔細(xì)選取初始的密度和膨脹率。如果在大爆炸后一秒鐘宇宙的密度大了一萬億分之一，宇宙就會(huì)在十年后坍縮。另一方面，如果那時(shí)宇宙的密度小于同一個(gè)量，宇宙在大約十年后就變成基本上空無一物。[這是霍金宇宙學(xué)說的核心觀點(diǎn)，即宇宙的命運(yùn)取決于宇宙誕生時(shí)的初始條件，最初萬萬萬億分之一秒時(shí)間里發(fā)生的一切決定了宇宙的未來。如果這個(gè)初始密度

43、偏大，宇宙很快就會(huì)坍縮，如果這個(gè)初始密度偏小，宇宙很快就會(huì)變得空無一物，既無星系與星系團(tuán)，也無所謂的暗物質(zhì)?？傊绻钪鏇]有選擇一個(gè)恰當(dāng)?shù)某跏济芏?，就不?huì)有我們現(xiàn)在的這個(gè)宇宙。這個(gè)觀點(diǎn)很重要，它說明宇宙的平均密度是一個(gè)恒量，從宇宙的初始直至現(xiàn)在都沒有變化。既然宇宙的平均密度不是一個(gè)變量，因此可以根據(jù)它預(yù)言宇宙的未來。那么，我們現(xiàn)在的宇宙選取的初始密度是多少，宇宙為什會(huì)選取這樣的初始密度呢？] （24）宇宙的初始密度為什么被這么仔細(xì)地選取呢？也許存在某種原因，使得宇宙必須剛好具有臨界密度?？磥砜赡艽嬖趦煞N解釋。[作者認(rèn)為宇宙仔細(xì)地選取的初始密度“剛好具有臨界密度”。為什么會(huì)是這個(gè)樣子呢？作者

44、說，有兩種不同的解釋。]一種是所謂的人擇原理，它可被重述如下：宇宙之所以是這種樣子，是因?yàn)榉駝t的話，我們就不會(huì)在這里觀測它。其思想是，可能存在許多具有不同密度的不同宇宙。只有那些非常接近臨界密度的能存活得足夠久并包含足夠形成恒星和行星的物質(zhì)。只有在那些宇宙中才有智慧生物去詰問這樣的問題：密度為什么這么接近于臨界密度？[這里概述了人擇原理的基本觀點(diǎn)。人擇原理是根據(jù)因果關(guān)系推斷，只有那些非常接近臨界密度的宇宙才能存活足夠久并包含足夠形成恒星和行星的物質(zhì)，才能出現(xiàn)有智慧的生命，反之，就不可能出現(xiàn)生命和人類。因此，我們現(xiàn)在生存的宇宙必定非常接近臨界密度。]如果這就是宇宙現(xiàn)在密度的解釋，則沒有理由去相信

45、宇宙包含有比我們已探測到的更多物質(zhì)。十分之一的臨界密度對于星系和恒星的形成已經(jīng)足夠。[但是，根據(jù)觀察的證據(jù)，我們現(xiàn)在的宇宙中只有十分之一的臨界密度。這個(gè)密度也足可以形成星系和恒星，足可以產(chǎn)生有智慧的生命，因此，作者說，根據(jù)人擇原理可以認(rèn)定，在我們的宇宙中，星系和星系團(tuán)之外沒有附加的暗物質(zhì)。] （25）然而，許多人不喜歡人擇原理，因?yàn)樗坪跆兄赜谖覀冏陨淼拇嬖?。這樣就有人對為何密度應(yīng)這么接近于臨界值尋求另外可能的解釋。[這里指出人擇原理的缺陷。人擇原理雖然很吸引人，但是由于它是源于因果推理，是由果推因，從這個(gè)意義來說，人擇原理與其說是科學(xué)原理，還不如說只是一種思辨而已。因此，有人尋求另外的解

