人教版新课标高中语文必修5课本《宇宙的未来》课文解读(2)
(10)我们还知道制约化学和生物的基本定律，这样在原则上，我们应能确定大脑如何工作。但是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。这样，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。科学不能预言人类社会的未来或者甚至它有没有未来。其危险在于，我们毁坏或消灭环境的能力的增长比利用这种能力的智慧的增长快得大多了。[以上三段文字作者举了三个例子证明对一个混沌的系统不可能预言遥远的未来：第一，用生活中常见的赌盘为例，证明“在某一时刻对系统作非常微小的改变，系统的未来行为很快会变得完全不同”;第二，用天气预报为例，证明对“不稳定或混沌的系统”只能进行短期的准确的预报，不能进行长期的准确预报;第三，用我们虽然知道制约人类行为的方程，但由于这个方程“几乎肯定具有混沌行为”，因此，在实际上却不能预言人类社会的未来。以上作者连用三个自然段详细阐释了混沌学的基本原理，但是这与预言宇宙的未来有什么关系呢?让我们阅读下文。]
(11)宇宙的其他地方对于地球上发生的任何事物根本不在乎。绕着太阳公转的行星的运动似乎最终会变成混沌，尽管其时间尺度很长。这表明随着时间流逝，任何预言的误差将越来越大。在一段时间之后，就不可能预言运动的细节。我们能相当地肯定，地球在相当长的时间内不会和金星相撞。但是我们不能肯定，在轨道上的微小扰动会不会积累起来，引起在十几亿年后发生这种碰撞。太阳和其他恒星绕着银河系的运动，以及银河系绕着其局部星系团的运动也是混沌的。[作者在上文证明了对一个混沌的系统不能预言其遥远的未来，这一段则说明太阳系，银河系以及星系团的运动都是混沌的，因此，只能对其进行某个时段(尽管其时间尺度很长)的预报，“在一段时间之后，就不可能预言运动的细节”。读到这里，我们会产生一个大大的疑问：既然宇宙的运动是混沌的，而混沌的系统是不能预言的，为什么作者还要说满怀信心预言宇宙的未来?]我们观测到，其他星系正离开我们运动而去，而且它们离开我们越远，就离开得越快。这意味着我们周围的宇宙正在膨胀：不同星系间的距离随时间而增加①。(①我们观察到……：这几个句子，作者用通俗的语言阐述了根据光谱红移现象推断出来的宇宙膨胀的理论。美国天文学家斯莱弗通过对恒星光谱的研究，于1912年发现它们的光谱线普遍存在着向红端移动的现象，进一步观察又发现，除个别例外，几乎所有的河外星系的光谱都有红移现象。按照多普勒效应解释，这就意味着这些星系都在远离地球而去。1929年，哈勃考察了斯莱弗的工作，提出了著名的哈勃定律：星系的红移量与它们离地球的距离成正比。哈勃定律证明了宇宙正在整体退移或者说整体膨胀。)[预言宇宙未来虽然困难，但不是说就不能预言。从这里开始，作者转入论述宇宙的未来。为什么可以预言?根据什么样的科学原理预言?让我们研读下文。]
(12)我们观察到的从外空间来的微波辐射背景①给出这种膨胀是平滑而非混沌的证据。(①微波辐射背景：一般称作“宇宙微波背景辐射”，即来自宇宙空间背景上的各个方向同性的微波辐射，是宇宙之初“大爆炸”的余热，温度比开氏绝对零度高2.7度，即-2700C，习惯上称为3K辐射。1965年美国科学家彭齐亚斯和威尔逊因共同发现宇宙微波背景辐射而获1978年诺贝尔物理学奖。)[这是本段的中心句。上文说明了宇宙正在膨胀，人们自然会问：宇宙是怎样膨胀的呢?作者回答：宇宙微波背景辐射证明了宇宙膨胀是“平滑而非混沌”的。那么，宇宙空间有没有微波辐射?研究宇宙微波辐射有什么意义?宇宙微波背景辐射何以能证明宇宙膨胀是非混沌的?为什么要证明宇宙膨胀是非混沌的?让我们带着这些问题探讨下面的文字。]你只要把你的电视调到一个空的频道就能实际观测到这个辐射。你在屏幕上看到的斑点的小部分是由太阳系外的微波引起的。[用一个人人都可以观察到的现象，确证宇宙微波背景辐射的真实存在。]这就是从微波炉得到的同类的辐射，但是要更微弱得多，它只能把食物加热到绝对温度①的2.7度，所以不能用来温热你的外卖比萨②。(①绝对温度：即开氏温度，1848年由英国物理学有开尔文提出，1960年第十一届国际计量大会泰山定热力学温度以开尔文为单位。开氏的零度称为“绝对零度”，等于-273.150C。