宇宙的未來教學設計

課文《宇宙的未來》出自高三語文上冊課文，其原文如下：
【原文】
史蒂芬·霍金，英國理論物理學家，1942年1月生於英國的牛津。先後在牛津大學物理系和劍橋大學物理系學習，23歲獲博士學位。21歲時，患上一種運動神經細胞病，以致全身不能動彈，不能說話。他身殘志堅，在大bao6*炸、黑洞等宇宙學理論上取得了舉世矚目的成就，被譽為當代的愛因斯坦。他的科普著作《時間簡史》在全世界行銷數千萬冊，極大地增進了人們對宇宙的認識。現任英國劍橋大學盧卡遜數學講座教授。本文是霍金1991年1月在劍橋大學的一次講演錄。
這篇講演的主題是宇宙的未來，或者不如說，科學家認為將來是什麼樣子的。預言將來當然是非常困難的。我曾經起過一個念頭，要寫一本題為《昨天之明天：未來歷史》的書。它會是一部對未來預言的歷史，幾乎所有這些預言都是大錯特錯的。但是儘管有這些失敗，科學家仍然認為他們能預言未來。(儘管預言宇宙的未來有困難，但科學家仍未失去信心。)
在非常早的時代，預言未來是先知或者女巫的職責。這些通常是被毒藥或火山隙溢出的氣體弄得精神恍惚的女人。周圍的牧師把她們的咒語翻譯出來，而真正的技巧在於解釋。古希臘的德勒菲的著名巫師以模稜兩可而臭名昭著。當這些斯巴達人問道，在波斯人攻擊希臘時會發生什麼時，這巫師回答道：要么斯巴達會被消滅，(古代巫師的預言，訣竅在於可以隨意作出解釋。)要么其國王會被殺害。我想這些牧師盤算，如果這些最終都沒有發生，則斯巴達就會對阿波羅太陽神如此之感恩戴德，以致忽視其巫師作錯預言的這個事實。事實上，國王在捍衛特莫皮拉隘道〔特莫皮拉隘道〕一般譯作“溫泉關”的一次拯救斯巴達並最終擊敗波斯人的行動中喪生了。。公元前480年，波斯國王薛西斯一世率領大軍五十多萬、戰艦千艘，越過達達尼爾海峽，水陸兩路進犯希臘。斯巴達國王列奧尼達斯率領300名斯巴達士兵在溫泉關頑強抵抗波斯軍，全部戰死。波斯軍隊占領雅典，大肆焚掠。希波戰爭是希臘諸城邦反抗波斯侵略和壓迫的戰爭，最後以希臘的勝利而結束。
另一次事件，利迪亞〔利迪亞〕一般譯作“呂底亞”，小亞細亞西部的奴隸制國家，在現在的土耳其境內。的國王克羅修斯〔克羅修斯〕一般譯作“克羅伊斯”，呂底亞的末代國王(約前560—前546年在位)。公元前546年，波斯國王居魯士攻破其首都薩狄斯，被俘。據說他是古代的巨富之一，他的名字已成為“富豪”的同義語。，這位世界上最富裕的人有一次問道：如果他侵略波斯的話會發生什麼。其回答是：一個偉大的王國將會崩潰。克羅修斯以為這是指波斯帝國，殊不知正是他自己的王國要陷落，而他自己的下場是活活地在柴堆上受火刑。
近代的末日預言者為了避免尷尬，不為世界的末日設定日期。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願意用股票來換錢，假定你在世界末日什麼也帶不走的話。
迄今為止，所有為世界末日設定的日期都無聲無息地過去了。但是這些預言家經常為他們顯然的失敗找藉口解釋。例如，第七日回歸的創建者威廉·米勒〔威廉·米勒〕(1782—1849)美國紐約州農民，近代基督復臨運動的創始人。從1831年起開始傳道，根據《但以理書》的某些章節推算出基督將於1843年或1844年3月21日第二次降臨，贏得了成千上萬的追隨者。預言雖然失敗，但該派仍堅持教義，並於1863年成立了基督復臨安息日會。預言，耶穌的第二次到來會在1843年3月21日至1844年3月21日間發生。在沒有發生這件事後，這個日期就修正為1844年10月22日。當這個日期通過又沒有發生什麼事後，又提出了一種新的解釋。據說，1844年是第二次回歸的開始，但是首先要數出獲救者名單。只有數完了名單，審判日才降臨到那些不列在名單上的人。幸運的是，數人名看來要花很長的時間。
