【语文必修3】14 宇宙的边疆/卡尔·萨根
语文高中必修3宇宙的边疆
宇宙的边疆
课文
我索取荣誉的对象不应该是太空，而应该是我的灵魂。假如我拥有一切，我就无所用心。好大喜功则为宇宙汪洋所吞没，开动脑筋则领悟世界。 ——布菜斯•始斯卡《感想录》
已知的事物是有限的，未知的事物是无穷的；我站立在茫茫无边神秘莫测的汪洋中的一个小岛上。继续开拓是我们每一代人的职责。
——T.H.赫胥黎
宇宙现在是这样，过去是这样，将来也永远是这样。只要一想起宇宙，我们就难以平静——我们心情激动，感叹不己，如同回忆起许久以前的一次悬崖失足那样令人晕眩颤栗。我们知道我们在探索最深奥的秘密。 宇宙的大小和年龄不是一般人所能理解的。我们的小小行星只不过是无限永恒的时空中的一个有限世界。从宏观来看，大多数人类所关心的问题都可以说是无关紧要的，甚至是微不足道的。但是，我们人类朝气蓬勃、勇敢好学、前途无量。几千年来，我们对宇宙及我们在宇宙中所处的地位作出了最惊人的和出乎意料的发现。人类对宇宙的探索，回想起来是很令人兴奋的。这些探索活动提醒我们：好奇是人类的习性，理解是一种乐趣，知识是生存的先决条件。因为我们在这个宇宙中只不过是晨空中飞扬的一粒尘埃，所以，我们认为，人类的未来取决于我们对这个宇宙的了解程度。
我们探索宇宙的时候，既要勇于怀疑，又要富于想象。想象经常能够把我们带领到崭新的境界，没有想象，我们就到处碰壁。怀疑可以使我们摆脱幻想，还可以检验我们的推测。宇宙神奥非凡，它有典雅的事实，错综的关系，微妙的机制。
地球的表面就是宇宙汪洋之滨。我们现有的知识大部分是从地球上获得的。近来，我们已经开始向大海涉足，当然，海水才刚刚没及我们的脚趾，充其量也只不过溅湿我们的踝节。海水是迷人的。大海在向我们召唤。我们的本能告诉我们，我们是在这个大海里诞生的。我们还乡心切。虽然我们的夙望可能会冒犯“天神”，但是我相信我们并不是在做无谓的空想。 因为宇宙辽阔无垠，所以那些我们所熟悉的适用于地球的量度单位——米、英里等等已经没有意义。我们用光速来量度距离。一束光每秒钟传播18.6万英里，约30万公里，也就是7倍于地球的周长。一束光从太阳传播到地球用8分钟的时间，因此我们可以说，太阳离我们8光分。一束光在一年之内约穿过10万亿公里(相当于6万亿英里)的空间，这个长度单位——光在一年里所通过的距离——称为一光年。光年不是度量时间的单位，而是度量距离的极大单位。
地球是宇宙中的一个地方，但决不是的地方，也不是一个典型的地方。任何行星、恒星或星系都不可能是典型的，因为宇宙中的大部分是空的。典型的地方在广袤、寒冷的宇宙真空之中，在星际空间永恒的黑夜里。那是一个奇特而荒芜的地方。相比之下，行星、恒星和星系就显得特别稀罕而珍贵。假如我们被随意搁置在宇宙之中，我们附着或旁落在一个行星上的机会只有1033分之一①。(1033，在10之后接33个0)。在日常生活当中，这样的机会是“令人羡慕的”。可见天体是多么宝贵。
从一个星系际的优越地位上，我们可以看到无数模糊纤细的光须象海水的泡沫一样遍布在空间的浪涛上，这些光须就是星系。其中有些是孤独的徘徊者，大部分则群集在一起，挤作一团，在大宇宙的黑夜里不停地飘荡。展现在我们面前的就是我们所见到的极其宏伟壮观的宇宙。我们隶属于这些星云，我们所见到的星云离地球80亿光年，处在已知宇宙的中心。
星系是由气体、尘埃和恒星群(上千亿个恒星)组成的，每个恒星对某人来说都可能是一个太阳。在星系里有恒星、行星，也可能有生物、智能生命和宇宙间的文明。但是从远处着眼，星系更多地让人想起一堆动人的发现物——贝壳，或许是珊瑚——大自然在宇宙的汪洋里创造的永恒的产物。 宇宙间有若干千亿个星系。每个星系平均由1000亿个恒星组成。在所有星系里，行星的数量跟恒星的总数大概一样多，即1011*1011=1022。在这样庞大的数量里，难道只有一个普通的恒星——太阳——是被有人居住的行星伴随着吗？为什么我们这些隐藏在宇宙中某个被遗忘角落里的人类就这样幸运呢？我认为，宇宙里很可能到处都充满着生命，只是我们人类尚未发现而已。我们的探索才刚刚开始。80亿光年以外嵌着银河系的星系团催迫着我们去探索。探索太阳和地球就更不用说了。我们确信，有人居住的这个行星只不过是一丁点儿的岩石和金属，它靠着反射太阳光而发出微光。在这样的大距离里，它已经消失得无影无踪。
