一 背景知識
中國是最早進(jìn)行天文觀(guān)測的國家之一，在殷商甲骨文里，就有許多天文觀(guān)測記錄。漢語(yǔ)“宇宙”一詞出現較早。戰國時(shí)期的尸佼在他的著(zhù)作《尸子》中就說(shuō)：“上下四方曰宇，往古來(lái)今曰宙。”東漢的高誘在《淮南子原道訓》注中也說(shuō)：“四方上下曰宇，古往今來(lái)曰宙。”
中國古代的宇宙學(xué)說(shuō)，有渾天說(shuō)、蓋天說(shuō)、宣夜說(shuō)等。渾天說(shuō)認為，“渾天如雞子，天體圓如彈丸，地如雞子中黃，孤居于天內，天大而地小。天表里有水，天之包地，猶殼之裹黃。天地各乘氣而立，載水而浮。”(《張衡渾儀注》)蓋天說(shuō)認為，“天似蓋笠，地法覆盤(pán)”(《晉書(shū)天文志》)，天地都是穹形的，如同一個(gè)同心的球穹，相距八萬(wàn)里。宣夜說(shuō)認為，“天了無(wú)質(zhì)，仰而瞻之，高遠無(wú)極，眼瞀精絕，故蒼蒼然也。”(《晉書(shū)天文志》)就是說(shuō)“天”不是一個(gè)固體的“天穹”，不過(guò)充滿(mǎn)了無(wú)邊無(wú)際的氣體，日月星辰都在這氣體中浮動(dòng)。
在西方，古希臘人也有多種宇宙學(xué)說(shuō)。公元前600年左右，住在米利都的古希臘哲學(xué)家泰利斯認為地球是一個(gè)圓盤(pán)，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(gè)球層，恒星在內層，太陽(yáng)和月亮在外層。畢達哥拉斯認為，地球、月亮、太陽(yáng)、行星和恒星都在一個(gè)同心球上圍繞中央火旋轉。托勒密總結了古希臘的天文學(xué)成就，著(zhù)《天文學(xué)大成》，認為地為球形，靜止不動(dòng)，處于宇宙的中心，其他天體圍繞地球運行，創(chuàng )立了“地心說(shuō)”，統治西方天文學(xué)界一千四百多年，直到波蘭天文學(xué)家哥白尼在16世紀發(fā)表《天體運行論》，創(chuàng )立日心說(shuō)。17世紀，意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家伽利略親手制造天文望遠鏡，開(kāi)拓了人們的天文視野。德國天文學(xué)家開(kāi)普勒提出了行星運動(dòng)的三大定律，英國物理學(xué)家牛頓用力學(xué)的引力原理解釋開(kāi)普勒的行星運動(dòng)定律，創(chuàng )立了天體力學(xué)。
現代宇宙學(xué)最有影響的學(xué)說(shuō)是大爆炸宇宙學(xué)。大爆炸宇宙學(xué)認為，宇宙早期溫度極高(在100億度以上)，物質(zhì)密度極大。在那里，物質(zhì)被壓縮成一個(gè)奇點(diǎn)，時(shí)間和空間都毫無(wú)意義。大約200億年前，發(fā)生“爆炸”，溫度逐漸冷卻，形成各種各樣的恒星體系，也就是我們今天所能觀(guān)測到的宇宙。
宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)是逐漸形成的。20世紀初，愛(ài)因斯坦的相對論改變了科學(xué)家研究宇宙的方法。1927年，比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特第一個(gè)提出了動(dòng)態(tài)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(zhì)的質(zhì)量小于某個(gè)臨界值，宇宙就會(huì )繼續膨脹下去，成為“開(kāi)放的宇宙”；反之，就會(huì )坍縮，成為“閉合的宇宙”。1948年，出生在俄國的美籍物理學(xué)家伽莫夫發(fā)展了這一理論，提出了“大爆炸”學(xué)說(shuō)。
大爆炸學(xué)說(shuō)得到了以下天文觀(guān)測的支持。(1)河外星系有系統地譜線(xiàn)紅移(課文中涉及到)。1917年，美國天文學(xué)家斯里弗發(fā)現河外星系譜線(xiàn)有系統地向紅端移動(dòng)，表明這些遙遠的天體正在離我們遠去。1929年，美國天文學(xué)家哈勃發(fā)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(xiàn)性關(guān)系，稱(chēng)為哈勃定律。(2)在各種不同的天體上，氦的豐度相近，大都是30%。根據大爆炸理論，早期宇宙溫度很高，所以產(chǎn)生氦的效率也很高。(3)測定各種天體的年齡，均小于200億年。(4)宇宙微波背景輻射的發(fā)現(課文中涉及到)。
二 內容理解
在講演的開(kāi)頭，作者就指出，預言將來(lái)是非常困難的，預言宇宙的將來(lái)尤其困難。但科學(xué)家仍然有信心。
