人教版新课标高中语文必修5课本《宇宙的未来》课文解读(4)
(20)在大约100亿年以后，宇宙中大多数恒星都已把燃料耗尽。大约具有太阳质量的恒星不是变成白矮星就是变成中子星①，中子星比白矮星更小更紧致。(①中子星：恒星在核能耗尽后，经过引力坍缩，依靠简并中子的压力与引力平衡形成的星体。)具有更大质量的恒星会变成黑洞①。(①黑洞：一种特殊的天体，是时间—空间的一个区域。它的基本特征是有一个封闭的视界。由于引力过于强大，就连光也不能从中逃逸出来，所以黑洞是看不见的。)黑洞还更小，并且具有强到使光线都不能逃逸的引力场。然而，这些残留物仍然继续绕着银河系中心每一亿年转一圈。这些残余物的相撞会使一些被抛到星系外面去。余下的会渐渐地在中心附近更近的轨道上稳定下来，并且最终会集中一起，在星系的中心形成一颗巨大的黑洞。不管星系或星系团中的暗物质是什么，可以预料它们也会落进这些非常巨大的黑洞中去。[作者根据恒星演化的原理，继续预言其他恒星的命运。在大约100亿年以后，宇宙中大多数恒星都会毁灭，变成中子星、白矮星或者黑洞。这些恒星的残余物，有的在互相碰撞中被抛到星系外面去，有的最终聚集在星系中心形成一颗巨大的黑洞, 星系或星系团中的暗物质也都将落进这个黑洞。]
(21)因此可以假定，星系或星系团中的大部分物体最后在黑洞里终结。[作者说可以假定，星系演变到黑洞就是最后的终结。但是假如宇宙中所有的星系都真的因此而走到了尽头，宇宙还需要继续膨胀吗?黑洞真的再也没有变化了吗?于是作者在下文叙述自己最新的发现。]然而，我在若干年以前发现，黑洞并不像被描绘的那样黑。量子力学的不确定性原理①讲，粒子不可能同时具有定义很好的位置和定义很好的速度。(①量子力学的不确定性原理：即海森伯提出的测不准原理。它的量子力学意义是不能在同一个态中同时准确测量出粒子的位置和速度。海森伯，1901—1976年，德国物理学家。)粒子位置定义得越精确，则其速度就只能定义得越不精确，反之亦然。如果在一颗黑洞中有一颗粒子，它的位置在黑洞中被很好地定义，这意味着它的速度不能被精确地定义。所以粒子的速度就有可能超过光速，这就使得它能从黑洞逃逸出来，粒子和辐射就这么缓慢地从黑洞中泄漏出来。在一颗星系中心的巨大黑洞可有几百万英里的尺度。这样，在它之内的粒子的位置就具有很大的不确定性。因此，粒子速度的不确定性就很小，这表明一颗粒子要花非常长的时间才能逃离黑洞。但是它最终是要逃离的。[霍金曾经根据引力学原理解释说，黑洞是“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。”(《时间简史》一书所附《小辞典》)很明显，现在，霍金发展了这个观点。霍金根据量子力学的不确定性原理发现，黑洞中的粒子有可能超过光速，从黑洞中逃逸出来。这一发现对于宇宙来说有什么意义呢?请看作者的说明。]在一个星系中心的巨大黑洞可能花1090年的时间蒸发掉并完全消失，也就是“1”后面跟90个0。这比宇宙现在的年龄要长得多，它是1010年，也就是“1”后面跟10个0。如果宇宙要永远膨胀下去的话，仍然有大量的时间可供黑洞蒸发。[既然粒子可以从黑洞中逃逸出来，那就意味着黑洞“不黑”，黑洞的物质在不断地缓慢减少，最终会被“蒸发”。作者计算出星系中心的巨大黑洞要花1090年的时间才能完全蒸发，因此宇宙必须永远膨胀下去，才能“有大量的时间可供黑洞蒸发”。这样，作者就又从星系演化的角度证明了宇宙将会永远膨胀。]
