必修宇宙的未來

必修宇宙的未來第1頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一提煉本文要點，增強概括能力；感受科學精神，增進科學素養(yǎng)；【教學目的】jiaoxuemudi第2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一中國是最早進行天文觀測的國家之一，在殷商甲骨文里，就有許多天文觀測記錄。漢語“宇宙”一詞出現(xiàn)較早。戰(zhàn)國時期的尸佼在他的著作《尸子》中就說：“上下四方曰宇，往古來今曰宙?！睎|漢的高誘在《淮南子·原道訓》注中也說：“四方上下曰宇，古往今來曰宙?！?/p>

中國古代的宇宙學說，有渾天說、蓋天說、宣夜說等。渾天說認為，“渾天如雞【閱讀導言】yuedudaoyan第3頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一子，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，相距八萬里。宣夜說認為，“天了無質，仰而瞻之，高遠無極?！?《晉書·天文志》)就是說“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。第4頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一在西方，古希臘人也有多種宇宙學說。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，恒星在內層，太陽和月亮在外層。畢達哥拉斯認為，地球、月亮、太陽、行星和恒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，處于宇宙的中心，其他天體圍繞地球運行，創(chuàng)立了“地心說”，統(tǒng)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(fā)表《天體運行論》，創(chuàng)立日心說。17世紀，意大利物理學家和天文學家伽利略親手制造第5頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一天文望遠鏡，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(chuàng)立了天體力學。

現(xiàn)代宇宙學最有影響的學說是大爆炸宇宙學。大爆炸宇宙學認為，宇宙早期溫度極高(在100億度以上)，物質密度極大。在那里，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(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測到的宇宙。第6頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一宇宙大爆炸學說是逐漸形成的。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(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：如果宇宙中物質的質量小于某個臨界值，宇宙就會繼續(xù)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(fā)展了這一理論，提出了“大爆炸”學說。第7頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一斯蒂芬·霍金是繼阿爾伯特·愛因斯坦之后最杰出的物理學家?；艚?942年出生于英國牛津，先后就讀于牛津大學和劍橋大學，學習數(shù)學、物理學和宇宙學。1963年，霍金經(jīng)診斷得了肌萎縮性側索硬化癥。這種病會引起肌肉萎縮，導致癱瘓；說話會越來越困難，直至完全喪失語言能力；患者通常因并發(fā)肺炎或窒息而死亡。不過，患者的思維能力包括記憶能力不受影響。醫(yī)生告訴霍金他最多只能活兩年。在【文章作者】wenzhangzuozhe第8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一經(jīng)歷了一段短暫的失望和沮喪后，霍金又開始了他的宇宙學研究?；艚鸷髞碓谙鄬φ摗ⅰ按蟊ā焙秃诙吹阮I域取得了突出的研究成果?；艚?988年出版的宇宙學著作《時間簡史：從大爆炸到黑洞》，是一部里程碑式的暢銷書。霍金被確診患病已30多年，但他仍孜孜于宇宙起源的理論研究，仍在為大統(tǒng)一理論而耕耘不已?；艚瓞F(xiàn)任劍橋大學盧卡斯數(shù)學教授，這也是牛頓爵士曾擔任過的職位。(選自《斯蒂芬·霍金：偉大的物理學家》，世界知識出版社1998年版，麥克丹尼爾著，翟玉章譯)【文章作者】第9頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一霍金的中國學生吳忠超教授這樣介紹史蒂芬?霍金：在相對論和引力論領域，霍金是繼愛因斯坦之后最偉大的代表人物。他的第一項工作是和彭羅斯一起證明了廣義相對論的奇性定理；第二項工作是創(chuàng)立了黑洞物理理論，其中有黑洞的無毛定理和黑洞視界面積增加定理；第三項工作是研究極早期宇宙和宇宙的創(chuàng)生，其量子宇宙學使人們單獨地從科學定律即能預言出宇宙中的一切。而他所有這些成就都是在他患盧伽雷病(肌肉萎縮性側面硬化病)后的40年間所做的。在科學史上有許多殘疾科學家，但是像霍金這樣殘疾到這種程度的則絕無僅有——21歲就患病，幾十第10頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一年被禁錮在特制的輪椅上，全身只有三個手指能活動，不能講話，與人交談要靠計算機合成語言，有了新的想法也只能通過三個手指“敲擊”進語言合成器里保存……可就是這樣一個重度殘疾的人，卻把研究的目標直指浩瀚的宇宙。

《果殼中的宇宙》一書中，霍金引用了莎士比亞戲劇《哈姆雷特》里一句充滿詩意的臺詞：“我即使被關在果殼里，仍自以為是無限空間之王!”這句臺詞形象地道出了霍金的崇高精神追求，使人們親眼看到了“果殼”中的那個挑戰(zhàn)命運的不屈的靈魂。他曾說：“只要有智慧和精神在，沒有什么能打倒自己。身體的健康固然重要第11頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一心靈的健康也會給你無窮的力量。”在少年霍金的心中，崇拜的不是歌星或球星，而是貝特朗?羅素，一位不知疲倦的思想家、哲學家和科學家。

