《宇宙的未来》课文说明

13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