46、釋。]這種探索導(dǎo)致極早期宇宙的暴漲理論。其思想是宇宙的尺度曾經(jīng)不斷地加倍過，正如在遭受極端通貨膨脹的國家每隔幾個(gè)月價(jià)格就加倍一樣。然而，宇宙的暴漲更迅猛更極端得多：在一個(gè)微小的暴漲中尺度的至少一千億億億倍的增加，會(huì)使宇宙這么接近于準(zhǔn)確的臨界密度，以至于現(xiàn)在仍然非常接近于臨界密度。[這里概述了暴漲理論的基本觀點(diǎn)。暴漲宇宙論認(rèn)為，初始宇宙曾經(jīng)發(fā)生過膨脹速度高到無法想象的超急劇膨脹，使宇宙“接近于準(zhǔn)確的臨界密度，以至于現(xiàn)在仍然非常接近于臨界密度”。]這樣，如果暴漲理論是正確的，宇宙就應(yīng)包含足夠的暗物質(zhì)，使得密度達(dá)到臨界值。這意味著，宇宙最終可能會(huì)坍縮，但是這個(gè)時(shí)間不會(huì)比迄今已經(jīng)膨脹過的一百五十億年左

47、右長太多。[這是作者從暴漲理論推出的結(jié)論。根據(jù)暴漲理論，在星系和星系團(tuán)之外就應(yīng)該有足夠的附加的暗物質(zhì)，才使得密度達(dá)到臨界值，于是宇宙最終可能會(huì)坍縮。在前面作者說：“我可以滿懷信心地預(yù)言，它至少在一百億年內(nèi)不會(huì)停止膨脹”，在這里又說：坍縮的時(shí)間可能在150億年之后，文章前后呼應(yīng)。]? （26）現(xiàn)在小結(jié)如下：科學(xué)家相信宇宙受定義很好的定律制約，這些定律在原則上允許人們?nèi)ヮA(yù)言將來。但是定律給出的運(yùn)動(dòng)通常是混沌的。這意味著初始狀態(tài)的微小變化會(huì)導(dǎo)致后續(xù)行為的快速增大的改變。這樣，人們在實(shí)際上經(jīng)常只能對未來相當(dāng)短的時(shí)間作準(zhǔn)確的預(yù)言。[以上是對課文的第一部分，即第1—11自然段的小結(jié)。在這一部分里，作者說

48、明對宇宙的未來是可以預(yù)言的，但又是很困難的，主要是因?yàn)閷σ粋€(gè)混沌的系統(tǒng)，只能對未來相當(dāng)短的時(shí)間作準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，不可能對其遙遠(yuǎn)的未來作準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。而宇宙中星系、星系團(tuán)的運(yùn)動(dòng)是混沌的，因此要預(yù)報(bào)宇宙的未來就非常困難。]然而，宇宙大尺度的行為似乎是簡單的，而不是混沌的。所以，人們可以預(yù)言，宇宙將永遠(yuǎn)膨脹下去呢，還是最終將會(huì)坍縮。這要按照宇宙的現(xiàn)有密度而定。[這是對課文的第二部分，即第12—16自然段的小結(jié)。在這一部分里，作者通過對光譜紅移現(xiàn)象，特別是宇宙微波背景輻射各向同性特征的分析，得出宇宙的平均密度以及膨脹率處處相同，因此斷定宇宙雖然“星系、星系團(tuán)的運(yùn)動(dòng)是混沌的”，但“大尺度的行為似乎是簡單的，而

49、不是混沌的”，因此，我們可以預(yù)言宇宙遙遠(yuǎn)的未來。而宇宙是繼續(xù)膨脹還是可能收縮，這取決于宇宙現(xiàn)有的平均密度。]事實(shí)上，現(xiàn)在密度似乎非常接近于把坍縮和無限膨脹區(qū)分開來的臨界密度。如果暴漲理論是正確的，則宇宙實(shí)際上是處在刀鋒上。[這是對課文第三部分，即第17—25自然段的小結(jié)。作者在這一部分里詳盡地分析和討論了宇宙現(xiàn)有的平均密度，根據(jù)觀察證據(jù)計(jì)算，宇宙中星系、星系團(tuán)以及其中的暗物質(zhì)的量，只達(dá)到使宇宙重新坍縮的臨界質(zhì)量的百分之十左右，而這個(gè)密度恰好符合人擇原理的要求，據(jù)此宇宙會(huì)繼續(xù)無限地膨脹下去。但是根據(jù)暴漲宇宙理論分析，宇宙在星系和星系團(tuán)之外的廣大空間中還應(yīng)該包含有足夠的附加暗物質(zhì)，使得宇宙的平均密

