《宇宙的未来》习题

《宇宙的未来》习题一、选择题阅读下面的文字，完成（1）～（3）题。 宇宙的起源 　　詹姆·哈特尔和我发现宇宙自发创生的图景有一点像泡泡在沸腾的水中形成。其思想是，宇宙最可能的历史像是泡泡的表面。许多小泡泡出现，然后再消失。这些对应于微小的宇宙，它们膨胀，但在仍然处于微观尺度时再次坍缩。它们是另外可能的宇宙，由于不能维持足够长的时间，来不及发展星系和恒星，更不用说智慧生命了，所以我们对它们没有多大兴趣。然而，这些小泡泡中的一些会膨胀到一定的尺度，到那时就可以安全地逃避坍缩。它们会继续以不断增大的速率膨胀，形成我们看到的泡泡。它们对应于开始以不断增加的速率膨胀的宇宙。这就是所谓的暴胀，正如每年的价格上涨一样。 　　通货膨胀的世界纪录应归一战以后的德国。在18个月期间价格膨胀了一千万倍。但是，它和早期宇宙中的暴胀相比实在微不足道。宇宙在比一秒还微小得多的时间内膨胀了10的30次方倍。和通货膨胀不同，早期宇宙的暴胀是非常好的事情。它产生了一个非常巨大的均匀的宇宙，正如我们观察到的。然而，它不是完全均匀的。在对历史求和中，稍微具有无规性的历史和完全均匀和规则历史的概率几乎相同。因此，理论预言早期宇宙很可能是稍微不均匀的。这些无规性在从不同方向来的微波背景强度上引起小的变化。利用MAP（微波各向异性）卫星已经观察到微波背景，发现了和预言完全一致的变化。这样，我们知道自己正在正确的道路上前进。 　　早期宇宙中的无规性，意味着在有些区域的密度，比其他地方的稍高。这些额外密度的引力吸引使这个区域的膨胀减缓，而且最终能够使这些区域坍缩形成星系和恒星。请仔细看这张微波天图（略）。它是宇宙中一切结构的蓝图。我们是极早期宇宙的量子起伏的产物。上帝的确在掷骰子。 　　在过去的百年间，我们在宇宙学方面取得了惊人的进步。广义相对论和宇宙膨胀的发现，粉碎了永远存在并将永远继续存在的宇宙的古老图像。取而代之，广义相对论预言，宇宙和时间本身都在大爆炸处起始。它还预言时间在黑洞里终结。宇宙微波背景的发现，以及黑洞的观测，支持这些结论。这是我们的宇宙图像和实在本身的一个深刻的改变。  　　虽然广义相对论预言了宇宙来自于过去一个高曲率的时期，但它不能预言宇宙如何从大爆炸形成。这样，广义相对论自身不能回答宇宙学的核心问题，为何宇宙如此这般；然而，如果广义相对论和量子论相合并，就可能预言宇宙是如何起始的。它开始以不断增大的速率膨胀。这两个理论的结合预言，在这个称作暴胀的时期，微小的起伏会发展，导致星系、恒星以及宇宙中所有其他结构的形成。对宇宙微波背景中的小的非均匀性的观测，完全证实了预言的性质。这样，我们似乎正朝着理解宇宙起源的正确方向前进，尽管还有许多工作要做。当我们通过精密测量空间航空器之间的距离，进而能够检测到引力波的时候，就会打开极早期宇宙的新窗口。引力波从最早的时刻自由地向我们传播，所有介入的物质都无法阻碍它。与此相比较，自由电子多次地散射光。这种散射一直进行到30万年后电子被凝结之前。 　　尽管我们已经取得了一些伟大成功，但并非一切都已解决。我们观察到，宇宙的膨胀在长期的变缓之后，再次加速。对此理论还不能理解清楚。缺乏这种理解，对宇宙的未来还无法确定。它会继续地无限地膨胀下去吗？暴胀是一个自然定律吗？或者宇宙最终会再次坍缩吗？新的观测结果、进步的理论正迅速涌来。宇宙学是一个非常激动人心和活跃的学科。我们正接近回答这些古老的问题：我们为何在此？我们从何而来？ （选自2006年《霍金在人民大会堂的演讲》）1. 从原文看，下列对“宇宙自发创生的图景”相关内容的说明正确的一项是（　　）A. 广义相对论和宇宙膨胀的发现，粉碎了永远存在并将永远继续存在的宇宙的古老图像，因为宇宙和时间本身都在大爆炸处起始。B. 宇宙自发创生的图景是由“我”（霍金）与詹姆·哈特尔发现的，这一理论完全可以回答从何处来、因何在此的问题。C. 微小的宇宙的膨胀，在由于仍然处于微观尺度时再次坍缩。只有当膨胀到一定的尺度，才可以安全地逃避坍缩，并且以不断增大的速率膨胀，形成早期宇宙中的暴胀，进而形成星系和恒星。D. 宇宙学是一个非常激动人心和活跃的学科。我们正接近回答这些古老的问题：我们为何在此？我们从何而来？2. 下列表述，不符合原文意思的一项是（　　）A. 宇宙在比一秒还微小得多的时间里膨胀了10的30次方倍，产生了一个非常巨大的均匀的宇宙，因此，早期宇宙的暴胀是非常好的事情。