《宇宙的未来》教案

［导学新概念］
宇宙是怎样诞生的?它从何而来?又向哪里去?斯蒂芬·霍金教授写的《时间简史》给了我们这样的回答：
    我们现在生活的宇宙有自己的历史起点，它大约诞生于150亿年前，那时，宇宙只是一个点，不占有空间，也没有时间的概念。在这一点发生了大爆炸，时间和空间从此开始，物质开始形成。 最初，宇宙的温度极高，随着时间的推移，空间越来越大，温度越来越低，宇宙中的能量与物质不断发生复杂的反应，逐渐形成星系。 空间继续扩大、膨胀，直到今天，宇宙仍然在膨胀之中。 大约在距今50亿年前，太阳形成。 大约在距今46亿年前，地球形成。 宇宙继续膨胀，将来也会膨胀，也许在膨胀到一定程度后，宇宙开始收缩，可能会收缩成一个点，一个不占有空间的点。到那时，时间结束。到底会不会这样，现在还说不定。 大爆炸之前是怎么回事，不知道。永远也无法知道。这就是大爆炸宇宙的基本理论。
   《时间简史》出版于1988年，《宇宙的未来》是斯蒂芬·霍金1991年在剑桥大学的一次讲演录。本文重点是谈作者对宇宙的未来作出的科学预言，阅读时要准确地筛选出这些预言的观点和支撑这些观点的材料。同时，还应该体会这篇讲演在语言上的幽默特点。
    在中文里，“宇”是“上下四方”的意思，表示空间；“宙”是“古往今来”的意思，表示时间。宇宙的历史，就是空间在时间上发展的过程，斯蒂芬·霍金以时间为序，研究我们所处的这个宇宙诞生、发展，以及它将来可能的状况，因此，他把自己的书称作《时间简史》，实际上就是《宇宙简史》。
                                 ——《少年版世界名人传记·霍金传》
    斯蒂芬·霍金的工作是令人惊叹的，可是有着如此伟大发现的人，却是一个身患肌萎缩症的病人，除了思想，他几乎全身不能动弹，不能说话，头向前垂落。正因为这点，他更加引起全世界人们的关注和尊敬。在他开始患病时，他意识到自己的生命行将结束，于是抓紧时间，全心投入，谁也没想到他不仅活了下来，而且成果累累。他的成功，当然离不开他的天才，但那种不向厄运低头的精神，是没有人不敬佩的。由此可见，人的精神力量是难以想象的，一个人要有精神，一个民族也要依靠精神，精神的力量往往可以超越世上难以逾越的障碍。
                                                          ——洪伟
教学设计A
一、导语设计
    1．可以从普通人对我们赖以生存的地球的关注导入，引出科学家对无限广阔的宇宙的关注，从而引出霍金的《宇宙的未来》。（这样导入意在强调科学家的责任感）
    2可以从阅读科技论文和科技说明文的目的（了解观点，获取知识）导入，直截了当地切入本文的基本观点。（这样导入意在突出科技论文的阅读方法）
   以上两种导入都要直接切入文章的主体部分，不必分析全文结构。
二、过程设计
    1过程：学生阅读、讨论、交流，教师指导、点拨、归纳。
    2方法：学生——自由讨论式，教师——点拨引导式。
    3归纳：霍金对宇宙未来的预言主要有以下一些观点：
   （1）宇宙的膨胀和坍缩与宇宙的平均密度有关，如果平均密度小于某个临界值，它就会永远膨胀。如果平均密度大于临界值，宇宙就会坍缩，时间本身就会终结。
   （2）在螺旋星系和星系团中应该存在有某种看不见的暗物质，它的引力吸引足以把高速旋转的星系牢牢抓住，不至于使这些星系或星系团飞散开去。
   （3）如果宇宙继续膨胀下去，五十亿年后，太阳将耗尽它的核燃料，变成一颗白矮星。在大约一百亿年后，具有太阳质量的恒星将变成白矮星或中子星，具有更大质量的恒星会变成黑洞。
   （4）黑洞中粒子的速度有可能超过光速逃出黑洞，只要有足够长的时间，巨大的黑洞也可以“蒸发”掉。
   （5）在星系或星系团之外，应该存在有足够的暗物质，这些暗物质能使密度达到临界值，从而可能会使宇宙最终坍缩。但这个时间肯定在一百五十亿年之后。
    4体会这篇演讲词幽默风趣的语言特点。
    作为一篇关于宇宙未来的演讲词，本文的大量篇幅是较为严肃的科学话题，运用了好多专业术语，容易使人感到沉闷。但是霍金的聪明之处在于他运用了许多幽默风趣的语言，使得这样一篇旨在说明科学道理的学术演讲，让人能够在一种轻松愉快的气氛中认真听下去。这样的语言是很多的，例如：“幸运的是，数人名看来要花很长的时间。”“你在实际上不可能预测出来数字，否则的话，物理学家就会在赌场发财。”“即便宇宙将要坍缩，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。”“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。”
    5抓住生动的比喻，理解作者的观点。
    在阐明科学道理的时候，作者用了一些人们熟知的事例，有助于我们理解文章的观点。如：“例如，如果你稍微改变一下你旋转赌盘的方式，就会改变出来的数字。你在实际上不可能预言出来的数字，否则的话，物理学家就会在赌场发财。”    