但是，这个时候，我们的旅程只到达地球上的天文学所通称的“本星系群”。本星系群宽达数百万光年，大约由20个子星系组成，是一个稀疏、模糊而又实实在在的星系团。其中的一个星系是M31，从地球上看，这个星系位于仙女星座。跟其他旋涡星系一样，它是一个由恒星、气体和尘埃组成的巨大火轮。M31有两个卫星，它通过引力——跟使我呆在坐椅上相同的物理学定律——将矮椭圆星系束缚在一起。整个宇亩中的自然法则都是一样的。我们现在离地球200万光年。
M31
以外是另一个非常相似的星系，也就是我们自已的星系。它的旋涡臂缓慢地转动着——每2亿5千万年旋转一周。现在，我们离地球4万光年，我们正处于密集的银河中心。但是， 假如我们希望找到地球的话，就必须将方向扭转到银河系的边远地带，扭转到接近遥远的旋涡臂边缘的模糊的地方。
我们印象最深刻的是，恒星即使在两个旋臂之间，也像流水一样漂浮在我们的四周——气势磅礴的自身发光的星球，有些虽然象肥皂泡一样脆弱，却又大得可以容得下1万个太阳或1万亿个地球；有些小如一座城池，但密度却比铅大100万亿倍。有些恒星跟太阳一样是孤独的；多数恒星有伴侣，通常是成双成对，互相环绕。但是那些星团不断地从三星系逐渐转化成由数十个恒星组成的松散的星团，再转化成由百万个恒星组成的璀璨夺目的大球状星团。有些双星紧靠在一起，星体物质在他们之间川流不息，多数双星都象木星与太阳一样分离开来。有些恒星——超新星——的亮度跟它们所在的整个星系的亮度一样；有些恒星——黑洞——在几公里以外就看不见了。有些恒星的光彩长年不减；有些恒星闪烁不定，或以匀称的节奏闪烁着。有些恒星稳重端庄地转动着，有些恒星狂热地旋转着，弄得自己面貌全非，成了扁圆形。多数恒星主要是以可见光成红外光放出光芒；其他恒星也是X光或射电波的光源。发蓝光的恒星是年青的星，会发热；发黄光的恒星是常见的星，它们已经到了中年；发红光的恒星常常是垂亡的老年星；而发白光或黑光的恒星则已奄奄一息。银河里大约有4千亿个各种各样的恒星，它们的运转既复杂又巧妙。对于所有这些恒星，地球上的居民到目前为止比较了解的却只有一个。
每个星系都是太空中的一个岛屿，它们与其邻居隔光年之距遥遥相望，我可以想象，在无数星球上的生物对宇宙的模糊认识是如何产生的：他们在开始的时候都以为，除了他们自己小小的行星以及他们周围的那些区区可数的恒星以外，再也没有其他的星星了。我们是在与世隔绝的情况下成长起来的，我们对宇宙的正确认识是逐渐形成的。
有些恒星可能被数百万个没有生物的由岩石构成的小星球所包围，这些小星球是在它们演化的某个初级阶段冻结而成的行星系。大概许多恒星郡有跟我们类似的行星系：在外围具有由大气环所包围的行星和冰冻卫星，而在接近中心处则有温热的、天蓝色的、覆盖着云的小星球。在一些行星上可能已经有高级动物，他们也许正在从事某种巨大的工程建设来改造他们的行星世界，他们是我们宇宙中的兄弟姐妹。他们跟我们的差别很大吗？他们的形状、生物化学、神经生态、历史、政治、科学、技术、艺术、音乐、宗教、哲学等方面的情况如何？也许有一天我们会知道的。
我们现在已经回到了我们的后院——离地球1光年的地方。包围着我们的太阳的是一群巨大的雪球，这些雪球由冰块、岩石和有机分子组成：它们就是彗核。每当恒星经过的时候都对它们产生一定的引力作用，最后迫使它们当中的一个雪球倾倒到内太阳系。由于太阳热的作用，冰块被蒸发，于是就出现了美丽的彗尾。
我们现在来到我们星系的行星上。这些星球相当之大，它们都是太阳的俘获物。由于重力作用，它们*作近似圆周运动。它们的热量主要来自太阳。冥王星覆盖着甲烷冰，它的伙伴是它的巨大卫星卡戎。冥王星是被太阳照亮的，因为太阳离它很远，从漆黑的天空中看上去，太阳只不过是一个明亮的光点。巨大的气体星球海王星、天王星、土星——太阳系的宝石——和木星部分别有一个冰冻卫星作伴相随（这些行星近年均被发现有更多的卫星甚至卫星群相伴随。——编著）。在气体行星及其冰冻卫星的内侧就是充满岩石的温暖的内太阳系。例如，在那里有红色行星——火星。在火星上有高耸的火山、巨大的裂谷、席卷火星的大沙暴，并且，完全可能还有一些初级形态的生物。所有太阳系的行星都绕着太阳运转。太阳是离我们最近的一个恒星，它是一个令人恐怖的氢气和氦气的热核反应炉，它的强光照耀着整个太阳系。
经过一番漫游之后，我们终于回到了我们这个弱小的浅蓝色星球。宇宙汪洋茫无际涯，范围之大，难以想象，而这个星球仅是其中之一，完全淹没于宇宙汪洋之中，它的存在可能仅仅对我们有意义。地球是我们的家，我们的母亲。人类是在这里诞生和成长的，是在这里成熟起来的。正是在这个星球上，我们激发了探索宇亩的热情。也正是在这里，我们正在痛苦和不安之中掌握我们自己的命运。