當然，科學預言也許並不比那些巫師或預言家的更可靠些。人們只要想到天氣預報就可以了。但是在某些情形下，我們認為可以做可靠的預言。宇宙在非常大的尺度下的未來，便是其中一個例子。
我們在過去的三百年間發現了制約在所有正常情形下物體的科學定律。我們仍然不知道制約在極端條件下物體的精確的定律。那些定律在理解宇宙如何起始方面很重要，但是它不影響宇宙的未來演化，除非直到宇宙坍縮成一種高密度的狀態。事實上，我們必須花費大量金錢建造巨大粒子加速器去檢驗這些高能定律，便是這些定律對現在宇宙的影響是多么微不足道的一個標誌。
即便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。這是因為物理方程的解會呈現出一種稱作混沌的性質。這表明方程可能是不穩定的：在某一時刻對系統作非常微小的改變，系統的未來行為很快會變得完全不同。例如，如果你稍微改變一下你旋轉輪賭盤的方式，就會改變出來的數字。你在實際上不可能預言出來的數字，否則的話，物理學家就會在du6*場發財。
在不穩定或混沌的系統中，一般地存在一個時間尺度，初始狀態下的小改變在這個時間尺度將增長到兩倍。在地球大氣的情形下，這個時間尺度是五天的數量級，大約為空氣繞地球吹一圈的時間。人們可以在五天之內作相當準確的天氣預報，但是要做更長遠得多的天氣預報，就既需要大氣現狀的準確知識，又需要一種不可逾越的複雜計算。我們除了給出季度平均值以外，沒有辦法對六個月以後作具體的天氣預報。
我們還知道制約化學和生物的基本定律，這樣在原則上，我們應能確定大腦如何工作。但是制約大腦的方程幾乎肯定具有混沌行為，初始態的非常小的改變會導致非常不同的結果。這樣，儘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。科學不能預言人類社會的未來或者甚至它有沒有未來。其危險在於，我們毀壞或消滅環境的能力的增長比利用這種能力的智慧的增長快得太多了。
宇宙的其他地方對於地球上發生的任何事物根本不在乎。繞著太陽公轉的行星的運動似乎最終會變成混沌，儘管其時間尺度很長。這表明隨著時間流逝，任何預言的誤差將越來越大。在一段時間之後，就不可能預言運動的細節。我們能相當地肯定，地球在相當長的時間內不會和金星相撞。但是我們不能肯定，在軌道上的微小擾動會不會積累起來，引起在十幾億年後發生這種碰撞。太陽和其他恆星繞著銀河系的運動，以及銀河系繞著其局部星系團的運動也是混沌的。我們觀測到，其他星系正離開我們運動而去，而且它們離開我們越遠，就離開得越快。這意味著我們周圍的宇宙正在膨脹：不同星系間的距離隨時間而增加。
我們觀察到的從外空間來的微波輻射〔微波輻射〕指宇宙微波背景輻射，即來自宇宙空間背景上的各個方向同性的微波輻射，是宇宙之初“大bao6*炸”的餘熱，溫度比開氏絕對零度高2.7度，習慣上稱為3K輻射。1965年美國科學家彭齊亞斯和威爾遜因共同發現宇宙微波背景輻射而獲1978年諾貝爾物理學獎。背景給出這種膨脹是平滑而非混沌的證據。你只要把你的電視調到一個空的頻道就能實際觀測到這個輻射。你在螢幕上看到的斑點的小部分是由太陽系外的微波引起的。這就是從微波爐得到的同類的輻射，但是要更微弱得多。它只能把食物加熱到絕對溫度〔絕對溫度〕即開氏溫度，1848年由英國物理學家開爾文(1824—1907)提出，1960年第十一屆國際計量大會規定熱力學溫度以開爾文為單位。開氏的零度稱為“絕對零度”，等於零下攝氏273.15度。③〔哥白尼(1473—1543)〕波蘭天文學家，太陽中心說的創立者，近代天文學的奠基人。的2.7度，所以不能用來溫熱你的外賣皮薩〔皮薩〕一種義大利式的餡餅。。人們認為這種輻射是熱的早期宇宙的殘餘。但是它最使人印象深刻的是，從任何方向來的輻射量幾乎完全相同。宇宙背景探索者衛星已經非常精確地測量了這種輻射。從這些觀測繪出的天空圖可以顯示輻射的不同溫度。在不同方向上這些溫度不同，但是差別非常微小，只有十萬分之一。因為宇宙不是完全光滑的，存在諸如恆星、星系和星系團的局部無規性，所以從不同方向來的微波必須有些不同。但是，要和我們觀測到的局部無規性相協調，微波背景的變化不可能再小了。微波背景在所有方向上能夠相等到100 000分之99 999。