B. 利用MAP（微波各向异性）卫星观察到微波背景，发现了与早期宇宙可能是稍微不均匀的预言完全一致的变化。C. 科学家观察到，宇宙的膨胀在长期的变缓之后，再次加速。但对此运用广义相对论理论已经可以解释其内在的成因。 D. 早期宇宙的无规性，使得某些区域的密度增高，同时又使得这个区域的膨胀减缓，而且最终能够使这些区域坍缩形成星系和恒星。3. 依据原文的信息，下列推断正确的一项是（　　）A. 早期宇宙的膨胀与第一次世界大战的德国的通货膨胀一样，在18个月里居然膨胀了一千万倍，令人惊异。B. 广义相对论预言宇宙来自于过去一个高曲率的时期，但它不能预言宇宙如何从大爆炸形成，其自身也不能回答宇宙学的核心问题。C. 广义相对论预言宇宙和时间本身都在大爆炸处起始，时间也将在黑洞里终结，而宇宙微波背景的发现，以及黑洞的观测，却没有支持这些结论。D. 新的宇宙理论对宇宙的未来、宇宙的无限膨胀、暴胀的自然性、宇宙的再次坍缩都有了一个明确的答复。二、现代文阅读4.   阅读下面的文字，完成（1）～（5）题。 　　①即便我们知道了制约宇宙的有关定律，我们仍然不能利用它们去预言遥远的未来。这是因为物理方程的解会呈现出一种称作混沌的性质。这表明方程可能是不稳定的：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。例如，如果你稍微改变一下你旋转轮赌盘的方式，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。 　　②在不稳定或混沌的系统中，一般地存在一个时间尺度，初始状态下的小改变在这个时间尺度将增长到两倍。在地球大气的情形下，这个时间尺度是五天的数量级，大约为空气绕地球吹一圈的时间。人们可以在五天之内作相当准确的天气预报，但是要做更长远得多的天气预报，就既需要大气现状的准确知识，又需要一种不可逾越的复杂计算。我们除了给出季度平均值以外，没有办法对六个月以后作具体的天气预报。 　　③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太多了。 　　④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。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) 第①段中画横线的句子是为了说明一个什么问题？(2) “在一段时间之后，就不可能预言运动的细节”在第②段中具体指什么？(3) 第③段中为什么说“但是制约大脑的方程几乎肯定具有混沌行为”？(4) 第④段中画横线的句子“我们能相当地肯定……引起在十几亿年后发生这种碰撞”，说明了什么道理？(5) 上文哪些事例说明了某些系统或方程具有混沌行为？【答案】 一、客观题1.  C       2.  C       3.  B       二、主观题4.  （1）.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。（2）人们很难准确作出比五天更长远的天气预报。（3）因为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。（4）随着时间的流逝，任何预言误差将越来越大。（5）①轮赌盘的旋转方式（物理方程的解）；②五天后的天气预报；③制约大脑的方程（制约人类行为的方程）；④绕太阳公转的行星的运动。       【解析】1—3.  （1）A项是说广义相对论的作用，但不是“宇宙自发创生的图景”；另外，因果关系不对。B项，宇宙自发创生图景不是霍金与詹姆·哈特尔发现的，他们两个人只是发现自发创生图景像泡泡在水中形成。D项讲宇宙学的前景，答非所问。（2）原文是说“宇宙的膨胀在长期的变缓之后，再次加速。对此理论还不能理解清楚”，而C项则故意曲解文意，而且是无中生有，因为文中没有用“广义理论”解释的信息，把将来可能的事情误认为是现在可以办到的，混淆了“未然”与“已然”的界限。（3）A项的推断是错误的，因为原文说“它和早期宇宙中的暴胀相比实在微不足道”；C项对广义相对论的作用作了与原文相反的界定；D项，有关宇宙膨胀、暴胀、再次坍缩等问题，目前理论并没有作出明确的回答，因此D项也是错误的。4.  略