人类有幸来到地球这个行星上。这里有充满氮气的蓝天，有碧波荡漾的海洋，有凉爽的森林，还有柔软的草地。这无疑是一个生机勃勃的星球。从整个宇宙来看，它不但景色迷人，天下稀有，而且到目前为止，在我们的行程所经历过的所有时空当中，只有这个行星上的人类开始对宇宙进行探索。必定有许多这样的星球散布在整个宇宙空间里，但是，我们对它们的探索从这里开始。我们有人类百万年来用巨大的代价积累起来的丰富知识。我们这个世界人才济济，人们勤学好问。我们的时代以知识为荣。我们是很幸运的。人类是宇宙的产物，现在暂时居住在叫做“地球”的星球上。人类返回家园的长途旅行已经开始。
教案
教学目标：
知识目标：
引导学生联系实际，了解解说词的特点。
2.引导学生了解一些有关宇宙的基础知识。
能力目标：
1.引导学生借助文中精辟的议论和热烈的情感抒发，了解作者对宇宙和人类的思考，并引发自己的思考。
2.扩展学生的思维层次和文化素养。
德育目标：
激发学生的求知欲和探索精神。
重点、难点：
引导学生联系实际，了解解说词的特点。
2.引导学生借助文中精辟的议论和热烈的情感抒发，了解作者对宇宙和人类的思考，并引发自己的思考。
教学方法：
1.阅读分析全文结构。
2.引导学生借助文中精辟的议论和热烈的情感抒发，了解作者对宇宙和人类的思考，并引发自己的思考。
教学课时：两课时
第一课时
教学过程：
一、导入新课 浩瀚的宇宙无边无际，自古以来人们对宇宙产生了无穷无尽的遐想，自从科学产生以来，人们对宇宙的探索就没有停止过。随着科学技术的发展，人们越来越迫切地想了解宇宙的奥秘。 (板书)宇宙的边疆
二、明确目标
1.引导学生联系实际，了解解说词的特点。
2.引导学生借助文中精辟的议论和热烈的情感抒发，了解作者对宇宙和人类的思考，并引发自己的思考。
三、整体感知
1.作者简介
卡尔·萨根(CarlSagan，1934—1996)，美国人，曾任美国康奈尔大学行星研究中心主任，被称为“大众天文学家”和“公众科学家”。他以对科学的热忱和个人巨大的影响力，引导几代年轻人走上探索科学之路。他对人类将无人航天器发送到太空起过重要的作用，在行星科学、生命的起源、外星智能的探索方面也有诸多成就。他主持过电视科学节目，出版了大量科普文章和书籍，其《伊甸园的飞龙》曾获得普里策奖，电视系列节目《宇宙》在全世界取得热烈反响。主要作品还有《宇宙联结》《宇宙》《布卢卡的脑》《被遗忘前辈的阴影》《暗淡蓝点》《数以十亿计的星球》等。 2.解说词的文体特点
课文是一部电视片的解说词，具有以下几个特点：
(1)解说词要根据解说对象的特点，有明确的主题和说明重点，不能面面俱到，要突出事物的主要方面，抓住事物的关键，即使是拓展性内容，也不能游离解说的主题。如课文解说的对象是宇宙，那么就要紧扣宇宙的组成来介绍，不能随意生发其他问题。
(2)解说词补充和增加解说对象的相关信息，主要是知识和情理的扩展，使读者接受到画面和实物本身无法传递和难以表达的涵义。如课文中对光年基本概念的介绍(知识扩展)，将宇宙比做大海，激发读者对宇宙的想像(情理扩展)。
(3)解说词是一个有机的整体，但各个部分又有相对的独立性。课文从宇宙整体到星系的组成再到太阳系，虽然每个部分紧密相联，但又各有侧重，各有中心。
3.本文的说明顺序
解说词具有一定的视觉性，随着摄影镜头由大尺度空间到小尺度空间，缓缓推进。就我们的阅读来说，课文已经脱离了电视视觉画面(还能感觉到电视画面对文字的影响，如“我们现在已经回到了我们的后院”等介绍性词语)，独立成篇，从说明顺序上看，采取的是空间顺序：
宇宙吟星系(星系群、子星系)恒星太阳系行星
这样的说明顺序，好处在于：
(1)虽然我们生活在宇宙中，但是我们跳出宇宙之外，将它作为纯客观的说明对象来解说，这样能够更清晰、直观地介绍。
(2)空间尺度由大到小，让读者从整体上有所了解之后，再深入局部了解细微，这样顺序清楚，层次分明，符合读者的思维习惯。
(3)由广阔的宇宙，穿过无尽的空间，最终回到人类的家园，这是探索和发现的过程，表现了人类对宇宙的敬仰和“掌握我们自己的命运”的热情。“人类的未来取决于我们对这个宇宙的了解程度”，由宇宙再反观地球，就是人类的未来之路，说明的顺序和作者的思想达到某种契合。 第二课时
四、重点、难点的学习与目标完成过程
提问：本文运用了大量的议论与抒情，有什么作用?