50、度“似乎非常接近于把坍縮和無限膨脹區(qū)分開來的臨界密度”，這樣宇宙最終可能坍縮，宇宙現(xiàn)在正處在是繼續(xù)膨脹還是開始坍縮這樣一個(gè)危險(xiǎn)的鋒口上。]所以我正是繼承那些巫師或預(yù)言者的良好傳統(tǒng)，兩方下賭注，以保萬無一失。[這是作者的最后結(jié)論。宇宙是繼續(xù)膨脹還是可能收縮，因?yàn)閷τ钪嬷行窍岛托窍祱F(tuán)之外的暗物質(zhì)沒有辦法計(jì)算，所以無法確定宇宙現(xiàn)有的平均密度。在這個(gè)問題沒有研究清楚之前，科學(xué)家也不得不像巫師或近代世界末日預(yù)言家一樣“兩方下賭注，以保萬無一失”。作者用這種幽默的語言自我解嘲，以示科學(xué)的無奈。] 特色鑒賞 （1）層層推進(jìn)，步步深化。作者選擇預(yù)言宇宙未來這個(gè)高深課題，因此，起筆就開門見山，指出預(yù)言未來非

51、常困難，但是又對此滿懷信心。為什么困難？作者反復(fù)舉例論證了對一個(gè)混沌的系統(tǒng)只能進(jìn)行短期的預(yù)報(bào)，不能預(yù)報(bào)遙遠(yuǎn)的未來，而宇宙在恒星、星系和星系團(tuán)這樣的尺度下是一個(gè)混沌的系統(tǒng)，因此要預(yù)言宇宙的未來非常困難。但又為什么滿懷信心？作者運(yùn)用光譜紅移和宇宙微波背景輻射證明，宇宙在非常大的尺度下是簡單的、非混沌的，因此對于宇宙的未來可以預(yù)言。怎么預(yù)言呢？于是，作者把他的研究推向深入，指出宇宙的命運(yùn)取決于宇宙的平均密度。如果宇宙的密度大于某個(gè)臨界值，引力吸引將最終使膨脹停止并使宇宙開始重新收縮。如果宇宙的密度小于該臨界值。它將不會(huì)坍縮，而會(huì)繼續(xù)永遠(yuǎn)膨脹下去。宇宙現(xiàn)在的平均密度是多少呢？作者通過詳盡的分析、推算，

52、指出宇宙中星系、星系團(tuán)等明物質(zhì)和星系、星系團(tuán)中的暗物質(zhì)的量在宇宙中的密度只有臨界密度的十分之一。但是，宇宙在星系和星系團(tuán)之外還有廣大的空間，那里有沒有附加的暗物質(zhì)呢？于是作者又引入人擇宇宙原理和暴漲宇宙理論繼續(xù)深入論證。根據(jù)人擇原理，宇宙密度只需要有臨界密度的十分之一，星系和星系團(tuán)之外的空間中不會(huì)再有附加的暗物質(zhì)，因此宇宙將會(huì)無限地膨脹下去。根據(jù)暴漲理論，宇宙中還存在附加的暗物質(zhì)，而且足可以使宇宙的平均密度達(dá)到臨界密度，因此宇宙現(xiàn)在正處在膨脹和收縮的鋒口，最終將會(huì)坍縮。作者的論證就這樣步步推進(jìn)，環(huán)環(huán)相扣，一直把我們引向問題的終極。 （2）科學(xué)論證，超凡絕塵。對于一個(gè)復(fù)雜的處于混沌狀態(tài)的事物要

