人教版新課標高中語文必修5課本《宇宙的未來》課文解讀(4)
(20)在大約100億年以后，宇宙中大多數(shù)恒星都已把燃料耗盡。大約具有太陽質(zhì)量的恒星不是變成白矮星就是變成中子星①，中子星比白矮星更小更緊致。(①中子星：恒星在核能耗盡后，經(jīng)過引力坍縮，依靠簡并中子的壓力與引力平衡形成的星體。)具有更大質(zhì)量的恒星會變成黑洞①。(①黑洞：一種特殊的天體，是時間—空間的一個區(qū)域。它的基本特征是有一個封閉的視界。由于引力過于強大，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，并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(xù)繞著銀河系中心每一億年轉(zhuǎn)一圈。這些殘余物的相撞會使一些被拋到星系外面去。余下的會漸漸地在中心附近更近的軌道上穩(wěn)定下來，并且最終會集中一起，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(zhì)是什么，可以預料它們也會落進這些非常巨大的黑洞中去。[作者根據(jù)恒星演化的原理，繼續(xù)預言其他恒星的命運。在大約100億年以后，宇宙中大多數(shù)恒星都會毀滅，變成中子星、白矮星或者黑洞。這些恒星的殘余物，有的在互相碰撞中被拋到星系外面去，有的最終聚集在星系中心形成一顆巨大的黑洞, 星系或星系團中的暗物質(zhì)也都將落進這個黑洞。]
(21)因此可以假定，星系或星系團中的大部分物體最后在黑洞里終結(jié)。[作者說可以假定，星系演變到黑洞就是最后的終結(jié)。但是假如宇宙中所有的星系都真的因此而走到了盡頭，宇宙還需要繼續(xù)膨脹嗎?黑洞真的再也沒有變化了嗎?于是作者在下文敘述自己最新的發(fā)現(xiàn)。]然而，我在若干年以前發(fā)現(xiàn)，黑洞并不像被描繪的那樣黑。量子力學的不確定性原理①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。(①量子力學的不確定性原理：即海森伯提出的測不準原理。它的量子力學意義是不能在同一個態(tài)中同時準確測量出粒子的位置和速度。海森伯，1901—1976年，德國物理學家。)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(nèi)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。[霍金曾經(jīng)根據(jù)引力學原理解釋說，黑洞是“空間──時間的一個區(qū)域，因為那兒的引力是如此之強，以至于任何東西，甚至光都不能從該處逃逸出來。”(《時間簡史》一書所附《小辭典》)很明顯，現(xiàn)在，霍金發(fā)展了這個觀點?；艚鸶鶕?jù)量子力學的不確定性原理發(fā)現(xiàn)，黑洞中的粒子有可能超過光速，從黑洞中逃逸出來。這一發(fā)現(xiàn)對于宇宙來說有什么意義呢?請看作者的說明。]在一個星系中心的巨大黑洞可能花1090年的時間蒸發(fā)掉并完全消失，也就是“1”后面跟90個0。這比宇宙現(xiàn)在的年齡要長得多，它是1010年，也就是“1”后面跟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(fā)。[既然粒子可以從黑洞中逃逸出來，那就意味著黑洞“不黑”，黑洞的物質(zhì)在不斷地緩慢減少，最終會被“蒸發(fā)”。作者計算出星系中心的巨大黑洞要花1090年的時間才能完全蒸發(fā)，因此宇宙必須永遠膨脹下去，才能“有大量的時間可供黑洞蒸發(fā)”。這樣，作者就又從星系演化的角度證明了宇宙將會永遠膨脹。]