学习啦在线学习网 (22)永远膨胀下去的宇宙的未来相当乏味。但是一点也不能肯定宇宙是否会永远膨胀。我们只有大约为使宇宙坍缩的需要密度十分之一的确定证据。然而，可能还有其他种类的暗物质，还未被我们探测到，它会使宇宙的平均密度达到或超过临界值，这种附加的暗物质必须位于星系或星系团之外。否则的话，我们就应觉察到了它对星系旋转或星系团中星系运动的效应。[宇宙真的会永远地膨胀下去吗?于是，作者又回到宇宙平均密度的问题上来，指出“一点也不能肯定宇宙是否会永远膨胀”。因为预言宇宙会无限地膨胀下去，是依据观察证据，宇宙中的明物质以及星系和星系团中暗物质只占临界密度的十分之一，但是星系和星系团之外有没有暗物质呢?这种附加的暗物质有没有使宇宙的平均密度达到或超过临界值呢?作者把他的研究又向前推进一步。]
(23)为什么我们应该认为，也许存在足够的暗物质，使宇宙最终坍缩呢?为什么我们不能只相信我们已有确定证据的物质呢?[作者说宇宙中不只是“已有确定证据的物质”，也许还存在足够的使宇宙最终坍缩的暗物质。为什么要这样认定呢?下面陈述理由。]其理由在于，哪怕宇宙现在只具有十分之一的临界密度，都需要不可思议地仔细选取初始的密度和膨胀率。如果在大爆炸后一秒钟宇宙的密度大了一万亿分之一，宇宙就会在十年后坍缩。另一方面，如果那时宇宙的密度小于同一个量，宇宙在大约十年后就变成基本上空无一物。[这是霍金宇宙学说的核心观点，即宇宙的命运取决于宇宙诞生时的初始条件，最初万万万亿分之一秒时间里发生的一切决定了宇宙的未来。如果这个初始密度偏大，宇宙很快就会坍缩，如果这个初始密度偏小，宇宙很快就会变得空无一物，既无星系与星系团，也无所谓的暗物质。总之，如果宇宙没有选择一个恰当的初始密度，就不会有我们现在的这个宇宙。这个观点很重要，它说明宇宙的平均密度是一个恒量，从宇宙的初始直至现在都没有变化。既然宇宙的平均密度不是一个变量，因此可以根据它预言宇宙的未来。那么，我们现在的宇宙选取的初始密度是多少，宇宙为什会选取这样的初始密度呢?]
学习啦在线学习网 (24)宇宙的初始密度为什么被这么仔细地选取呢?也许存在某种原因，使得宇宙必须刚好具有临界密度。看来可能存在两种解释。[作者认为宇宙仔细地选取的初始密度“刚好具有临界密度”。为什么会是这个样子呢?作者说，有两种不同的解释。]一种是所谓的人择原理，它可被重述如下：宇宙之所以是这种样子，是因为否则的话，我们就不会在这里观测它。其思想是，可能存在许多具有不同密度的不同宇宙。只有那些非常接近临界密度的能存活得足够久并包含足够形成恒星和行星的物质。只有在那些宇宙中才有智慧生物去诘问这样的问题：密度为什么这么接近于临界密度?[这里概述了人择原理的基本观点。人择原理是根据因果关系推断，只有那些非常接近临界密度的宇宙才能存活足够久并包含足够形成恒星和行星的物质，才能出现有智慧的生命，反之，就不可能出现生命和人类。因此，我们现在生存的宇宙必定非常接近临界密度。]如果这就是宇宙现在密度的解释，则没有理由去相信宇宙包含有比我们已探测到的更多物质。十分之一的临界密度对于星系和恒星的形成已经足够。[但是，根据观察的证据，我们现在的宇宙中只有十分之一的临界密度。这个密度也足可以形成星系和恒星，足可以产生有智慧的生命，因此，作者说，根据人择原理可以认定，在我们的宇宙中，星系和星系团之外没有附加的暗物质。]
