人教新课标必修5：（13宇宙的未来）

人教新课标必修5：（13宇宙的未来）

1 13 宇宙的未来 学习目标导航 1.能读懂本演讲录的内容。 2.学习本文生动、幽默的演讲风格。 3.感受科学精神，增进科学素养。 自主研学平台 一、作者简介 史蒂芬·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，最终导致瘫痪，完全丧失语言能力。他身残志坚，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 30 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。 二、写作背景 霍金在牛津大学毕业后，被诊断患了“卢伽雷病”，不久就完全瘫痪了。1985 年，霍金 又因肺炎进行了穿气管手术，此后，他完全不能说话，依靠安装在轮椅上的一个小对话机和 语言合成器与人进行交谈；看书必须依赖一种翻书页的机器，读文献时需要请人将每一页都 摊在大桌子上，然后他驱动轮椅如蚕吃桑叶般地逐页阅读……霍金正是在这种一般人难以置 信的艰难中，成为世界公认的引力物理科学巨人。霍金在剑桥大学任牛顿曾担任过的卢卡斯 数学讲座教授之职，他的黑洞蒸发理论和量子宇宙论不仅震动了自然科学界，并且对哲学和 宗教也有深远影响。 从宇宙大爆炸的奇点到黑洞辐射机制，霍金对量子宇宙论的发展作出了杰出的贡献。他 的目标是解决从牛顿以来一直困扰人类的“第一推力”问题。他的宇宙模型是一个封闭的无 边界的有限四维时空——不需要上帝的第一推力，宇宙的演化完全取决于物理定律。 霍金坚信，关于宇宙的起源和命运的基本思想可以不用数学来陈述，而且没有受过专业 训练的人也能理解。他曾在通俗演讲里生动地向听众解释“利用光速，从‘黑洞’进去，从 ‘白洞’到宇宙另一区域去作时空旅行”的设计是有趣的科学幻想，而现实却是难以做到的 简明道理。经过数年的辛勤写作和修改，于 1988 年 4 月正式出版宇宙论科普著作《时间简 史》。书中引导读者遨游外层空间奇异领域，对遥远星系、黑洞、夸克、大统一理论、“带味” 粒子和“自旋”的粒子、反物质、“时间箭头”等进行探索。《时间简史》已用 33 种文字发 行了 550 万册，如今在西方，自称受过教育的人若没有读过这本书，会被人看不起。本文即 是作者在 1991 年的一篇讲演录。 医生曾诊断身患绝症的霍金只能活两年，他之所以能支持到今天并取得卓越成就，最主 要的是他具有强烈的使命感和极其坚强的意志。霍金的一生，是人类意志力的记录，是科学 精神创造的奇迹。 三、重点字词 1.字音 精神恍惚．．（huǎnɡ hū） 模棱．两可（lénɡ） 臭名昭著．（zhù） 坍．缩（tān） 混．水摸鱼（hún） 混沌．．（hùn dùn） 2.字形 2 感恩戴（不可写作“代”）德 教材优化全析 一、文脉梳理 课文分为六部分，要点依次为： （一）科学家有信心预言未来。 （二）巫师的预言模棱两可，宗教的预言屡测屡败。 （三）物理方程、制约大脑的方程具有混沌性，因此我们不能预言人类；而宇宙的行为 在非常大尺度下却是简单的，而不是混沌的，因此我们可以预言宇宙遥远的未来。 （四）宇宙的未来有两种可能，一是继续膨胀下去，二是收缩以至坍缩成一个点。是膨 胀还是收缩，取决于宇宙的平均密度。 （五）宇宙现在的密度非常接近于把坍缩和膨胀区分开来的临界点上，所以两种可能都 会发生。 （六）结论，在未确定宇宙现有密度的情况下，无法确定它是膨胀还是坍缩。 二、课文详解 第一部分（第 1 段）： 第 1 段作者指出，预言将来是非常困难的，预言宇宙的将来尤其困难，但科学家仍然有 信心。 第二部分（第 2—6 段）： 用巫师和近代宗教预言同科学预言比较，指出：女巫把自己“弄得精神恍惚”，不过是为了 增加点神秘色彩，“而真正的技巧在于解释”；近代宗教预言则不断用新的解释来掩饰预言的 失败；也许，科学预言并不比巫师或宗教预言家的预言更可靠，但预言宇宙的未来，还是可 能的。 “……这些日期使股票市场下跌。