《宇宙的未來》課文説明

一 背景知識

中國是最早進行天文觀測的國家之一，在殷商甲骨文裏，就有許多天文觀測記錄。漢語“宇宙”一詞出現較早。戰國時期的屍佼在他的著作《屍子》中就説：“上下四方曰宇，往古來今曰宙。”東漢的高誘在《淮南子原道訓》注中也説：“四方上下曰宇，古往今來曰宙。”

中國古代的宇宙學説，有渾天説、蓋天説、宣夜説等。渾天説認為，“渾天如雞子，天體圓如彈丸，地如雞子中黃，孤居於天內，天大而地小。天表裏有水，天之包地，猶殼之裹黃。天地各乘氣而立，載水而浮。”(《張衡渾儀註》)蓋天説認為，“天似蓋笠，地法覆盤”(《晉書天文志》)，天地都是穹形的，如同一個同心的球穹，相距八萬裏。宣夜説認為，“天了無質，仰而瞻之，高遠無極，眼瞀精絕，故蒼蒼然也。”(《晉書天文志》)就是説“天”不是一個固體的“天穹”，不過充滿了無邊無際的氣體，日月星辰都在這氣體中浮動。

在西方，古希臘人也有多種宇宙學説。公元前600年左右，住在米利都的古希臘哲學家泰利斯認為地球是一個圓盤，漂浮在一片汪洋中。他的弟子阿那克西曼德認為天空是包圍地球的一個球層，恆星在內層，太陽和月亮在外層。畢達哥拉斯認為，地球、月亮、太陽、行星和恆星都在一個同心球上圍繞中央火旋轉。托勒密總結了古希臘的天文學成就，著《天文學大成》，認為地為球形，靜止不動，處於宇宙的中心，其他天體圍繞地球運行，創立了“地心説”，統治西方天文學界一千四百多年，直到波蘭天文學家哥白尼在16世紀發表《天體運行論》，創立日心説。17世紀，意大利物理學家和天文學家伽利略親手製造天文望遠鏡，開拓了人們的天文視野。德國天文學家開普勒提出了行星運動的三大定律，英國物理學家牛頓用力學的引力原理解釋開普勒的行星運動定律，創立了天體力學。

現代宇宙學最有影響的學説是大爆炸宇宙學。大爆炸宇宙學認為，宇宙早期温度極高(在100億度以上)，物質密度極大。在那裏，物質被壓縮成一個奇點，時間和空間都毫無意義。大約200億年前，發生“爆炸”，温度逐漸冷卻，形成各種各樣的恆星體系，也就是我們今天所能觀測到的宇宙。

宇宙大爆炸學説是逐漸形成的。20世紀初，愛因斯坦的相對論改變了科學家研究宇宙的方法。1927年，比利時天文學家勒梅特第一個提出了動態宇宙模型，認為宇宙是從一種“原始原子”不斷分裂、膨脹形成的。他推測：如果宇宙中物質的質量小於某個臨界值，宇宙就會繼續膨脹下去，成為“開放的宇宙”；反之，就會坍縮，成為“閉合的宇宙”。1948年，出生在俄國的美籍物理學家伽莫夫發展了這一理論，提出了“大爆炸”學説。

大爆炸學説得到了以下天文觀測的支持。(1)河外星系有系統地譜線紅移(課文中涉及到)。1917年，美國天文學家斯里弗發現河外星系譜線有系統地向紅端移動，表明這些遙遠的天體正在離我們遠去。1929年，美國天文學家哈勃發現，幾乎所有的星系都有紅移現象。星系距離越遠，紅移越大。這種紅移與距離之間的線性關係，稱為哈勃定律。(2)在各種不同的天體上，氦的丰度相近，大都是30%。根據大爆炸理論，早期宇宙温度很高，所以產生氦的效率也很高。(3)測定各種天體的年齡，均小於200億年。(4)宇宙微波背景輻射的發現(課文中涉及到)。

二 內容理解

在講演的開頭，作者就指出，預言將來是非常困難的，預言宇宙的將來尤其困難。但科學家仍然有信心。

提到預言，人們會不由自主地想到古代的巫術。女巫把自己“弄得精神恍惚”，不過是為了增加點神祕色彩，“而真正的技巧在於解釋”。近代宗教預言也是這樣，不斷用新的解釋來掩飾預言的失敗。也許，科學預言並不比巫師或宗教預言家的預言更可靠，但預言宇宙的未來，還是可能的。