(22)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(jù)。然而，可能還有其他種類的暗物質(zhì)，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(zhì)必須位于星系或星系團之外。否則的話，我們就應覺察到了它對星系旋轉(zhuǎn)或星系團中星系運動的效應。[宇宙真的會永遠地膨脹下去嗎?于是，作者又回到宇宙平均密度的問題上來，指出“一點也不能肯定宇宙是否會永遠膨脹”。因為預言宇宙會無限地膨脹下去，是依據(jù)觀察證據(jù)，宇宙中的明物質(zhì)以及星系和星系團中暗物質(zhì)只占臨界密度的十分之一，但是星系和星系團之外有沒有暗物質(zhì)呢?這種附加的暗物質(zhì)有沒有使宇宙的平均密度達到或超過臨界值呢?作者把他的研究又向前推進一步。]
(23)為什么我們應該認為，也許存在足夠的暗物質(zhì)，使宇宙最終坍縮呢?為什么我們不能只相信我們已有確定證據(jù)的物質(zhì)呢?[作者說宇宙中不只是“已有確定證據(jù)的物質(zhì)”，也許還存在足夠的使宇宙最終坍縮的暗物質(zhì)。為什么要這樣認定呢?下面陳述理由。]其理由在于，哪怕宇宙現(xiàn)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。如果在大爆炸后一秒鐘宇宙的密度大了一萬億分之一，宇宙就會在十年后坍縮。另一方面，如果那時宇宙的密度小于同一個量，宇宙在大約十年后就變成基本上空無一物。[這是霍金宇宙學說的核心觀點，即宇宙的命運取決于宇宙誕生時的初始條件，最初萬萬萬億分之一秒時間里發(fā)生的一切決定了宇宙的未來。如果這個初始密度偏大，宇宙很快就會坍縮，如果這個初始密度偏小，宇宙很快就會變得空無一物，既無星系與星系團，也無所謂的暗物質(zhì)?？傊?，如果宇宙沒有選擇一個恰當?shù)某跏济芏?，就不會有我們現(xiàn)在的這個宇宙。這個觀點很重要，它說明宇宙的平均密度是一個恒量，從宇宙的初始直至現(xiàn)在都沒有變化。既然宇宙的平均密度不是一個變量，因此可以根據(jù)它預言宇宙的未來。那么，我們現(xiàn)在的宇宙選取的初始密度是多少，宇宙為什會選取這樣的初始密度呢?]
(24)宇宙的初始密度為什么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。[作者認為宇宙仔細地選取的初始密度“剛好具有臨界密度”。為什么會是這個樣子呢?作者說，有兩種不同的解釋。]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，我們就不會在這里觀測它。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并包含足夠形成恒星和行星的物質(zhì)。只有在那些宇宙中才有智慧生物去詰問這樣的問題：密度為什么這么接近于臨界密度?[這里概述了人擇原理的基本觀點。人擇原理是根據(jù)因果關(guān)系推斷，只有那些非常接近臨界密度的宇宙才能存活足夠久并包含足夠形成恒星和行星的物質(zhì)，才能出現(xiàn)有智慧的生命，反之，就不可能出現(xiàn)生命和人類。因此，我們現(xiàn)在生存的宇宙必定非常接近臨界密度。]如果這就是宇宙現(xiàn)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(zhì)。十分之一的臨界密度對于星系和恒星的形成已經(jīng)足夠。[但是，根據(jù)觀察的證據(jù)，我們現(xiàn)在的宇宙中只有十分之一的臨界密度。這個密度也足可以形成星系和恒星，足可以產(chǎn)生有智慧的生命，因此，作者說，根據(jù)人擇原理可以認定，在我們的宇宙中，星系和星系團之外沒有附加的暗物質(zhì)。]