53、預(yù)言它的未來，我們都知道其中的困難，最常見的是天氣預(yù)報(bào)，即便預(yù)報(bào)三四天的情況，也不能確保絕對準(zhǔn)確,何況宇宙呢？但是作者卻透過重重迷霧和種種假象，發(fā)現(xiàn)了宇宙這個(gè)最復(fù)雜最混沌的事物在非常大的尺度下最簡單最單一的非混沌的本質(zhì)。這樣,他向我們揭示了一個(gè)真理，最復(fù)雜的事物原來是最簡單的，最混沌的事物原來是最單純的，因而宇宙的未來也是可以預(yù)言的。作者這種超凡的智慧和思維能力給了我們巨大的啟示，他使我們相信，在具有如此偉大智慧的人類面前，宇宙中還有什么秘密不能揭開！這也許就是這篇文章所以扣人心弦的主要原因。這篇文章所以動(dòng)人，還在于作者論證具體問題時(shí)所表現(xiàn)出來的敏捷的思維和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐评?。例如對于宇宙中的暗物質(zhì)，

54、眼睛看不見，儀器測不到，怎么斷定它的有無？作者巧妙地利用旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向心引力的原理，不僅斷定它必有，而且計(jì)算出來它的量！對于黑洞，密度很大，引力強(qiáng)到連光線都不能逃逸出來，因此，根據(jù)引力學(xué)原理，科學(xué)家認(rèn)定星系演變到黑洞就是最后的終結(jié)。但是作者卻別出心裁地根據(jù)量子力學(xué)的不確定性原理發(fā)現(xiàn)，黑洞沒有走到盡頭，黑洞中有的粒子可以超過光速逃逸出來，從而導(dǎo)致黑洞最終會(huì)被蒸發(fā)。這樣敏捷地解決問題的方法，在課文中還有許多，他使人感到無論多么困難的問題，作者都能手到擒來，迎刃而解。此外，作者分析問題時(shí)，那種嚴(yán)密的推理也讓人驚嘆不已?，F(xiàn)在讓我們再來看看作者是如何根據(jù)微波背景輻射推出宇宙在非常大的尺度下是平滑而非混沌的結(jié)

55、論。作者先引用微波輻射的資料，指出它的兩個(gè)特征：一是黑體輻射譜，二是各向同性。但是，在地球上測得的這個(gè)微波輻射有什么意義呢？作者對此進(jìn)行了精辟的分析和推理。按照地心學(xué)說，地球處于宇宙的中心，這個(gè)發(fā)現(xiàn)則沒有什么意義，因?yàn)槔硭?dāng)然應(yīng)當(dāng)這樣。但是近代宇宙學(xué)告訴我們，地球不處在宇宙中心，地球只是宇宙中非常普通的一個(gè)點(diǎn)，因此就可以由個(gè)別推及一般，既然在地球這個(gè)點(diǎn)測得宇宙微波輻射是各向同性，那末在宇宙其他任何地方的那個(gè)點(diǎn)測得的微波輻射也應(yīng)當(dāng)同樣是各向同性，這就是說，“在圍繞任何其他星系的任何方向的背景也是相同的”。為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況呢？作者合乎邏輯地推理分析，指出它只能是“宇宙的平均密度以及膨脹率處處相

56、同”才可能出現(xiàn)，又由于微波背景輻射“是熱的早期宇宙的殘余”，來自宇宙大爆炸的初期，于是得出結(jié)論：宇宙的行為在非常大尺度下是簡單的，而不是混沌的。你看，這里的推理是多么地嚴(yán)密而又周詳！可以說，文章通篇都是這樣的推理。讀這篇課文，我們不僅學(xué)到許多的科學(xué)知識(shí)，仿佛走進(jìn)了知識(shí)的殿堂，更能學(xué)到許多的科學(xué)思維和科學(xué)論證的方法，仿佛步入了思維的王國，享受到無窮的樂趣。 問題探究 在科學(xué)研究和科學(xué)發(fā)現(xiàn)領(lǐng)域中有一個(gè)很特別的理論，叫做“佯謬”。佯謬?yán)碚撜J(rèn)為，科學(xué)發(fā)展的歷史證明，原有理論體系內(nèi)部可能存在著邏輯矛盾，佯謬就是暴露出原有理論體系的非科學(xué)性和局限性。它能誘發(fā)人們對舊理論的深層思考，并極大激勵(lì)和啟迪人們