明确：课文补充了许多相关知识，但是更突出的，是作者抒发自己的思想感情，其中有大段的议论和抒情。如开始的三段文字和结尾的两段文字，强烈的议论和抒*彩，融说理和抒情为一体，而且和说明性的文字配合自然，传达了作者对宇宙和人类的认识。语段中的议论和抒情也是随处可见的，如“假如我们被随意搁置在宇宙之中，我们附着或旁落在一个行星上的机会只有1033分之一。在日常生活当中，这样的机会是‘令人羡慕的’。可见天体是多么宝贵”等。
2.提问：人类认识宇宙，是从地球开始的，为什么作者的解说，不沿着人类认识发展的轨迹进行呢?
明确：当然，按人类对宇宙认识的历程来介绍，也未尝不可。课文的介绍顺序，是符合宇宙演化规律的，先有宇宙，次有星系，再有恒星，再有行星，这样介绍便于知识的梳理;其二，这是电视片的解说词，由摄影的角度来看，先整体后局部便于把握，而先局部后整体，表述上容易混乱，视觉画面也不好协调。
3.提问：作者对宇宙有怎样的认识?
明确：宇宙辽阔无垠，神秘莫测。而人类生活的地球，只是宇宙中的沧海一粟，“它的存在可能仅仅对我们有意义”。宇宙不因为地球及生活在地球上的人类而存在，而人类的未来，却取决于对宇宙的了解程度。
4.提问：作者对人类有怎样的认识? 明确：人类在宇宙中是渺小的，“只不过是晨窗中飞扬的一粒尘埃”;人类关心的大多数问题，对宇宙来说更是微不足道、毫无意义;但是人类又是勇敢、光荣的，他们以渺小的身躯，来探索广阔的宇宙，人类在渺小之中进发出宇宙般的伟大。
5.提问;课文中有大段的议论和抒情，是否干扰了对宇宙的说明? 明确:作为电视片的解说词，不仅要让观众了解宇宙的客观构成和相关知识，还要表达人类对宇宙的主观认识和人类探索宇宙的意义，这样才能感染观众，激发他们对宇宙的兴趣。所以，议论和抒情不仅没有干扰介绍，反而使介绍更具科学意蕴和人文内涵。
五、布置作业
完成“研讨与练习一、二”。
板书设计： 有关资料
【作者简介】
卡尔·萨根(CarlSagan，1934—1996)，美国人，曾任美国康奈尔大学行星研究中心主任，被称为“大众天文学家”和“公众科学家”。他以对科学的热忱和个人巨大的影响力，引导几代年轻人走上探索科学之路。他对人类将无人航天器发送到太空起过重要的作用，在行星科学、生命的起源、外星智能的探索方面也有诸多成就。他主持过电视科学节目，出版了大量科普文章和书籍，其《伊甸园的飞龙》曾获得普利策奖，电视系列节目《宇宙》在全世界取得热烈反响。主要作品还有《宇宙联接》《宇宙》《布鲁卡的脑》《被遗忘前辈的阴影》《暗淡蓝点》《数以十亿计的星球》等。 【宇宙日历(卡尔·萨根)】
你在过去幽暗的时光深渊里，还看得见其余的影子吗?
威廉·莎士比亚
《暴风雨》
地球形成的年代是很悠久的，而人类出现的时间还不算长。每个人生活中的重大事件以年、月、日计算，我们的一生以数十年记载，我们的家谱以世纪划分，而整个有记载的历史则用千年来计量。在人类出现以前已有了相当长的一段历史，这段历史时期延续了几个纪代，而我们对这段历史的了解可以说是寥寥无几。产生这种情况，一方面是由于没有文字记载，另一方面则因了解这个无限遥远的历史时期有着一定的实际困难。
远古时期某些事件的年代，现在我们已经能够测定了。利用地质分层和使用放射性元素可以确定考古学、古生物学和地质学上发生的重要事件的年代。天体物理学的理论为确定行星表面、星体和银河系的年代提供了数据。同时也能估测出非常事件(即大爆炸)到现在的大略时间。大爆炸可能是宇宙的开端。现代宇宙的所有物质和能量都陷入了这场大爆炸。我们也可以说，这是一场大中断，就在这场间断中，有关宇宙早期历史资料全被毁灭了，但大爆炸确实是我们有记载的最早的一次大事件。
据我所知，表达宇宙年表最有效的方法，是设想把宇宙的150亿年时间(或者至少是自大爆炸后的具体时间)压缩成一年的时间。这样地球历的每十亿年，就相当于这种宇宙年的24天左右，宇宙年的每秒钟表示地球绕太阳运行475公转。我这里介绍三种宇宙年表：12月份前的日期表，12月份的月历和新年除夕夜晚的明细考察表。按这个换算法，现代和历代史书上的大事件都必须一秒钟一秒钟地列举记载。这样就能把我们学过的时间间隔较长的历史大事件表列出来。在人类生活，有许多重要事件可能发生在不同的时期，正如一种同样瑰丽的地毯，可能是在不同时期织成一样，如在4月6日或9月16日的上午10点零2分和10点零3分之间。但我们这里详细记载的只是宇宙年最后一天的日志，于是就不会发生时间重叠的情况了。这个年代和当前最通用的史料相符，但某些内容还不完全可靠。例如，假若最终证实了植物原是在奥陶纪而不是在志留纪移植陆地，或者证实环节蠕虫的出现早于表中所说的前寒武纪，这完全可能，不足为奇。