学习啦在线学习网 (25)然而，许多人不喜欢人择原理，因为它似乎太倚重于我们自身的存在。这样就有人对为何密度应这么接近于临界值寻求另外可能的解释。[这里指出人择原理的缺陷。人择原理虽然很吸引人，但是由于它是源于因果推理，是由果推因，从这个意义来说，人择原理与其说是科学原理，还不如说只是一种思辨而已。因此，有人寻求另外的解释。]这种探索导致极早期宇宙的暴涨理论。其思想是宇宙的尺度曾经不断地加倍过，正如在遭受极端通货膨胀的国家每隔几个月价格就加倍一样。然而，宇宙的暴涨更迅猛更极端得多：在一个微小的暴涨中尺度的至少一千亿亿亿倍的增加，会使宇宙这么接近于准确的临界密度，以至于现在仍然非常接近于临界密度。[这里概述了暴涨理论的基本观点。暴涨宇宙论认为，初始宇宙曾经发生过膨胀速度高到无法想象的超急剧膨胀，使宇宙“接近于准确的临界密度，以至于现在仍然非常接近于临界密度”。]这样，如果暴涨理论是正确的，宇宙就应包含足够的暗物质，使得密度达到临界值。这意味着，宇宙最终可能会坍缩，但是这个时间不会比迄今已经膨胀过的一百五十亿年左右长太多。[这是作者从暴涨理论推出的结论。根据暴涨理论，在星系和星系团之外就应该有足够的附加的暗物质，才使得密度达到临界值，于是宇宙最终可能会坍缩。在前面作者说：“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”，在这里又说：坍缩的时间可能在150亿年之后，文章前后呼应。]
(26)现在小结如下：科学家相信宇宙受定义很好的定律制约，这些定律在原则上允许人们去预言将来。但是定律给出的运动通常是混沌的。这意味着初始状态的微小变化会导致后续行为的快速增大的改变。这样，人们在实际上经常只能对未来相当短的时间作准确的预言。[以上是对课文的第一部分，即第1—11自然段的小结。在这一部分里，作者说明对宇宙的未来是可以预言的，但又是很困难的，主要是因为对一个混沌的系统，只能对未来相当短的时间作准确的预报，不可能对其遥远的未来作准确的预报。而宇宙中星系、星系团的运动是混沌的，因此要预报宇宙的未来就非常困难。]然而，宇宙大尺度的行为似乎是简单的，而不是混沌的。所以，人们可以预言，宇宙将永远膨胀下去呢，还是最终将会坍缩。这要按照宇宙的现有密度而定。[这是对课文的第二部分，即第12—16自然段的小结。在这一部分里，作者通过对光谱红移现象，特别是宇宙微波背景辐射各向同性特征的分析，得出宇宙的平均密度以及膨胀率处处相同，因此断定宇宙虽然“星系、星系团的运动是混沌的”，但“大尺度的行为似乎是简单的，而不是混沌的”，因此，我们可以预言宇宙遥远的未来。而宇宙是继续膨胀还是可能收缩，这取决于宇宙现有的平均密度。]事实上，现在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。如果暴涨理论是正确的，则宇宙实际上是处在刀锋上。[这是对课文第三部分，即第17—25自然段的小结。作者在这一部分里详尽地分析和讨论了宇宙现有的平均密度，根据观察证据计算，宇宙中星系、星系团以及其中的暗物质的量，只达到使宇宙重新坍缩的临界质量的百分之十左右，而这个密度恰好符合人择原理的要求，据此宇宙会继续无限地膨胀下去。但是根据暴涨宇宙理论分析，宇宙在星系和星系团之外的广大空间中还应该包含有足够的附加暗物质，使得宇宙的平均密度“似乎非常接近于把坍缩和无限膨胀区分开来的临界密度”，这样宇宙最终可能坍缩，宇宙现在正处在是继续膨胀还是开始坍缩这样一个危险的锋口上。]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。[这是作者的最后结论。宇宙是继续膨胀还是可能收缩，因为对宇宙中星系和星系团之外的暗物质没有办法计算，所以无法确定宇宙现有的平均密度。在这个问题没有研究清楚之前，科学家也不得不像巫师或近代世界末日预言家一样“两方下赌注，以保万无一失”。作者用这种幽默的语言自我解嘲，以示科学的无奈。]
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