當然，我們現在還不知道一些極端條件下的物理定律，但這並不影響我們對宇宙未來演化的預測，因為這些定律的物理方程是不穩定的，不會有確切的解──就像我們用手旋轉賭盤，你感覺不到用力的微小變化，但指針卻停留在不同的地方。同樣道理，對五天以外的天氣情況作預報是相當困難的，因為複雜得難以計算；即使我們知道了制約大腦的所有方程，也不能對人類的行為作出預測，因為小小的改變會導致截然不同的結果。宇宙中的局部運動也許會出現混沌狀態，但宇宙在大尺度上是可以預測的。宇宙正在膨脹，其他星系正在離我們遠去。宇宙微波背景輻射證明了宇宙的膨脹大體上“是平滑的而非混沌的”；反過來説，如果宇宙的膨脹率和平均密度不是“處處相同”，各個方向上的宇宙微波背景輻射就不會如此一致。“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。”

現在，宇宙中星系之間的距離在增大，“但是人們預料星系之間的引力吸引正在降低這個膨脹率。如果宇宙的密度大於某個臨界值，引力吸引將最終使膨脹停止並使宇宙開始重新收縮。宇宙就會坍縮到一個大擠壓。”“大擠壓”和“大爆炸”前的狀態一樣，“是具有無限密度的狀態，物理定律在這種狀態下失效。”

預言宇宙的未來，“關鍵問題在於：平均密度是多少?如果它比臨界值小，宇宙就將永遠膨脹。但是如果它比臨界值大，宇宙就會坍縮，而時間本身就會在大擠壓處終結。”

計算宇宙的平均密度並不容易。“如果我們計算能看得見的恆星並把它們的質量相加，我們得到的，不到臨界值的百分之一左右。”即使加上“氣體雲的質量”，臨界值最多是百分之一。但是，我們能不能據此得出宇宙將永遠膨脹下去的結論呢?還不能。因為宇宙中還有許多暗物質。根據現在的觀測研究，將這些暗物質估算在內，“仍然只達到要使宇宙重新坍縮的臨界質量的百分之十左右。這樣，如果我們僅僅依據觀測證據，則可預言宇宙會繼續無限地膨脹下去。”這樣，“在大約一百億年以後，宇宙中大多數恆星都已把燃料耗盡”，走向滅亡。因它們的質量的不同，或者變成白矮星，或者變成中子星，或者變成黑洞。

霍金對黑洞的.解釋是：“空間-時間的一個區域，因為那兒的引力是如此之強，以至於任何東西，甚至光都不能從該處逃逸出來。”(《時間簡史》一書所附《小辭典》)但是，也許“黑洞並不像被描繪的那樣黑”，根據量子力學的測不準原理，如果黑洞中有一顆粒子的位置是確定的，那麼它的速度就有可能超過光速“逃離黑洞”。

我們不能相信已有的確定證據，是因為還有別的理論在探討宇宙的奧祕。人擇原理和暴漲理論就是其中的兩種。

宇宙是繼續膨脹還是可能收縮，這取決於宇宙現有密度。在對這個問題沒研究清楚之前，科學家也不得不認為“宇宙實際上是處在刀鋒上”，所以要繼承巫師或預言家的傳統，“兩方下賭注，以保萬無一失。”

三 演講的特點

1鄙動的導引

這篇科技論文是演講辭，具有演講的特點。預言宇宙的未來，雖然是一個嚴肅的科學話題。但如果就事論事，很容易枯燥乏味。演講需要激起聽眾的興趣。演講者從古代的巫術和近代的宗教預言談起，既增加了趣味性，又深化了講演的主題──在與巫術的對比中，更顯出了科學的求實精神。

2毖轄韉耐評

作為一篇科學演講，其最終目的是讓人信服。本文嚴謹的推理，增強了説服力。宇宙雖然複雜，但它在大尺度上又是可以描述的。宇宙的密度是決定其命運的關鍵，然而，確定這一點非常不易。演講者從可見物質談到暗物質，從成熟的理論談到科學假説，把問題講得透徹明白。沒有作出一個明確的預言，也説明了演講者嚴謹的科學態度。