此外，很明显要在表3中，于宇宙年最后十秒钟时间内，把所有重大事件逐一列进去也是不可能的。我没有详尽地提到美国、法国、*和中国的革命，以及其他重大历史事件，关于这一点，我希望能够得到谅解。 可以意料，这样的年表、月历和日志的设计仍很简陋。在此宇宙年里，9月初地球还没从星际物质中冷凝形成，恐龙仅出现在圣诞节前夜，开花植物首次出现在12月28日，男人和女人的起源发生在除夕晚上十点半。所有人类有记载的历史都排在12月31日的最后十秒钟内。从中世纪的衰落到现在仅是一秒多时间。可正是由于我这样精心的安排，第一个宇宙年恰好结束。虽然人类在宇宙年里所占的时间短暂，但意义非凡。当然，在第二宇宙年的开端，地球上或其附近将要发生什么变化，这完全取决于人类的科学水平以及人的智慧聪颖的头脑了。
①森林古猿：古生物学上把欧洲和非洲发现的古猿化石定名为槲猿，过去译为“森林古猿”。本书中全用过去译名。
②拉玛猿(Ramapithecus)：在印度发现的一种古猿化石。现在较普遍的看法，认为拉玛猿是人类的早期祖先;森林古猿是继续向猿方向发展的类型。
③城市国家：公元前3000年代前半期，在苏美尔地区形成的一些奴隶制国家。
④希伯来人：即犹太人。
⑤阿卡德帝国：公元前3000年代初，游牧的塞姆人部落建立的阿卡德王国(约公元前2371～2191年)。
⑥迈锡尼文化：迈锡尼是古代南希腊的一个重要文化中心。迈锡尼人从北部进入希腊半岛，在这儿建立了自己的奴隶制国家和创立了迈锡尼文化。迈锡尼文化的一个重大创造就是发明了自己的文字。
⑦特洛伊战争：古希腊人与特洛伊人之间的十年战争。
⑧哈拉帕文化：近五十年来在印度河流域发现很多城市文化遗址，称为哈拉帕文化。
【宇宙诞生之争(蒂姆·雷德福)】
当今世界上两位研究宇宙的大师在时间的开始与延续问题上相持不下。数学家和物理学家们正在阅读两篇论文，这两篇论文在为什么宇宙可能永远没有终点的问题上各执一词。
一方是坐在轮椅上的宇宙学家斯蒂芬·霍金(他可能是仍然在世的最的科学家)及其剑桥大学的同事尼尔·图罗克，他们在将由《物理快报》发表的论文中提出的论点是最初万万万亿分之一秒时间里发生的一切可能决定了宇宙永恒不灭的本质。
另一方是俄罗斯物理学家安德烈·林德(他是膨胀理论的泰斗之一，试图解释在最初的一刹那时间里发生的事情)，他在已发表的论文中说，霍金和图罗克理解错了，因为类似于我们所处的这个砰然一声就诞生的宇宙时时刻刻都在出现，因此试图找到时间的开始或终止是毫无意义的。
这一争论的实质是个重大问题。所有证据都表明我们的宇宙有一个开始，而且这种开始包括空间和时间这两方面。我们的宇宙150亿年来一直在膨胀。那么，存在着早于我们的宇宙诞生时刻“之前”的宇宙吗?宇宙膨胀会终止吗?
天文学家们一再提出的假设认为，我们的宇宙密度还不足以使其自身的扩张停下来。再过数十亿年之后，所有星系都将会衰颓，但是尚有余烬的星系残骸还将永恒飘荡，彼此间的距离越来越远。霍金在其最新写就的论文中检验了爱因斯坦的某些思想，并利用纯理论得出同样的结论：我们宇宙的未来是由其诞生时的条件决定的。
天文学家马丁·里斯教授最近说：“他们声称以某种比其他关于这些问题的设想更自然的方式建立了低密度宇宙理论的模型。这是一个变异理论，利用了霍金早些时候提出的某些思想。”他还说，林德认为霍金和图罗克的理论模型没有给出正确的宇宙密度。“他们的理论已受到天文学泰斗林德的抨击”。
这两种论点都以名为宇宙膨胀的瞬间为论据。在宇宙膨胀的瞬间，宇宙砰地一声从无到有诞生了，并以比光速快得多的速度自我膨胀。这种膨胀是一种反引力。但是这种论点认为，由于引力是负能量，所以这种反引力肯定代表正能量。爱因斯坦的理论认为，物质只不过是冻结的能量，因此，所有恒星及星系在这种膨胀瞬间都因为其固有的能量而出现塌缩。 宇宙膨胀问题已经让天文学家们着迷了17年之久。它会形成一个在扩张和崩溃之间实现临界平衡的宇宙吗?或者会形成一个具有“负曲线”和无限未来的宇宙吗?马丁·里斯教授说：“这正是林德以及霍金和图罗克试图要弄明白的问题。他们都在想方设法得出不同的膨胀结果，使我们能够推导出最终统一的但是拥有负曲线的宇宙。霍金一图罗克论文中的新东西将证明，你也能够更自然地做到这一点。”
霍金提出的新论点，意味着哲学家现在不得不考虑时间有始无终的问题。这可能是更令人头痛的问题。
马丁·里斯教授说：“林德对他所称的永恒膨胀笃信不疑。一旦某个宇宙运转起来，它就会持续膨胀，并不断滋生新的大爆炸。林德提出的反对意见之一是，他认为霍金所说的起源大爆炸根本就不存在。如果发生一次大爆炸，那么就会引发无数次大爆炸。如果是这种情况的话，霍金所关心的初始条件就会消失在比我们所能料想到的更深的宇宙史迷雾中。”