上古時代，人們以為地球是宇宙的中心。在任何方向上背景都一樣的事實，對於他們而言毫不足怪。然而，從哥白尼③時代開始，我們就被降級為繞著一顆非常平凡的恆星公轉的一顆行星，而該恆星又是繞著我們看得見的不過是一千億個星系中的一個典型星系的外邊緣公轉。我們現在是如此之謙和，我們不能聲稱任何在宇宙中的特殊地位。所以我們必須假定，在圍繞任何其他星系的任何方向的背景也是相同的。這隻有在如果宇宙的平均密度以及膨脹率處處相同時才有可能。平均密度或膨脹率的大區域的任何變化都會使微波背景在不同方向上不同。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。因此我們可以預言宇宙遙遠的未來。
因為宇宙的膨脹是如此之均勻，所以人們可按照一個單獨的數，即兩個星系間的距離來描述它。現在這個距離在增大，但是人們預料不同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。這和起始宇宙的大bao6*炸相當相似。大擠壓是被稱作奇性的一個東西，是具有無限密度的狀態，物理定律在這種狀態下失效。這就表明即便在大擠壓之後存在事件，它們要發生什麼也是不能預言的。但是若在事件之間不存在因果的連線，就沒有合理的方法說一個事件發生於另一個事件之後。也許人們可以說，我們的宇宙在大擠壓處終結，而任何發生在“之後”的事件都是另一個相分離的宇宙的部分。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徵或記憶，這種聲稱有什麼意義呢?人們可以同樣地講，它是完全不同的個體。
如果宇宙的密度小於該臨界值，它將不會坍縮，而會繼續永遠膨脹下去。其密度在一段時間後會變得如此之低，引力吸引對於減緩膨脹沒有任何顯著的效應。星系們會繼續以恆常速度相互離開。
這樣，對於宇宙的未來其關鍵問題在於：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。然而，我比其他的末日預言者更占便宜。即便宇宙將要坍縮，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。
我們可以從觀測來估計宇宙的平均密度。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。即使我們加上在宇宙中觀測到的氣體雲的質量，它仍然只把總數加到臨界值的百分之一。然而，我們知道，宇宙還應該包含所謂的暗物質，即是我們不能直接觀測到的東西。暗物質的一個證據來自於螺旋星系。存在恆星和氣體的巨大的餅狀聚合體。我們觀測到它們圍繞著自己的中心旋轉。但是如果它們只包含我們觀測到的恆星和氣體，則旋轉速率就高到足以把它們甩開。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。