3庇哪的語言演講是面對面的交流，這種交流是單向的，如果不注意演講的語言藝術，就達不到最佳的表達效果。這篇演講語言幽默，創造出一種輕鬆愉快的氣氛，使所論述的問題更易於為聽眾接受。如，文中有一段話説：“我比其他的末日預言者更佔便宜。即使宇宙將要坍縮，我可以滿懷信心地預言，它至少在一百億年內不會停止膨脹。我預料那時自己不會留在世上被證明是錯的。”以揭示自己“自私”的心理表示幽默，同時傳達出重要的信息：宇宙“至少在一百億年內不會停止膨脹”。

《宇宙的未來》解題指導

一 設計此題，是為了讓學生透過生動的比喻，來理解作者所要説明的科學道理。

1蔽頤悄殼盎共恢道“制約宇宙的有關定律”。即使知道了，它的“物理方程的解”也會出現混沌性質，不可能有確解。

2薄壩鈧嬖詿蠹費勾χ戰帷保終結就是死亡，再討論時空問題，或者再問“在這‘之後’的事件”，已毫無意義。

二 設計此題，是為了讓學生提煉出作者所論證的一些觀點及論據。

宇宙中存在暗物質的證據有兩個。“一個來自於螺旋星系”，如果沒有暗物質的引力作用，這些旋轉的星系早就被甩開了。“另一個證據來自於星系團”，這些星系團“成團地集中在一起”，其中個別星系運動速度非常高，若不是存在暗物質，“這些星系團就會飛散開去”。

作者在説明現在的宇宙密度可能就在臨界狀態時，列舉了兩種假説。一是“人擇原理”：可能存在多個宇宙，只有那些接近臨界密度的宇宙，才有我們這些“智慧生物”去問這個問題。二是“暴漲理論”：宇宙可能從一個微小的尺度暴漲到我們現在的臨界狀態。

三 設計此題，是為了讓學生注意文章幽默的語言風格，體會演講辭的特點。文章中幽默的話語，除了“課文説明”中提到的一段，還有很多，如，説古代的女巫“通常是被毒藥或火山隙溢出的氣體弄得精神恍惚的女人”，説明她們作預言需要藉助於神祕的力量，語言誇張而帶有諷刺意味；同樣，在諷刺近代宗教預言家時説：“幸運的是，數人名看來要花很長的時間”，將“末日預言者”的尷尬處境含蓄幽默地揭露出來；一句“否則的話，物理學家就會在賭場發財”，將“輪賭盤”的不確定性和“制約宇宙的有關定律”的物理方程的解具有混沌性質一語説透，妙趣橫生。另外尚有：“為何世界的終結會使人願意用股票來換錢，假定你在世界末日什麼也帶不走的話”；“無論如何，假定在太陽爆炸的時刻，我們還沒有把自己毀滅的話，我們應該已經掌握了恆星際旅行的技術。”；“所以我正是繼承那些巫師或預言者的良好傳統，兩方下賭注，以保萬無一失。”等等。

《宇宙的未來》教學建議

本課用三課時自讀。

這篇課文涉及的科學知識比較深，但也不難懂。在教學中，教師可參考“課文説明”及“有關資料”部分，幫助學生讀懂課文。在此基礎上，找出課文的重點難點，結合完成課後練習，加深對課文的理解。

課文的主體部分，論述了宇宙中物質密度問題，這是課文的重點，從理解上來説，也是難點。宇宙中物質的密度，決定了引力的大小。物質密度大，引力就大；物質密度小，引力就小。物質密度的大小，如果超過了一個臨界值，就會發生質的變化。依據大爆炸宇宙學，宇宙的未來只有兩種命運：繼續膨脹或坍縮。目前的觀測表明宇宙“至少在一百億年內不會停止膨脹”，但由於宇宙中存在着許多暗物質，也許還存在一些我們尚不十分明瞭的原因，在遙遠的未來，它會不會坍縮，還是一個未解之謎。

在教學中，可以請物理學習好的學生或愛好天文的學生，結合自己的學習或知識，就課文內容作一些引申發揮。現在，宇航、天文觀測等科學研究都具有世界性，經常有一些有關的報道。有條件的地方可組織參觀一次科技館或天文館。

(《高中語文第六冊教師教學用書》 人民教育出版社中語室)