──选自《大家知识随笔》，李绍明译，中国文学出版社2000年版
【《宇宙的边疆》后半部分】
跟许多其他的发现一样，人类发现了地球是一个小星球。那是在古代的近东地区，在被一些人称为公元前3世纪的时代，在当时的城市──埃及的亚历山大发现的。在这个城市里住着一个名叫埃拉托斯尼的人，当时一个最羡慕他的人称他“贝塔(β)”──希腊文的第二个字母。这是因为，他说埃拉托斯尼是世界上第一个无所不知的人。但是埃拉托斯尼显然几乎在所有的领域里都是“阿尔法(α)”(希腊文的第一个字母)。他是一个天文学家、历史学家、地理学家、哲学家、诗人、戏剧批评家和数学家。他的著作从《天文学》到《痛解论》，样样都有。他还是亚历山大市图书馆的馆长。有一天，他从该馆的一本手抄本里读到下面一段话：在南部边疆西因前哨靠近尼罗河第一大瀑布的地方，在6月21日正午，直立的长竿在地面上没有投下阴影。在夏至那天──一年当中白昼最长的一天，接近中午的时候，圣堂圆柱的阴影越来越短，最后在正午消失掉。这时太阳从头顶上直射下来，在一口深井的井水里可以看到太阳的倒影。
上述的观察是很容易为人们所忽略的。长竿、阴影、井里的倒影、太阳的位置──日常生活中这样简单的事情有什么重要的意义呢?但埃拉托斯尼是一个科学家，他当即想到做一个实验，实地观察一下亚历山大的直立长竿是否在6月21日正午会在地面上投下阴影。结果他们的实验证实：长竿在地面上投下了阴影。
埃拉托斯尼自我思忖：为什么在西因的长竿不投下阴影，而同一时刻在北边的亚历山大的长竿却投下明显的阴影呢?假设在一幅古埃及的地图上有两根等长的垂竿，一根直立在亚历山大，另一根直立在西因。假定在某一个特定的时刻两根长竿都没有在地面上投下阴影，这一点很容易理解──只要地球是扁平的。这时候，太阳在头顶上直射。如果两根长竿在地面上投下等长的阴影的话，在扁平的地球上也说得通：这个时候太阳光线以同样的角度斜射在这两根长竿上。但是在同一时刻，在西因没有阴影，而在亚历山大却有明显的阴影，这究竟是怎么一回事呢?
埃拉托斯尼的工具是长竿、眼睛、脚和头脑，再加上对实验的兴趣。凭着这些东西，他推断出地球的圆周长度，误差只有百分之几，这在2200年前是一个非凡的成就。他是第一个精确地测量出一个行星的大小的人。 他认为可能的答案是：地球的表面是弧形的，而且弧度越大，阴影长度的差别就越大。因为太阳离我们如此之远，所以阳光照射到地球的时候是平行的。长竿与太阳光线的夹角不同，它们在地面上投下阴影的长度也就不同。就投在地面上的阴影长度的差别而言，亚历山大和西因之间的距离必定是它们在地面上的偏差角──约7度。也就是说，假如将长竿插入地心，它们就会在那里相交成7度角。7度相当于整个地球圆周360度的1/50。埃拉托斯尼知道亚历山大和西因之间的距离约800公里，因为他雇人步测过。800公里乘50等于4万公里：这就是地球的圆周长度如果改用英里作量度单位，亚历山大和西因之间的距离约等于500英里，那么地球周长即为：500英里×50=25000英里。
根据亚历山大城阴影的长度，可以测出角A的度数。根据简单的几何公式(“两平行直线被第三条直线所截，内错角相等”)，角B等于角A。于是，在测出亚历山大城阴影的长度后，埃拉托尼推算出亚历山大城和西因城在地球表面的距离(偏差角──译注)是：∠A=∠B=7°这个答案是正确的。 那时的地中海以航海业驰名，亚历山大是当时我们这颗行星上的海港。当你知道地球是一个直径不太大的星球时，难道你不想出海去探索吗?难道你不想去探索那些未被发现的国土，甚至去做环球航行吗?比埃拉托斯尼早400年的时候，一支腓尼基舰队受雇于埃及法老尼科，曾经环绕非洲一周。他们从红海起航(很可能是乘没有甲板的敞口船)，顺着非洲东岸南下，再从大西洋北上，最后从地中海返航。这次史诗般的旅程花了三年的时间，相当于现代“旅行者”号宇宙飞船从地球飞往土星所需的时间。
在埃拉托斯尼的发现之后，勇敢而好冒险的水手多次进行过伟大的航海尝试。他们的船只很小，他们的航海仪器很不完善，他们仅根据测程仪和罗盘推算船位，并且尽可能沿着海岸航行。在陌生的大海里，他们虽然能够通过一夜又一夜地观察星座与地平线的相对位置来测定船只的纬度，但却不能够测定船只的经度。熟悉的星座对在陌生大海里的人一定是一个极大的安慰。星星是探索者的朋友，在当时就是地球远洋航船的朋友，而现在则是太空宇宙飞船的朋友。埃拉托斯尼算出地球的圆周长度之后，有些人可能尝试过环球航行，但是在麦哲伦以前，没有人获得成功。勇敢和冒险的故事在早期一定被说成是水手和航海家──世界上最讲究实际的人──拿他们的生命跟亚历山大的一个科学家的数字打赌!