暗物質的另一個證據來自於星系團。我們觀測到星系在整個空間中分布得不均勻，它們成團地集中在一起，其範圍從幾個星系直至幾百個星系。假定這些星系互相吸引成一組從而形成這些星系團。然而，我們可以測量這些星系團中的個別星系的運動速度。我們發現其速度是如此之高，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。所需要的質量比所有星系總質量都要大很多。這是在這種情形下估算的，即我們認為星系已具有在它們旋轉時把自己抓在一起的所需的質量。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。
人們可以對我們具有確定證據的那些星系和星系團中的暗物質的量作一個相當可靠的估算。但是這個估算值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。再過五十億年左右，太陽將耗盡它的核燃料。它會腫脹成一顆所謂的紅巨星〔紅巨星〕光譜呈橙色、紅色的巨星稱為紅巨星。其形成是因為在恆星演化過程中，由於內部核燃料的耗盡，熱核反應的速率減弱，打破了引力與輻射壓之間的平衡，恆星的外殼開始燃燒膨脹。，直到它把地球和其他更鄰近的行星都吞沒。它最後會穩定成一顆只有幾千英里尺度的白矮星白矮星〕一類低光度、高溫度、高密度的簡併態恆星，是恆星演化的一種歸宿。當恆星經過紅巨星階段損失大量質量後，剩下的質量若小於1.44個太陽質量，這顆恆星就演化成白矮星。。我正在預言世界的結局，但這還不是。這個預言還不至於使股票市場過於沮喪。前面還有一兩個更緊迫的問題。無論如何，假定在太陽bao6*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。
在大約一百億年以後，宇宙中大多數恆星都已把燃料耗盡。大約具有太陽質量的恆星不是變成白矮星就是變成中子星〔中子星〕恆星在核能耗盡後，經過引力坍縮，依靠簡併中子的壓力與引力平衡形成的星體。，中子星比白矮星更小更緊緻。具有更大質量的恆星會變成黑洞〔黑洞〕一種特殊的天體，是時間—空間的一個區域。它的基本特徵是有一個封閉的視界。由於引力強大，就連光也不能從中逃逸出來，所以黑洞是看不見的。。黑洞還更小，並且具有強到使光線都不能逃逸的引力場。然而，這些殘留物仍然繼續繞著銀河系中心每一億年轉一圈。這些殘餘物的相撞會使一些被拋到星系外面去。餘下的會漸漸地在中心附近更近的軌道上穩定下來，並且最終會集中在一起，在星系的中心形成一顆巨大的黑洞。不管星系或星系團中的暗物質是什麼，可以預料它們也會落進這些非常巨大的黑洞中去。
因此可以假定，星系或星系團中的大部分物體最後在黑洞裡終結。然而，我在若干年以前發現，黑洞並不像被描繪的那樣黑。量子力學的不確定性原理〔量子力學的不確定性原理〕即德國物理學家海森伯(1901—1976)提出的測不準原理。它的量子力學意義是不能在同一個態中同時準確測量出粒子的位置和速度。講，粒子不可能同時具有定義很好的位置和定義很好的速度。粒子位置定義得越精確，則其速度就只能定義得越不精確，反之亦然。如果在一顆黑洞中有一顆粒子，它的位置在黑洞中被很好地定義，這意味著它的速度不能被精確地定義。所以粒子的速度就有可能超過光速，這就使得它能從黑洞逃逸出來，粒子和輻射就這么緩慢地從黑洞中泄漏出來。在一顆星系中心的巨大黑洞可有幾百萬英里的尺度。這樣，在它之內的粒子的位置就具有很大的不確定性。因此，粒子速度的不確定性就很小，這表明一顆粒子要花非常長的時間才能逃離黑洞。但是它最終是要逃離的。在一個星系中心的巨大黑洞可能花10(九十次方)年的時間蒸發掉並完全消失，也就是“1”後面跟90個“0”。這比宇宙現在的年齡要長得多，它是1010年，也就是“1”後面跟10個“0”。如果宇宙要永遠膨脹下去的話，仍然有大量的時間可供黑洞蒸發。
永遠膨脹下去的宇宙的未來相當乏味。但是一點也不能肯定宇宙是否會永遠膨脹。我們只有大約為使宇宙坍縮的需要密度十分之一的確定證據。然而，可能還有其他種類的暗物質，還未被我們探測到，它會使宇宙的平均密度達到或超過臨界值。這種附加的暗物質必須位於星系或星系團之外。否則的話，我們就應覺察到了它對星系旋轉或星系團中星系運動的效應。