宇宙的未来 说课稿

●课文说明

一、背景知识

中国是最早进行天文观测的国家之一，在殷商甲骨文里，就有许多天文观测记录。汉语“宇宙”一词出现较早。战国时期的尸佼在他的著作《尸子》中就说：“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”东汉的高诱在《淮南子·原道训》注中也说：“四方上下曰宇，古往今来曰宙。”

中国古代的宇宙学说，有浑天说、盖天说、宣夜说等。浑天说认为，“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于天内，天大而地小。天表里有水，天之包地，犹壳之裹黄。天地各乘气而立，载水而浮。”（《张衡浑仪注》）盖天说认为，“天似盖笠，地法覆盘”（《晋书·天文志》），天地都是穹形的，如同一个同心的球穹，相距八万里。宣夜说认为，“天了无质，仰而瞻之，高远无极，眼瞀精绝，故苍苍然也。”（《晋书·天文志》）就是说“天”不是一个固体的“天穹”，不过充满了无边无际的气体，日月星辰都在这气体中浮动。

在西方，古希腊人也有多种宇宙学说。公元前600年左右，住在米利都的古希腊哲学家泰利斯认为地球是一个圆盘，漂浮在一片汪洋中。他的弟子阿那克西曼德认为天空是包围地球的一个球层，恒星在内层，太阳和月亮在外层。毕达哥拉斯认为，地球、月亮、太阳、行星和恒星都在一个同心球上围绕中央火旋转。托勒密总结了古希腊的天文学成就，著《天文学大成》，认为地为球形，静止不动，处于宇宙的中心，其他天体围绕地球运行，创立了“地心说”，统治西方天文学界一千四百多年，直到波兰天文学家哥白尼在16世纪发表《天体运行论》，创立日心说。17世纪，意大利物理学家和天文学家伽利略亲手制造天文望远镜，开拓了人们的天文视野。德国天文学家开普勒提出了行星运动的三大定律，英国物理学家牛顿用力学的引力原理解释开普勒的行星运动定律，创立了天体力学。

现代宇宙学最有影响的学说是大爆炸宇宙学。大爆炸宇宙学认为，宇宙早期温度极高（在100亿度以上），物质密度极大。在那里，物质被压缩成一个奇点，时间和空间都毫无意义。大约200亿年前，发生“爆炸”，温度逐渐冷却，形成各种各样的恒星体系，也就是我们今天所能观测到的宇宙。

宇宙大爆炸学说是逐渐形成的。20世纪初，爱因斯坦的相对论改变了科学家研究宇宙的方法。1927年，比利时天文学家勒梅特第一个提出了动态宇宙模型，认为宇宙是从一种“原始原子”不断分裂、膨胀形成的。他推测：如果宇宙中物质的质量小于某个临界值，宇宙就会继续膨胀下去，成为“开放的宇宙”；反之，就会坍缩，成为“闭合的宇宙”。1948年，出生在俄国的美籍物理学家伽莫夫发展了这一理论，提出了“大爆炸”学说。

大爆炸学说得到了以下天文观测的支持。（1）河外星系有系统地谱线红移（课文中涉及到）。1917年，美国天文学家斯里弗发现河外星系谱线有系统地向红端移动，表明这些遥远的天体正在离我们远去。1929年，美国天文学家哈勃发现，几乎所有的星系都有红移现象。星系距离越远，红移越大。这种红移与距离之间的线性关系，称为哈勃定律。（2）在各种不同的天体上，氦的丰度相近，大都是30%。根据大爆炸理论，早期宇宙温度很高，所以产生氦的效率也很高。（3）测定各种天体的年龄，均小于200亿年。（4）宇宙微波背景辐射的发现（课文中涉及到）。

二、内容理解

在讲演的开头，作者就指出，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。

提到预言，人们会不由自主地想到古代的巫术。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”。近代宗教预言也是这样，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。

当然，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，因为这些定律的物理方程是不稳定的，不会有确切的解──就像我们用手旋转赌盘，你感觉不到用力的微小变化，但指针却停留在不同的地方。同样道理，对五天以外的天气情况作预报是相当困难的，因为复杂得难以计算；即使我们知道了制约大脑的所有方程，也不能对人类的行为作出预测，因为小小的改变会导致截然不同的结果。

宇宙中的局部运动也许会出现混沌状态，但宇宙在大尺度上是可以预测的。宇宙正在膨胀，其他星系正在离我们远去。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。”

现在，宇宙中星系之间的距离在增大，“但是人们预料星系之间的引力吸引正在降低这个膨胀率。如果宇宙的密度大于某个临界值，引力吸引将最终使膨胀停止并使宇宙开始重新收缩。宇宙就会坍缩到一个大挤压。”“大挤压”和“大爆炸”前的状态一样，“是具有无限密度的状态，物理定律在这种状态下失效。”