在埃拉托斯尼时代，人们造出了地球仪，用以表示从空间看到的地球。这种地球仪在他们了如指掌的地中海地区基本上还是切合实际的，但是离开他们家乡越远，这种地球仪就变得越不符合实际。我们现在对宇宙的认识也难免遇到这种不愉快的情况。在第一世纪，亚历山大的地理学家斯特拉博写道：
那些试图环球航行的人，返回的时候并没有说他们曾经受到大陆的阻碍，因为大海始终是敞开的。他们之所以返回，是因为信心不足、缺乏粮食……埃拉托斯尼说过，如果广袤的大西洋不是一个障碍的话，我们可以很容易地通过海路从伊比利亚抵达印度……在温带完全有可能有一两个可居住的陆地……当然，如果(我们星球的另一部分)有人居住的话，住在那里的人跟我们是不同的，所以我们要把那里看成是另一个世界。 人类就是这样开始千方百计地探索其他世界的。
后来对地球的探索是全球性的，有到中国和波利尼西亚去的，也有从中国和波利尼西亚出发的。当然，克里斯托弗·哥伦布发现美洲及随后几个世纪的历程算是达到了*，因为到那个时候，从地理上探索地球的任务已告结束。哥伦布的第一次航行与埃拉托斯尼的计算最直接相关。哥伦布对自己的“印度群岛冒险计划”简直着了迷，他不打算顺着非洲海岸航行，然后向东驶抵日本、中国和印度，他决心闯入陌生的西部海洋──即像埃拉托斯尼所大胆预见的那样，“通过海路从伊比利亚抵达印度”。
哥伦布曾经是旧地图的行商，也是古代地理学家──其中包括埃拉托斯尼、斯特拉博和普图利米──的著作和关于他们的著作的热心读者。但是，为了推行“印度群岛冒险计划”，为了使船只和船员能够在长途航行中生存下来，地球必须比埃拉托斯尼所说的小，所以，哥伦布在计算的时候耍了个花招。正如萨拉罗卡大学的考察人员准确无误地指出的那样，从哥伦布能找到的所有书本上，他采用了最小的地球圆周长度和的亚洲东延范围，甚至还再加以夸大。假如哥伦布在旅途中没有遇到美洲的话，他的探险就会彻底失败。
现在地球已经经过彻底的探索，再也不可能发现什么新大陆或失落的土地。但是，过去我们用来探索并定居在地球最遥远的地区的技术，现在可以用来飞离我们这个行星，去进行宇宙探险，去发现其他星球的秘密。飞离地球使我们能够居高临下地对它进行观测，能够看到埃拉托斯尼测量出来的整个地球的球体及其大陆的轮廓，从而证实古代许多制图家有卓越的才华。埃拉托斯尼和亚历山大其他地理学家看到这些该会有多么高兴啊? 从某种意义上说，人类大约在公元前300年之后的600年时间里，在亚历山大这个城市开始了智力的冒险，这种冒险把我们引导到宇宙的海岸。但是，关于这个大理石般的光荣城市的形状以及人们的感觉，却没有任何记载可查，压制和惧怕已使人们几乎把古亚历山大遗忘得一干二净。它的居民形形色色，简直不可思议，既有马其顿和后来的罗马士兵、埃及的祭司、希腊的贵族、腓尼基的水手、犹太商人，也有来自印度和撒哈拉沙漠南部非洲的访问者。在亚历山大兴盛的大部分时期内，除了大量的奴隶以外，人们都和睦相处，互相尊重。 这座城市是亚历山大大帝创建并由他从前的一个侍卫建成的。亚历山大鼓励重视外来文化，提倡虚心求知。根据传说──这种传说是否真实无关宏旨──他是在红海中世界上第一个钟形潜水器里降生的。他鼓励他的将士们与波斯和印度的女子通婚，他尊重其他国家崇拜的神，他搜集异国的生物(包括替他的老师亚里士多德搜集的一头象)。为了把他的城市建成世界贸易、文化和知识的中心，他不惜工本。这座城市因为有以下这些名胜而光彩夺目：30米宽的林荫大道，优雅的建筑和雕像，亚历山大陵，还有那座大灯塔──古代世界七大奇迹之一。
然而，亚历山大的奇迹是它的图书馆及其附属的博物馆(实际上是一个纪念九位文艺女神的公共场所)。在这个传奇般的图书馆里，至今残存最多的是图书馆附属建筑“塞里皮恩”里的那个一度被人遗忘的阴湿的地下室。它的残物可能就是几个腐朽的书架，但是，这个地方曾经是我们这个行星上最伟大城市的智囊和荣誉，它是世界历第一个真正的科学研究所。该图书馆里的学者对整个宇宙进行了研究。“宇宙”(cosmos)这个词来自希腊语，意思是“天地万物，井然有序”，从某种意义上说，它是“混沌”(chaos)的反义词。它暗示了天地万物之间的相互联系，表明了人类对错综微妙的宇宙机制的敬畏。这是一个学者云集的地方，他们在这里研究物理学、文学、医学、天文学、地理学、哲学、数学、生物学和工程学。科学和学识发展了，天才在那里茁壮成长。亚历山大图书馆是我们人类最先系统而认真地搜集世界知识的地方。