②比萨：一种意大利式馅饼。)人们认为这种辐射是热的早期宇宙的残余。[这里用比较的方法生动形象地说明宇宙微波背景辐射的第一个特征：具有黑体辐射谱，它是热的早期宇宙的残余。科学家认为，背景辐射是温度近于2.7K的黑体辐射，习惯称为3K背景辐射。黑体谱现象表明，微波背景辐射是极大的时空范围内的事件。因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形成黑体谱。由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射与物质的互相作用极小，所以，我们今天观察到的黑体谱必定起源于很久以前。微波背景辐射应具有比遥远星系和射电源所能提供的更为古老的信息。因此，可以利用它研究宇宙的初始。从这个特征来看，微波背景辐射也只有肋于研究宇宙的过去，无助于预言宇宙的未来。]但是它最使人印象深刻的是，从任何方向来的辐射量几乎完全相同。宇宙背景探索者卫星已经非常精确地测量了这种辐射。从这些观测绘出的天空图可以显示辐射的不同温度。在不同方向上这些温度不同，但是差别非常微小，只有十万分之一。因为宇宙不是完全光滑的，存在诸如恒星、星系和星系团的局部无规性，所以从不同方向来的微波必须有些不同。但是，要和我们观测到的局部无规性相协调，微波背景的变化不可能再小了。微波背景在所有方向上能够相等到100000分之99999(十万分之九万九千九百九十九)。[这是说明微波背景辐射的第二个特征：各向同性。作者援引“非常精确地测量”出来的辐射温度的数据详尽地证明宇宙微波背景辐射“从任何方向来的辐射量几乎完全相同”。作者说微波背景辐射的这一特征“最使人印象深刻”。黑体辐射的特征证明宇宙起始之初是一个“热的宇宙”;那么，各向同性的特征又说明了什么呢?这一特征对于预言宇宙的未来为什么“最使人印象深刻”呢?请继续研读作者的论述。]
(13)上古时代，人们以为地球是宇宙的中心。在任何方向上背景都一样的事实，对于他们而言毫不足怪。[地球中心说认为，宇宙是一个圆，因此“在任何方向上背景都一样”便很容易理解。这是说，如果按照地球中心说，微波背景辐射的发现没有什么意义，因为理所当然会是这样。]然而，从哥白尼①时代开始，我们就被降级为绕着一颗非常平凡的恒星公转的一颗行星，而该恒星又是绕着我们看得见的不过是一千亿个星系中的一个典型星系的外边缘公转。(①哥白尼：1473—1543年，波兰天文学家，太阳中心说的创立者，近代天文学的奠基人。)我们现在是如此之谦和，我们不能声称任何在宇宙中的特殊地位。所以我们必须假定，在围绕任何其他星系的任何方向的背景也是相同的。[从哥白尼开始的现代宇宙学说告诉我们，地球不处在宇宙的中心，没有“任何在宇宙中的特殊地位”，所以微波背景辐射的发现就具有不平常的意义，它可以由个别推及一般，从在地球上测出的微波背景辐射各向同性的特征可以推出，在围绕任何其他星系的任何方向的背景也是相同的。所以，微波背景辐射各向同性的特征是一个普遍现象，在宇宙中的任何一点都是如此。那么各向同性这一事实说明了什么呢?请读下文。]这只有在如果宇宙的平均密度以及膨胀率处处相同时才有可能。平均密度或膨胀率的大区域的任何变化都会使微波背景在不同方向上不同。[作者认为，微波背景辐射各向同性的事实说明“宇宙的平均密度以及膨胀率处处相同”。如果膨胀率和密度不同，背景就不会相同。]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。因此我们可以预言宇宙遥远的未来。[这是作者在上述分析的基础上得出的结论，这个结论证明了我们可以预言宇宙遥远的未来。现在我们把文章从第8段开始到此处的文字归结一下，回过头去看看作者说理的思路。作者先证明对“不稳定或混沌的系统”只能进行短期的准确的预报，不能进行长期的准确预报，而太阳系、银河系以至星系团的运动都是混沌的，因此预言宇宙的未来非常困难。然后根据宇宙微波背景辐射各向同性的事实推出“宇宙的平均密度以及膨胀率处处相同”，由此知道“宇宙的行为在非常大尺度下是简单的，而不是混沌的”，因此，可以预言宇宙的未来。那么，用什么方法预言宇宙的未来?宇宙的未来又是怎样的呢?这是我们需要继续弄明白的问题。]
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