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。”这段话让人在笑声中悟到人类自身的 某些缺陷和某些思维误区。 “据说，1844 年是第二次回归的开始，但是首先要数出获救者名单。只有数完了名单， 审判日才降临到那些不列在名单上的人。幸运的是，数人名看来要花很长的时间。”这段话 幽默中含着揶揄和讽刺，揭露了宗教预言师的荒谬，表现了对方屡测屡败却又想方设法自圆 其说的尴尬与可笑。 第三部分（第 7—13 段）： 第 7 段说虽然我们现在还不知道一些极端条件下的物理定律，但这并不影响我们对宇宙 未来演化的预测。 第 8 段进一步指出即便我们知道了制约宇宙的有关规律，仍然不能预言遥远的未来，因 为这些定律的物理方程是不稳定的。作者举了一个旋转轮赌盘的例子，证明未来的不可预测 性，形象直观。 第 9—11 段，指出虽然未来如天气预报一样不可预测，但我们的宇宙正在膨胀却是事实。 第 12—13 段，指出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”； 反过来说，如果宇宙的膨胀率和平均密度不是“处处相同”，各个方向上的宇宙微波背景辐 射就不会如此一致，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”。也就 是说我们可以预言宇宙遥远的未来。 第四部分（第 14—16 段）： 3 通过第 14、15 两段的正反分析指出预言宇宙的未来，“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，而时间本 身就会在大挤压处终结”。 第 14 段打了一个比方：“这有一点像是再投胎。如果有人声称一个新生的婴儿是和某一 死者等同，如果该婴儿没从他的以前的生命遗传到任何特征或记忆，这种声称有什么意义呢? 人们可以同样地讲，它是完全不同的个体。”它形象地说明宇宙在大挤压处终结后，并不是 任何发生在“之后”的事件都是另一个相分离的宇宙的部分。 第五部分（第 17—25 段）： 第 17—21 段解释宇宙可能会永远地膨胀下去。 第 17—18 段说明计算恒星加上气体云及暗物质的质量来推测宇宙的密度，它依然会继 续膨胀下去。 第 19—21 段分析如果继续膨胀，宇宙最终的结果是，“在大约一百亿年以后，宇宙中大 多数恒星都已把燃料耗尽”，走向灭亡。因它们的质量的不同，或者变成白矮星，或者变成 中子星，或者变成黑洞。 第 22—25 段指出另一种可能，宇宙会收缩。 第 22—23 段指出宇宙会收缩，也许存在足够的暗物质，同时宇宙的初始密度和膨胀率 也不可预知。 第 23—25 段分析了使宇宙刚好有临界密度的两种可能，一是人择原理。因为我们在观 测它，所以宇宙处于临界密度，因为只有处于临界密度的星球才能让我们活下来。二是大爆 炸原理。爆炸会使宇宙达到临界点，然后坍缩。 第六部分（第 26 段）： 总结全文宇宙是继续膨胀还是可能收缩，这取决于宇宙现有密度。在对这个问题没研究 清楚之前，科学家也不得不认为“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。” “如果暴涨理论是正确的，则宇宙实际上是处在刀锋上。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。”这段话幽默风趣，听众明知作者作的是科 学的预言，和巫师他们完全不同，可作者却有意将自己降为他们的同类，一是说明自己恰好 也有两种预测，二是顺势又对他们进行嘲讽。这种智慧的表达既带来了轻松愉悦的气氛，又 大大增加了自己与听众的亲和力。 整合感悟 本文是史蒂芬·霍金 1991 年 1 月在剑桥大学的一次演讲录。 这篇演讲，从古代巫师的预言，谈到近代宗教的预言，然后过渡到自己对宇宙未来的预言， 结构严谨，重点突出。作者运用天体物理学理论，对宇宙未来作出了两种预测，一是继续膨 胀下去；二是收缩以至坍缩成一个点。是膨胀还是收缩，取决于宇宙的平均密度。