57、開始探索一個(gè)新的科學(xué)領(lǐng)域。每一個(gè)佯謬的提出和解決往往孕育著新理論的誕生，昭示著一場深刻的科學(xué)革命的到來?？梢哉f，佯謬是推進(jìn)科學(xué)發(fā)展的一個(gè)強(qiáng)大動(dòng)力。最有名的例子是愛因斯坦的追光佯謬。 愛因斯坦在1895年上中學(xué)時(shí)從科普讀物中知道光是高速前進(jìn)的電磁波，馬上就提出一個(gè)“理想實(shí)驗(yàn)”：“假設(shè)一個(gè)人能以光的速度和光波一起跑，會(huì)看到什么現(xiàn)象呢？既然光是電場和磁場的不停振蕩，交互變化而推動(dòng)向前的波，難道那時(shí)會(huì)看到只是在振蕩著的電磁波而不是向前傳播嗎？這可能嗎？”愛因斯坦實(shí)際上是提出一個(gè)“追光佯謬”。愛因斯坦當(dāng)時(shí)只有16歲。后來愛因斯坦帶著這個(gè)問題學(xué)習(xí)、思考和研究了10年，終于?1905年提出了“狹義相對論”

58、，解決了這一佯謬。愛因斯坦在一次回憶中這樣寫道：“經(jīng)過十年的沉思之后，我從一個(gè)悖論中得到了這樣的原理，這個(gè)悖論是我在16歲就已經(jīng)無意中想到了：如果我以光速度c（真空中的速度）追隨一條光線運(yùn)動(dòng)，那么我就應(yīng)當(dāng)看到，這樣一條光線就好像一個(gè)在空間里振蕩著而停滯不前的電磁場?？墒?，無論是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，還是根據(jù)麥克斯韋方程，看來都不會(huì)有這樣的事情。從一開始，在我直覺地看來就很清楚，從這樣一個(gè)觀察者的觀點(diǎn)來判斷，一切都應(yīng)當(dāng)像一個(gè)相對于地球是靜止的觀察者所看到的那樣按照同樣的一些定律進(jìn)行。因此，第一個(gè)觀察者怎樣會(huì)知道或者能夠判明他是處于均勻的快速運(yùn)動(dòng)之中呢？”這個(gè)離奇佯謬，既能一針見血地暴露出經(jīng)典物理學(xué)的局限性和

59、非科學(xué)性，同時(shí)在這個(gè)佯謬中隱約潛藏著狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè)，即光速不變原理（在任何慣性參考系內(nèi)真空中的光速是不變的）和相對性原理（物理學(xué)的規(guī)律在任何慣性參考系內(nèi)都是一樣的）。 從經(jīng)典物理學(xué)中牛頓力學(xué)與麥克斯韋電磁場理論之間內(nèi)部邏輯矛盾出發(fā)，并將這一矛盾形象化為一個(gè)“追光理想實(shí)驗(yàn)”，這一思想猶如當(dāng)年伽利略反駁亞里士多德關(guān)于物體重下落速度快的假說那樣絕妙。愛因斯坦就這樣借助佯謬的武器，揭露原有舊理論體系的邏輯矛盾，從理論上徹底推翻經(jīng)典物理的時(shí)空觀，創(chuàng)立嶄新的相對論時(shí)空觀。難怪有人說，愛因斯坦不是靠“盲目”地做實(shí)驗(yàn)，而是溫文爾雅地拿著理性的佯謬，敲開真理之門。 從愛因斯坦的事例看出，佯謬對科學(xué)