(25)然而，許多人不喜歡人擇原理，因為它似乎太倚重于我們自身的存在。這樣就有人對為何密度應這么接近于臨界值尋求另外可能的解釋。[這里指出人擇原理的缺陷。人擇原理雖然很吸引人，但是由于它是源于因果推理，是由果推因，從這個意義來說，人擇原理與其說是科學原理，還不如說只是一種思辨而已。因此，有人尋求另外的解釋。]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(jīng)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，會使宇宙這么接近于準確的臨界密度，以至于現(xiàn)在仍然非常接近于臨界密度。[這里概述了暴漲理論的基本觀點。暴漲宇宙論認為，初始宇宙曾經(jīng)發(fā)生過膨脹速度高到無法想象的超急劇膨脹，使宇宙“接近于準確的臨界密度，以至于現(xiàn)在仍然非常接近于臨界密度”。]這樣，如果暴漲理論是正確的，宇宙就應包含足夠的暗物質(zhì)，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(jīng)膨脹過的一百五十億年左右長太多。[這是作者從暴漲理論推出的結(jié)論。根據(jù)暴漲理論，在星系和星系團之外就應該有足夠的附加的暗物質(zhì)，才使得密度達到臨界值，于是宇宙最終可能會坍縮。在前面作者說：“我可以滿懷信心地預言，它至少在一百億年內(nèi)不會停止膨脹”，在這里又說：坍縮的時間可能在150億年之后，文章前后呼應。]
(26)現(xiàn)在小結(jié)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?nèi)ヮA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(tài)的微小變化會導致后續(xù)行為的快速增大的改變。這樣，人們在實際上經(jīng)常只能對未來相當短的時間作準確的預言。[以上是對課文的第一部分，即第1—11自然段的小結(jié)。在這一部分里，作者說明對宇宙的未來是可以預言的，但又是很困難的，主要是因為對一個混沌的系統(tǒng)，只能對未來相當短的時間作準確的預報，不可能對其遙遠的未來作準確的預報。而宇宙中星系、星系團的運動是混沌的，因此要預報宇宙的未來就非常困難。]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(xiàn)有密度而定。[這是對課文的第二部分，即第12—16自然段的小結(jié)。在這一部分里，作者通過對光譜紅移現(xiàn)象，特別是宇宙微波背景輻射各向同性特征的分析，得出宇宙的平均密度以及膨脹率處處相同，因此斷定宇宙雖然“星系、星系團的運動是混沌的”，但“大尺度的行為似乎是簡單的，而不是混沌的”，因此，我們可以預言宇宙遙遠的未來。而宇宙是繼續(xù)膨脹還是可能收縮，這取決于宇宙現(xiàn)有的平均密度。]事實上，現(xiàn)在密度似乎非常接近于把坍縮和無限膨脹區(qū)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。[這是對課文第三部分，即第17—25自然段的小結(jié)。作者在這一部分里詳盡地分析和討論了宇宙現(xiàn)有的平均密度，根據(jù)觀察證據(jù)計算，宇宙中星系、星系團以及其中的暗物質(zhì)的量，只達到使宇宙重新坍縮的臨界質(zhì)量的百分之十左右，而這個密度恰好符合人擇原理的要求，據(jù)此宇宙會繼續(xù)無限地膨脹下去。但是根據(jù)暴漲宇宙理論分析，宇宙在星系和星系團之外的廣大空間中還應該包含有足夠的附加暗物質(zhì)，使得宇宙的平均密度“似乎非常接近于把坍縮和無限膨脹區(qū)分開來的臨界密度”，這樣宇宙最終可能坍縮，宇宙現(xiàn)在正處在是繼續(xù)膨脹還是開始坍縮這樣一個危險的鋒口上。]所以我正是繼承那些巫師或預言者的良好傳統(tǒng)，兩方下賭注，以保萬無一失。[這是作者的最后結(jié)論。宇宙是繼續(xù)膨脹還是可能收縮，因為對宇宙中星系和星系團之外的暗物質(zhì)沒有辦法計算，所以無法確定宇宙現(xiàn)有的平均密度。在這個問題沒有研究清楚之前，科學家也不得不像巫師或近代世界末日預言家一樣“兩方下賭注，以保萬無一失”。作者用這種幽默的語言自我解嘲，以示科學的無奈。]
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