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。”

计算宇宙的平均密度并不容易。“如果我们计算能看得见的恒星并把它们的质量相加，我们得到的，不到临界值的百分之一左右。”即使加上“气体云的质量”，临界值最多是百分之一。但是，我们能不能据此得出宇宙将永远膨胀下去的结论呢？还不能。因为宇宙中还有许多暗物质。根据现在的观测研究，将这些暗物质估算在内，“仍然只达到要使宇宙重新坍缩的临界质量的百分之十左右。这样，如果我们仅仅依据观测证据，则可预言宇宙会继续无限地膨胀下去。”这样，“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。

霍金对黑洞的解释是：“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》）但是，也许“黑洞并不像被描绘的那样黑”，根据量子力学的测不准原理，如果黑洞中有一颗粒子的位置是确定的，那么它的速度就有可能超过光速“逃离黑洞”。

我们不能相信已有的确定证据，是因为还有别的理论在探讨宇宙的奥秘。人择原理和暴涨理论就是其中的两种。

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。”

三、演讲的特点

1．生动的导引

这篇科技论文是演讲辞，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”。

●解题指导

一、设计此题，是为了让学生透过生动的比喻，来理解作者所要说明的科学道理。

1．我们目前还不知道“制约宇宙的有关定律”。即使知道了，它的“物理方程的解”也会出现混沌性质，不可能有确解。

2．“宇宙在大挤压处终结”，终结就是死亡，再讨论时空问题，或者再问“在这‘之后’的事件”，已毫无意义。

二、设计此题，是为了让学生提炼出作者所论证的一些观点及论据。

宇宙中存在暗物质的证据有两个。“一个来自于螺旋星系”，如果没有暗物质的引力作用，这些旋转的星系早就被甩开了。“另一个证据来自于星系团”，这些星系团“成团地集中在一起”，其中个别星系运动速度非常高，若不是存在暗物质，“这些星系团就会飞散开去”。

作者在说明现在的宇宙密度可能就在临界状态时，列举了两种假说。一是“人择原理”：可能存在多个宇宙，只有那些接近临界密度的宇宙，才有我们这些“智慧生物”去问这个问题。二是“暴涨理论”：宇宙可能从一个微小的尺度暴涨到我们现在的临界状态。

三、设计此题，是为了让学生注意文章幽默的语言风格，体会演讲辞的特点。文章中幽默的话语，除了“课文说明”中提到的一段，还有很多，如，说古代的女巫“通常是被毒药或火山隙溢出的气体弄得精神恍惚的女人”，说明她们作预言需要借助于神秘的力量，语言夸张而带有讽刺意味；同样，在讽刺近代宗教预言家时说：“幸运的是，数人名看来要花很长的时间”，将“末日预言者”的尴尬处境含蓄幽默地揭露出来；一句“否则的话，物理学家就会在赌场发财”，将“轮赌盘”的不确定性和“制约宇宙的有关定律”的物理方程的解具有混沌性质一语说透，妙趣横生。另外尚有：“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”；“无论如何，假定在太阳爆炸的时刻，我们还没有把自己毁灭的话，我们应该已经掌握了恒星际旅行的技术。”；“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。”等等。

●教学建议

本课用三课时自读。

这篇课文涉及的科学知识比较深，但也不难懂。在教学中，教师可参考“课文说明”及“有关资料”部分，帮助学生读懂课文。在此基础上，找出课文的重点难点，结合完成课后练习，加深对课文的理解。

课文的主体部分，论述了宇宙中物质密度问题，这是课文的重点，从理解上来说，也是难点。宇宙中物质的密度，决定了引力的大小。物质密度大，引力就大；物质密度小，引力就小。物质密度的大小，如果超过了一个临界值，就会发生质的变化。依据大爆炸宇宙学，宇宙的未来只有两种命运：继续膨胀或坍缩。目前的观测表明宇宙“至少在一百亿年内不会停止膨胀”，但由于宇宙中存在着许多暗物质，也许还存在一些我们尚不十分明了的原因，在遥远的未来，它会不会坍缩，还是一个未解之谜。

在教学中，可以请物理学习好的学生或爱好天文的学生，结合自己的学习或知识，就课文内容作一些引申发挥。现在，宇航、天文观测等科学研究都具有世界性，经常有一些有关的报道。有条件的地方可组织参观一次科技馆或天文馆。

●有关资料

一、作者简介（麦克丹尼尔）

斯蒂芬·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。这种病会引起肌肉萎缩，导致瘫痪；说话会越来越困难，直至完全丧失语言能力；患者通常因并发肺炎或窒息而死亡。不过，患者的思维能力包括记忆能力不受影响。医生告诉霍金他最多只能活两年。在经历了一段短暂的失望和沮丧后，霍金又开始了他的宇宙学研究。霍金后来在相对论、“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。

（选自《斯蒂芬·霍金：伟大的物理学家》，世界知识出版社1998年版，翟玉章译）