60、研究和科學(xué)發(fā)現(xiàn)具有非常重要的意義，它是開拓創(chuàng)新的重要途徑。我們在平時(shí)的學(xué)習(xí)中，要學(xué)會(huì)運(yùn)用佯謬?yán)碚?，不斷提高自己發(fā)現(xiàn)矛盾和問題的能力，培養(yǎng)和提高自己的創(chuàng)新意識(shí)。 現(xiàn)在，請同學(xué)們再品讀課文《宇宙的未來》，說說霍金在探討宇宙未來的過程中，哪些地方運(yùn)用了佯謬?yán)碚摚磕氵\(yùn)用這一理論，又從課文中發(fā)現(xiàn)了哪些佯謬？? 探究思路： 佯謬并不神秘，佯謬就是暴露原有科學(xué)理論中潛在的矛盾，弄清楚原來的基本概念中出錯(cuò)在什么地方，從而找到解決問題的辦法。正如毛澤東在《反對黨八股》一文中所說：“什么叫問題？問題就是事物的矛盾。哪里有沒有解決的矛盾，哪里就有問題?！币虼?，發(fā)現(xiàn)矛盾就是發(fā)現(xiàn)問題，這是創(chuàng)新的前提；是不是善于發(fā)

61、現(xiàn)矛盾和問題，是有沒有創(chuàng)新意識(shí)的一個(gè)最重要的標(biāo)志。是我們在學(xué)習(xí)的過程務(wù)必自覺地注意培養(yǎng)和提高的最重要的能力。通過這次探討，希望大家對這個(gè)問題高度注意。 對于第一個(gè)問題，課文中的例子有：對暗物質(zhì)的確認(rèn)。假如星系和星團(tuán)中沒有暗物質(zhì)，那末由星系動(dòng)力學(xué)推知，高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，就會(huì)把星球中的星球拋開，星系團(tuán)也會(huì)飛散開去，但是現(xiàn)在星球被牢牢抓住，星系團(tuán)也緊緊綁在一起，作者正是從這矛盾現(xiàn)象中斷定其中必有暗物質(zhì)。又如黑洞，如果根據(jù)引力學(xué)原理斷定，它是星體運(yùn)動(dòng)的最后終結(jié)，那末就會(huì)與量子力學(xué)的不確定性原理相矛盾，作者正是通過這個(gè)佯謬的研究，對黑洞提出了全新的見解。 對于第二個(gè)問題，我們也可以提出這樣的問題

62、。假如說宇宙的平均密度真的如作者所說是一個(gè)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脹，空間在不斷地增大，所以為了保持平均密度不變，宇宙就必須不斷地產(chǎn)生新的物質(zhì)。這物質(zhì)來自何處？唯一的解釋是只能來自宇宙大爆炸的“奇點(diǎn)”。由此可以推知，只要宇宙膨脹沒有停止，這個(gè)奇點(diǎn)（殘骸）應(yīng)當(dāng)仍然存在。但是，它存在何處？又如，根據(jù)宇宙大爆炸理論，宇宙在不停地膨脹，既有膨脹，宇宙就在不停地拓展自己的空間，這空間來自何處？是不是宇宙之外還有一個(gè)外空間？假如有這個(gè)外空間，那便意味著宇宙之外還有宇宙，假如沒有外空間，宇宙又怎么能不斷地獲得新空間？如此等等，我們盡可能開動(dòng)腦筋，雖然有些想法在?別人看來幼

63、稚可笑，甚至噴飯，但是也許你未來的諾貝爾獎(jiǎng)就從這里起步呢！ 訓(xùn)練提高 1．說說下面語句的表現(xiàn)手法及深刻含意： （1）近代的末日預(yù)言者為了避免尷尬，不為世界的末日設(shè)定日期。這些日期使股票市場下瀉。雖然它使我百思不解，為何世界的終結(jié)會(huì)使人愿意用股票來換錢，假定你在世界末日什么也帶不走的話。 （2）據(jù)說，1844年是第二次回歸的開始，但是首先要數(shù)出獲救者名單。只有數(shù)完了名單，審判日才降臨到那些不列在名單上的人。幸運(yùn)的是，數(shù)人名看來要花很長的時(shí)間。 (3)這就是從微波爐得到的同類的輻射，但是要更微弱得多，它只能把食物加熱到絕對溫度的2.7度，所以不能用來溫?zé)崮愕耐赓u比薩。 （4）然而，從哥