除了埃拉托斯尼之外，还有天文学家希帕恰斯，他绘制了星座图并估算了恒星的亮度;欧几里得，他以卓越的才能将几何学进行系统的分类，并对正在费力地解一道数学难题的国王说：“通往几何学的道路中可没有为皇家铺设的康庄大道”;色雷斯的狄俄尼斯，他给词类作了定义，他对语言学的贡献，就像欧几里得对几何学的贡献一样;赫罗菲勒斯，生理学家，他确证智力活动的中心是在脑部而不是在心脏;亚历山大的赫伦，齿轮火车和蒸汽机的发明者，《自动装置》──第一本论述机器人的专著──的作者;佩尔加的阿波洛尼厄斯，数学家，他论证了圆锥曲线的各种形式之所以称为圆锥曲线是因为它们是以不同的角度从圆锥体上切割而成的，18个世纪之后，阿波洛尼厄斯论圆锥曲线的著作终于被约翰尼斯·开普勒首次用来理解行星的运动。──椭圆、抛物线和双曲线──(我们现在知道)这些曲线是行星、彗星和恒星的运行轨迹;阿基米德，列昂那多·达·芬奇之前最伟大的力学天才;还有天文学家和地理学家托勒密，他编著了我们今天称为假科学的星占学：他的地心说统治了1500年。这个事实说明智慧并不能保证不犯大错误。在那些伟大的男子之外，还有一位伟大的女性──海帕希尔，她是数学家和天文学家，是这所图书馆最后一个名人，她的殉难与该馆建成七个世纪后的毁灭有密切关系。关于这个故事，我们后面还会谈到。
在亚历山大大帝之后的那些统治埃及的希腊国王们很重视学问，在几个世纪的时间里，他们始终扶植科研工作，并在图书馆里为时代的精萃保持良好的工作环境。该馆有10个研究大楼──分别用于不同学科的研究，许多喷泉和柱廊，几个植物园，一个动物园，几个解剖室，一个天文台，还有一个大餐厅。闲暇的时候，人们在厅里讨论问题。
这个图书馆的心脏是它的藏书。图书管理员到处搜罗世界各国的文化和文字，他们派人到国外尽可能买进图书资料。停泊在亚历山大的商船受到警察的搜查──搜查的目标不是走私货，而是图书。他们借来古书卷，誊抄之后再还给主人。虽然该馆的精确藏书数难以估计，但是收藏50万卷是完全可能的，而且全部都是纸莎草纸的手抄本。这些书都到哪里去了呢?创造这些书卷的古典文明崩溃了，连图书馆也被蓄意摧毁了。只有一小部分作品幸存下来，剩下的就是一些可怜的零零星星的碎片。这些可望而不可即的残片是多么令人心焦啊!例如，我们知道这个图书馆的书架上有一本萨摩斯天文学家阿里斯塔恰斯的著作，他论证说地球是行星之一，也是绕太阳运转的，他还论证说恒星离我们极为遥远。这些结论都是完全正确的，但是我们却等到将近2000年后才重新发现这些真理。我们对阿里斯塔恰斯这本著作损失的认识要提高10万倍，才能理解古典文明的伟大成就及其毁灭的悲剧性。
我们今天的科学已经远远地超过了古代科学，但是我们对历史的认识还存在着不可弥补的缺陷。试想一想，多少历的谜只要用亚历山大图书馆的一张借书证就可以得到解答。我们知道有一套三卷的世界史现在丢失了，作者是一个名叫彼罗萨斯的巴比伦祭司。该书第一卷论述从“创世”到“大洪水”时期，他认为这个时期是43、2万年，也就是说比《旧约全书》的年代纪还要长100倍。我很想知道书里到底写了些什么。
古人懂得宇宙的历史已经很长了，他们试图了解它的遥远的过去。我们现在知道宇宙远比我们所想像的要古老得多，我们已经考察了宇宙空间，知道我们住在一个模糊星系的最遥远的角落里，住在一粒环绕着一颗平凡的恒星的尘埃上。如果我们是无限的空间里的一小点的话，我们在无限的时间里也占据了一瞬间。我们现在知道我们的宇宙──或者至少它的最近的化身──大约有150亿年或200亿年的历史了。这就是所谓的“大爆炸”以来的时间。在宇宙的开初是不存在星系、恒星或行星的。也没有生命或文明。当时的宇宙只不过是一个充满整个太空的均匀的辐射火球。从大爆炸时的混沌过渡到我们现在开始认识的宇宙，是我们有幸瞥见的物质和能量的最可怕的转化。在我们发现其他更聪明的智能生物之前，我们现在的人类就是最引人注目的转化结果──大爆炸的远代子孙。我们的使命是了解并进一步转化诞生我们的宇宙。
──选自《宇宙》，周秋麟、吴依俤等译，李元校，吉林人民出版社1998年版
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