提到預言，人們會(huì )不由自主地想到古代的巫術(shù)。女巫把自己“弄得精神恍惚”，不過(guò)是為了增加點(diǎn)神秘色彩，“而真正的技巧在于解釋”。近代宗教預言也是這樣，不斷用新的解釋來(lái)掩飾預言的失敗。也許，科學(xué)預言并不比巫師或宗教預言家的預言更可靠，但預言宇宙的未來(lái)，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，但這并不影響我們對宇宙未來(lái)演化的預測，因為這些定律的物理方程是不穩定的，不會(huì )有確切的解──就像我們用手旋轉賭盤(pán)，你感覺(jué)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，因為復雜得難以計算；即使我們知道了制約大腦的所有方程，也不能對人類(lèi)的行為作出預測，因為小小的改變會(huì )導致截然不同的結果。宇宙中的局部運動(dòng)也許會(huì )出現混沌狀態(tài)，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(guò)來(lái)說(shuō)，如果宇宙的膨脹率和平均密度不是“處處相同”，各個(gè)方向上的宇宙微波背景輻射就不會(huì )如此一致。“這表明，宇宙的行為在非常大尺度下是簡(jiǎn)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(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(kāi)始重新收縮。宇宙就會(huì )坍縮到一個(gè)大擠壓。”“大擠壓”和“大爆炸”前的狀態(tài)一樣，“是具有無(wú)限密度的狀態(tài)，物理定律在這種狀態(tài)下失效。”
預言宇宙的未來(lái)，“關(guān)鍵問(wèn)題在于：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(huì )坍縮，而時(shí)間本身就會(huì )在大擠壓處終結。”
計算宇宙的平均密度并不容易。“如果我們計算能看得見(jiàn)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。”即使加上“氣體云的質(zhì)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(zhì)。根據現在的觀(guān)測研究，將這些暗物質(zhì)估算在內，“仍然只達到要使宇宙重新坍縮的臨界質(zhì)量的百分之十左右。這樣，如果我們僅僅依據觀(guān)測證據，則可預言宇宙會(huì )繼續無(wú)限地膨脹下去。”這樣，“在大約一百億年以后，宇宙中大多數恒星都已把燃料耗盡”，走向滅亡。因它們的質(zhì)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(shí)間的一個(gè)區域，因為那兒的引力是如此之強，以至于任何東西，甚至光都不能從該處逃逸出來(lái)。”(《時(shí)間簡(jiǎn)史》一書(shū)所附《小辭典》)但是，也許“黑洞并不像被描繪的那樣黑”，根據量子力學(xué)的測不準原理，如果黑洞中有一顆粒子的位置是確定的，那么它的速度就有可能超過(guò)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秘。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，這取決于宇宙現有密度。在對這個(gè)問(wèn)題沒(méi)研究清楚之前，科學(xué)家也不得不認為“宇宙實(shí)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(wàn)無(wú)一失。”
三 演講的特點(diǎn)
1鄙動(dòng)的導引
這篇科技論文是演講辭，具有演講的特點(diǎn)。預言宇宙的未來(lái)，雖然是一個(gè)嚴肅的科學(xué)話(huà)題。但如果就事論事，很容易枯燥乏味。演講需要激起聽(tīng)眾的興趣。演講者從古代的巫術(shù)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(shù)的對比中，更顯出了科學(xué)的求實(shí)精神。
2毖轄韉耐評
作為一篇科學(xué)演講，其最終目的是讓人信服。本文嚴謹的推理，增強了說(shuō)服力。宇宙雖然復雜，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(guān)鍵，然而，確定這一點(diǎn)非常不易。演講者從可見(jiàn)物質(zhì)談到暗物質(zhì)，從成熟的理論談到科學(xué)假說(shuō)，把問(wèn)題講得透徹明白。沒(méi)有作出一個(gè)明確的預言，也說(shuō)明了演講者嚴謹的科學(xué)態(tài)度。
3庇哪的語(yǔ)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(yǔ)言藝術(shù)，就達不到最佳的表達效果。這篇演講語(yǔ)言幽默，創(chuàng )造出一種輕松愉快的氣氛，使所論述的問(wèn)題更易于為聽(tīng)眾接受。如，文中有一段話(huà)說(shuō)：“我比其他的末日預言者更占便宜。即使宇宙將要坍縮，我可以滿(mǎn)懷信心地預言，它至少在一百億年內不會(huì )停止膨脹。我預料那時(shí)自己不會(huì )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(shí)傳達出重要的信息：宇宙“至少在一百億年內不會(huì )停止膨脹”。