為什麼我們應該認為，也許存在足夠的暗物質，使宇宙最終坍縮呢?為什麼我們不能只相信我們已有確定證據的物質呢?其理由在於，哪怕宇宙現在只具有十分之一的臨界密度，都需要不可思議地仔細選取初始的密度和膨脹率。如果在大bao6*炸後一秒鐘宇宙的密度大了一萬億分之一，宇宙就會在十年後坍縮。另一方面，如果那時宇宙的密度小了同一個量，宇宙在大約十年後就變成基本上空無一物。
宇宙的初始密度為什麼被這么仔細地選取呢?也許存在某種原因，使得宇宙必須剛好具有臨界密度。看來可能存在兩種解釋。一種是所謂的人擇原理，它可被重述如下：宇宙之所以是這種樣子，是因為否則的話，我們就不會在這裡觀測它。其思想是，可能存在許多具有不同密度的不同宇宙。只有那些非常接近臨界密度的能存活得足夠久並包含足夠形成恆星和行星的物質。只有在那些宇宙中才有智慧生物去詰問這樣的問題：密度為什麼這么接近於臨界密度?如果這就是宇宙現在密度的解釋，則沒有理由去相信宇宙包含有比我們已探測到的更多物質。十分之一的臨界密度對於星系和恆星的形成已經足夠。
然而，許多人不喜歡人擇原理，因為它似乎太倚重於我們自身的存在。這樣就有人對為何密度應這么接近於臨界值尋求另外可能的解釋。這種探索導致極早期宇宙的暴漲理論。其思想是宇宙的尺度曾經不斷地加倍過，正如在遭受極端通貨膨脹的國家每隔幾個月價格就加倍一樣。然而，宇宙的暴漲更迅猛更極端得多：在一個微小的暴漲中尺度的至少一千億億億倍的增加，會使宇宙這么接近於準確的臨界密度，以至於現在仍然非常接近於臨界密度。這樣，如果暴漲理論是正確的，宇宙就應包含足夠的暗物質，使得密度達到臨界值。這意味著，宇宙最終可能會坍縮，但是這個時間不會比迄今已經膨脹過的一百五十億年左右長太多。
現在小結如下：科學家相信宇宙受定義很好的定律制約，這些定律在原則上允許人們去預言將來。但是定律給出的運動通常是混沌的。這意味著初始狀態的微小變化會導致後續行為的快速增大的改變。這樣，人們在實際上經常只能對未來相當短的時間作準確的預言。然而，宇宙大尺度的行為似乎是簡單的，而不是混沌的。所以，人們可以預言，宇宙將永遠膨脹下去呢，還是最終將會坍縮。這要按照宇宙的現有密度而定。事實上，現在密度似乎非常接近於把坍縮和無限膨脹區分開來的臨界密度。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，兩方下賭注，以保萬無一失。〖〗宇宙局部運動的混沌狀態，不妨礙對它的巨觀預測。但宇宙的未來是膨脹還是坍縮，尚難定論。
【前言】
《宇宙的未來》是霍金1991年1月在劍橋大學的一次講演錄。這篇講演，從古代巫師的預言，談到近代宗教預言，再過渡到對宇宙未來的討論，主要探討了宇宙未來的兩種命運：一是繼續膨脹下去，一是收縮以至於坍縮成一個點。膨脹還是收縮，取決於宇宙的平均密度。運用天體物理學理論，對宇宙的未來作出科學的論斷，這是科學家與巫師不同之處。
【課文賞析】
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秘色彩，“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”；反過來說，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bao6*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，那么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。”