霍金的朋友曾這樣感慨：“可以相信，當他所熱愛的東西都失去時，他不僅堅強地活著，而且偉大地活著，那么他所帶給我們的不僅僅是科學的智慧，還有人類最可貴的精神?！钡?2頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一【文章要點】本文是史蒂芬?霍金1991年1月在劍橋大學的一次演講錄。這篇演講，從古代巫師的預言，談到近代宗教的預言，然后過渡到自己對宇宙未來的預言，結構嚴謹，重點突出。作者運用天體物理學理論，對宇宙未來作出了兩種預測，一是繼續(xù)膨脹下去；二是收縮以至坍縮成一個點。是膨脹還是收縮，取決于宇宙的平均密度?！叭绻扰R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，而時間就會在大擠壓處終結?！笨伞艾F(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”，所以兩種結果都有可能。第13頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一【文章要點】①科學家有信心預言未來。②巫師的預言模棱兩可，宗教的預言屢測屢敗。③物理方程、制約大腦的方程具有混沌性，因此我們不能預言人類；而宇宙的行為在非常大尺度下卻是簡單的，而不是混沌的，因此我們可以預言宇宙遙遠的未來。④宇宙的未來有兩種可能，一是繼續(xù)膨脹下去，二是收縮以至坍縮成一個點。是膨脹還是坍縮，取決于宇宙的平均密度。⑤宇宙現(xiàn)在的密度非常接近于把坍縮和膨脹區(qū)分開來的臨界點上，所以兩種可能都會發(fā)生。第14頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一

⑴作者在第8段中為什么說“即使知道了制約宇宙的有關定律，我們仍然不能利用它們去預言遙遠的未來”?為什么第10段又說“盡管我們知道制約人類行為的方程，但在實際上我們不能預言它”?【閱讀點撥】wenzhangzuozhe

“因為物理方程的解會呈現(xiàn)出一種稱作混沌的性質”，“方程可能是不穩(wěn)定的”；同樣，“制約大腦的方程幾乎肯定具有混沌行為，初始態(tài)的非常小的改變會導致非常不同的結果”。第15頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一

⑵為什么科學“不能預言人類社會的未來”，卻“可以預言宇宙遙遠的未來”?因為前者是混沌的，不確定的；而“宇宙的行為在非常大尺度下是簡單的，而不是混沌的，因此我們可以預言宇宙遙遠的未來”。第16頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一（3）作者對宇宙的未來的預言與巫師、宗教預言家對人類社會未來的預言有何不同?前者是有科學根據(jù)的，是運用天體物理學理論進行的科學推測，科學預言；而后者是沒有科學根據(jù)可言的?！鋵?，從上面的題目就可知道，人類社會的未來根本就是無法預言的，因為方程是混沌的，所以巫師、宗教預言家對人類社會的預言注定就是荒唐的。第17頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一⑷對宇宙未來的預言，關鍵是要弄清宇宙的什么問題?“對宇宙未來的預言，其關鍵問題在于：平均密度是多少。”

⑸作者認為宇宙的未來會是怎樣的?會有兩種可能：“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?！钡?8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一（6）根據(jù)作者的論述，我們目前所能看到的宇宙物質最多是“臨界值”的百分之一，似乎不足以使宇宙坍縮。然而作者又指出，“也許存在足夠的暗物質，使宇宙最終坍縮”。宇宙中存在暗物質的證據(jù)是什么?作者又舉了哪兩種假說，說明現(xiàn)在的宇宙密度可能就在臨界狀態(tài)?第19頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一宇宙中存在暗物質“一個證據(jù)來自于螺旋星系”，“必須存在某種看不見的物質形式，其引力吸引足以把這些旋轉的星系牢牢抓住”；“另一個證據(jù)來自于星系團”，“要不是引力吸引把星系抓到一起，這些星系團就會飛散開去……所以，在星系團中我們觀測到的星系以外必須存在額外的暗物質”。作者為了說明現(xiàn)在的宇宙密度可能就在臨界狀態(tài)，列舉了兩種假說，“一種是所謂的人擇原理”，另一種是“極早期宇宙的暴漲理論”。第20頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一