“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，而时间本身就会 在大挤压处终结。”可“现有密度似乎非常接近于把坍缩和无限膨胀区分开来的临界密度”， 所以两种结果都有可能。 疑难探究 1.作者在第 8 段中为什么说“即使知道了制约宇宙的有关定律，我们仍然不能利用它们去预 言遥远的未来”?为什么第 10 段又说“尽管我们知道制约人类行为的方程，但在实际上我们 不能预言它”? 参考答案：“因为物理方程的解会呈现出一种称作混沌的性质”“方程可能是不稳定的”；同 样，“制约大脑的方程几乎肯定具有混沌行为，初始态的非常小的改变会导致非常不同的结 果”。 4 2.为什么科学“不能预言人类社会的未来”，却“可以预言宇宙遥远的未来”? 参考答案：因为前者是混沌的，不确定的；而“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”。 3.作者对宇宙的未来的预言与巫师、宗教预言家对人类社会未来的预言有何不同? 参考答案：前者是有科学根据的，是运用天体物理学理论进行的科学推测，是科学预言；而 后者是没有科学根据可言的。——其实，从上面的题目就可知道，人类社会的未来根本就是 无法预言的，因为方程是混沌的，所以巫师、宗教预言家对人类社会的预言注定就是荒唐的。 4.对宇宙未来的预言，关键是要弄清宇宙的什么问题? 参考答案：“对宇宙未来的预言，其关键问题在于：平均密度是多少。 三、技巧鉴赏 1.生动的导引 这篇科技论文是演讲词，具有演讲的特点。预言宇宙的未来，虽然是一个严肃的科学话 题。但如果就事论事，很容易枯燥乏味。演讲需要激起听众的兴趣。演讲者从古代的巫术和 近代的宗教预言谈起，既增加了趣味性，又深化了讲演的主题——在与巫术的对比中，更显 出了科学的求实精神。 2.严谨的推理 作为一篇科学演讲，其最终目的是让人信服。本文严谨的推理，增强了说服力。宇宙虽 然复杂，但它在大尺度上又是可以描述的。宇宙的密度是决定其命运的关键，然而，确定这 一点非常不易。演讲者从可见物质谈到暗物质，从成熟的理论谈到科学假说，把问题讲得透 彻明白。没有作出一个明确的预言，也说明了演讲者严谨的科学态度。 3.幽默的语言 演讲是面对面的交流，这种交流是单向的，如果不注意演讲的语言艺术，就达不到最佳 的表达效果。 这篇演讲语言幽默，创造出一种轻松愉快的气氛，使所论述的问题更易于为 听众接受。如，文中有一段话说：“我比其他的末日预言者更占便宜。即使宇宙将要坍缩， 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。”以揭示自己“自私”的心理表示幽默，同时传达出重要的信息：宇宙“至 少在一百亿年内不会停止膨胀”。 四、合作探究 1.根据作者的论述，我们目前所能看到的宇宙物质最多是“临界值”的百分之一，似乎不足 以使宇宙坍缩。然而作者又指出，“也许存在足够的暗物质，使宇宙最终坍缩”。宇宙中存在 暗物质的证据是什么?作者又举了哪两种假说，说明现在的宇宙密度可能就在临界状态? 明确：宇宙中存在暗物质“一个证据来自于螺旋星系”，“必须存在某种看不见的物质形式， 其引力吸引足以把这些旋转的星系牢牢抓住”；“另一个证据来自于星系团”，“要不是引力吸 引把星系抓到一起，这些星系团就会飞散开去……所以，在星系团中我们观测到的星系以外 必须存在额外的暗物质”。 作者为了说明现在的宇宙密度可能就在临界状态，列举了两种假说，“一种是所谓的人择原 理”，另一种是“极早期宇宙的暴涨理论”。 2.课文中霍金对宇宙未来的预言，你怎么看? 明确：设计该题旨在引导学生独立思考，培养独立的人格，同时也培养独立的科学精神。学 生可以畅所欲言，比如认为霍金的观点只是一家之言，只是一种推测，无法得到证实，他和 爱因斯坦的相对论一样，虽然都很伟大，但都只是一种理论，一种思想，缺少科学的实证， 因此也都没能获得需要实证的诺贝尔奖。其他科学家站在另外的角度来思考、来假设，或许 会有不同的结论、不同的发现。所以青少年对霍金的观点可以学习，可以接受，但不能迷信， 不能束缚自己的思维。