《宇宙的未來(lái)》解題指導
一 設計此題，是為了讓學(xué)生透過(guò)生動(dòng)的比喻，來(lái)理解作者所要說(shuō)明的科學(xué)道理。
1蔽頤悄殼盎共恢道“制約宇宙的有關(guān)定律”。即使知道了，它的“物理方程的解”也會(huì )出現混沌性質(zhì)，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?2薄壩鈧嬖詿蠹費勾χ戰帷保終結就是死亡，再討論時(shí)空問(wèn)題，或者再問(wèn)“在這‘之后’的事件”，已毫無(wú)意義。
二 設計此題，是為了讓學(xué)生提煉出作者所論證的一些觀(guān)點(diǎn)及論據。
宇宙中存在暗物質(zhì)的證據有兩個(gè)。“一個(gè)來(lái)自于螺旋星系”，如果沒(méi)有暗物質(zhì)的引力作用，這些旋轉的星系早就被甩開(kāi)了。“另一個(gè)證據來(lái)自于星系團”，這些星系團“成團地集中在一起”，其中個(gè)別星系運動(dòng)速度非常高，若不是存在暗物質(zhì)，“這些星系團就會(huì )飛散開(kāi)去”。
作者在說(shuō)明現在的宇宙密度可能就在臨界狀態(tài)時(shí)，列舉了兩種假說(shuō)。一是“人擇原理”：可能存在多個(gè)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(wèn)這個(gè)問(wèn)題。二是“暴漲理論”：宇宙可能從一個(gè)微小的尺度暴漲到我們現在的臨界狀態(tài)。
三 設計此題，是為了讓學(xué)生注意文章幽默的語(yǔ)言風(fēng)格，體會(huì )演講辭的特點(diǎn)。文章中幽默的話(huà)語(yǔ)，除了“課文說(shuō)明”中提到的一段，還有很多，如，說(shuō)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”，說(shuō)明她們作預言需要借助于神秘的力量，語(yǔ)言夸張而帶有諷刺意味；同樣，在諷刺近代宗教預言家時(shí)說(shuō)：“幸運的是，數人名看來(lái)要花很長(cháng)的時(shí)間”，將“末日預言者”的尷尬處境含蓄幽默地揭露出來(lái)；一句“否則的話(huà)，物理學(xué)家就會(huì )在賭場(chǎng)發(fā)財”，將“輪賭盤(pán)”的不確定性和“制約宇宙的有關(guān)定律”的物理方程的解具有混沌性質(zhì)一語(yǔ)說(shuō)透，妙趣橫生。另外尚有：“為何世界的終結會(huì )使人愿意用股票來(lái)?yè)Q錢(qián)，假定你在世界末日什么也帶不走的話(huà)”；“無(wú)論如何，假定在太陽(yáng)爆炸的時(shí)刻，我們還沒(méi)有把自己毀滅的話(huà)，我們應該已經(jīng)掌握了恒星際旅行的技術(shù)。”；“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(wàn)無(wú)一失。”等等。
《宇宙的未來(lái)》教學(xué)建議
本課用三課時(shí)自讀。
這篇課文涉及的科學(xué)知識比較深，但也不難懂。在教學(xué)中，教師可參考“課文說(shuō)明”及“有關(guān)資料”部分，幫助學(xué)生讀懂課文。在此基礎上，找出課文的重點(diǎn)難點(diǎn)，結合完成課后練習，加深對課文的理解。
課文的主體部分，論述了宇宙中物質(zhì)密度問(wèn)題，這是課文的重點(diǎn)，從理解上來(lái)說(shuō)，也是難點(diǎn)。宇宙中物質(zhì)的密度，決定了引力的大小。物質(zhì)密度大，引力就大；物質(zhì)密度小，引力就小。物質(zhì)密度的大小，如果超過(guò)了一個(gè)臨界值，就會(huì )發(fā)生質(zhì)的變化。依據大爆炸宇宙學(xué)，宇宙的未來(lái)只有兩種命運：繼續膨脹或坍縮。目前的觀(guān)測表明宇宙“至少在一百億年內不會(huì )停止膨脹”，但由于宇宙中存在著(zhù)許多暗物質(zhì)，也許還存在一些我們尚不十分明了的原因，在遙遠的未來(lái)，它會(huì )不會(huì )坍縮，還是一個(gè)未解之謎。
在教學(xué)中，可以請物理學(xué)習好的學(xué)生或愛(ài)好天文的學(xué)生，結合自己的學(xué)習或知識，就課文內容作一些引申發(fā)揮。現在，宇航、天文觀(guān)測等科學(xué)研究都具有世界性，經(jīng)常有一些有關(guān)的報道。有條件的地方可組織參觀(guān)一次科技館或天文館。
(《高中語(yǔ)文第六冊教師教學(xué)用書(shū)》 人民教育出版社中語(yǔ)室)
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