（7）本文在論述過程中，常常用一些生動的比喻來說明事理。下列兩個比喻句各自說明了什么道理?①“例如，如果你稍微改變一下你旋轉輪賭盤的方式，就會改變出來的數(shù)字。你在實際上不可能預言出來的數(shù)字，否則的話，物理學家就會在賭場發(fā)財。”用這個比喻生動地說明了“即使我們知道了制約宇宙的有關定律，我們仍然不能利用它們去預言遙遠的未來”。第21頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一②“這有一點像是再投胎。如果有人聲稱一個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，它是完全不同的生命。”用這個比喻形象地說明宇宙在大擠壓處終結后，并不是任何發(fā)生在“之后”的事件都是另一個相分離的宇宙的部分。第22頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一（8）這篇文章語言幽默風趣，在說明科學道理的同時，創(chuàng)造出一種輕松愉快的氣氛，體現(xiàn)了演講詞的特點。試舉出三個例子，分析其表達效果。例如：①“……這些日期使股票市場下瀉。雖然它使我百思不解，為何世界的終結會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?！边@句話讓人在笑聲中悟到人類自身的某些缺陷和某些思維誤區(qū)。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。幸運的是，數(shù)人名看來要花很長的第23頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一時間?！边@句話幽默中含著揶揄和諷刺，揭露了宗教預言師的荒謬，表現(xiàn)了對方屢測屢敗卻又想方設法自圓其說的尷尬與可笑。③“如果暴漲理論是正確的，則宇宙實際上是處在刀鋒上。所以我正是繼承那些巫師或預言者的良好傳統(tǒng)，兩方下賭注，以保萬無一失?！甭牨娒髦髡咦龅氖强茖W的預言，和巫師他們完全不同，可作者卻有意將自己降為他們的同類，一是說明自己恰好也有兩種預測，二是順勢又對他們進行嘲諷。這種智慧的表達既帶來了輕松愉悅的氣氛，又大大增加了自己與聽眾的親和力。第24頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一1.下面這段話引自霍金2002年8月15日在浙江大學的公眾演講《膜的新奇世界》，讀后請用其中的原句提煉本段的要點，并同課文做比較閱讀，說說霍金在介紹深奧理論時喜歡采用什么方式來讓聽眾聽明白?【課外拓展】wenzhangzuozhe

“按照我的意見，膜世界啟始的更遠為吸引人的解釋是，它作為真空中的起伏而自發(fā)產(chǎn)生。膜的產(chǎn)生有點像沸騰水中蒸氣泡的形成。水液體中包含億萬個H2O分子，它們在最靠近的鄰居之間耦合，并且擠在一起。當水被加熱上去，分子第25頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一運動得更加快，并且相互彈開。這些碰撞偶然賦予分子如此高的速度，使得它們中的一群能擺脫它們的鍵，形成熱水圍繞著的蒸氣小泡泡。泡泡將以隨機的方式長大或縮小，這時液體中來的更多的分子參與到蒸氣中去，或者相反的過程。大多數(shù)小蒸氣泡將會重新塌縮成液體，但是有一些會長大到一定的臨界尺度，超過該尺度泡泡幾乎肯定會繼續(xù)成長。我們在沸騰時觀察到的正是這些巨大的膨脹的泡泡?！?/p>

體現(xiàn)本段要點的句子是“膜的產(chǎn)生有點像沸騰水中蒸氣泡的形成。”作者喜歡用比喻的方式將深奧的理論說得通俗易懂。第26頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一2.鑒定一下基因就可以得知一個人所屬的地域。科學家最近就發(fā)現(xiàn)，DNA的細微差異所能提供的信息足以辨別出單個個體“地理意義上的祖先”——也就是能辨別出“地緣血統(tǒng)”。這對于研究遠古人類的“遷移”很有借鑒意義。我們知道，一個單個個體的DNA有99.9％是與另一個單個個體相同的，差異之處就在于皮膚顏色、體形和顱骨形狀等。美國科學家的這項研究選擇了世界范圍內5個主要區(qū)域：非洲、歐亞大陸（包括歐洲、中東、中南亞）、東亞、大洋洲和美洲，挑選其中52個民族的1056人，試圖通過單純提取分析他們的DNA樣本來判斷其“地域來源”。第27頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一負責這項國際性研究的美國斯坦福大學馬庫斯?W?費爾德曼教授說：“我們事先不知道他們來自哪個地方，然后我們就要問，能否通過DNA研究找出單個個體之間由基因決定的不同地域性?！眮碜悦绹?、法國和俄羅斯的多名科學家，他們運用數(shù)學統(tǒng)計方法，采集獨立的基因數(shù)據(jù)，精確地判明了來自上述各個地域不同個體“地緣血統(tǒng)”。費爾德曼介紹說，來自歐亞大陸的人，包括歐洲、中東和中南亞，是最難鑒定的?！斑^去幾千年里，這幾個地區(qū)的人們不斷遷移、征戰(zhàn)以及貿易往來，歷史情況比較復雜，這也許可以作為一個很好的解釋?！钡?8頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一不過西班牙的巴斯克人是一個特別的例子，從地理和語言雙重意義上來看它都是一個十分獨立的民族，較容易與其他歐洲民族從基因上區(qū)別開來。1．對文章中“地緣血統(tǒng)”含義的理解，準確的一項是（）A．一個人的祖先B．一個人所屬的地域C．遠古人類的遷移地D．基因決定的地域性D第29頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一2．不能用來具體解釋“歐亞大陸人的‘地緣血統(tǒng)’最難鑒定”這一說法的一項是（）A．頻繁的貿易往來B．連年不斷的征戰(zhàn)C．復雜的歷史情況D．人們不停的遷徙C第30頁，共37頁，2023年，2月20日，星期一3．下列說法不符合原文意思的一項是（）A．DNA的細微差異所提供的信息足以辨別出單個個體在“地緣血統(tǒng)”上的差異，這是科學家最近研究發(fā)現(xiàn)。B