64、白尼時(shí)代開始，我們就被降級(jí)為繞著一顆非常平凡的恒星公轉(zhuǎn)的一顆行星，而該恒星又是繞著我們看得見的不過是一千億個(gè)星系中的一個(gè)典型星系的外邊緣公轉(zhuǎn)。我們現(xiàn)在是如此之謙和，我們不能聲稱任何在宇宙中的特殊地位。 （5）然而，我比其他的末日預(yù)言者更占便宜。即便宇宙將要坍縮，我可以滿懷信心地預(yù)言，它至少在一百億年內(nèi)不會(huì)停止膨脹。我預(yù)料那時(shí)自己不會(huì)留在世上被證明是錯(cuò)的。 （6）如果暴漲理論是正確的，則宇宙實(shí)際上是處在刀鋒上。所以我正是繼承那些巫師或預(yù)言者的良好傳統(tǒng)，兩方下賭注，以保萬無一失。 （7）這有一點(diǎn)像是再投胎。如果有人聲稱一個(gè)新生的嬰兒是和某一死者等同，如果該嬰兒沒從他的以前的生命遺傳到任何特征

65、或記憶，這種聲稱有什么意義呢?人們可以同樣地講，它是完全不同的生命。 答： ? ? 2．根據(jù)上下文，解釋加點(diǎn)詞語的含義： （1）但是在某些情形下，我們認(rèn)為可以做可靠的預(yù)言。宇宙在非常大的尺度下的未來，便是其中一個(gè)例子。 （2）我們在過去的三百年間發(fā)現(xiàn)了制約在所有正常情形下物體的科學(xué)定律(從下文看，這是指牛頓萬有引力定律)。我們?nèi)匀徊恢乐萍s在極端條件（當(dāng)是指“大擠壓”，宇宙坍縮成一種高密度狀態(tài)）下物體的精確的定律。 （3）我們可以從觀測來估計(jì)宇宙的平均密度。如果我們計(jì)算能看得見的恒星并把它們的質(zhì)量相加，我們得到的，不到臨界值的百分之一左右。即使我們加上在宇宙中觀測到的氣體云的質(zhì)量

66、，它仍然只把總數(shù)加到臨界值的百分之一。????? （4）因此可以假定，星系或星系團(tuán)中的大部分物體最后在黑洞里終結(jié)。然而，我在若干年以前發(fā)現(xiàn)，黑洞并不像被描繪的那樣黑。 答： ? ? 3．請你按照我們漢語的習(xí)慣，對下面句子中劃線的部分進(jìn)行改寫，要求與原意完全相符，并且能與前后文銜接。 （1）我曾經(jīng)起過一個(gè)念頭，要寫一本題為《昨天之明天：未來歷史》的書。它會(huì)是一部對未來預(yù)言的歷史，幾乎所有這些預(yù)言都是大錯(cuò)特錯(cuò)的。 （2）其思想是，可能存在許多具有不同密度的不同宇宙。只有那些非常接近臨界密度的能存活得足夠久并包含足夠形成恒星和行星的物質(zhì)。 （3）然而，宇宙的暴漲更迅猛更極端得多：在一個(gè)微小的暴漲中尺度的至少一千億億億倍的增加，會(huì)使宇宙這么接近于準(zhǔn)確的臨界密度，以至于現(xiàn)在仍然非常接近于臨界密度。 （4）我們觀察到的從外空間來的微波輻射背景給出這種膨脹是平滑而非混沌的證據(jù)。 （5）但是若在事件之間不存在因果的連接，就沒有合理的方法說一個(gè)事件發(fā)生于另一個(gè)事件之后。也許人們可以說，我們的宇宙在大擠壓處終結(jié)，而任何發(fā)生在“之后”的事件都是另一個(gè)相分離的宇宙的部分。 答：? ?