【文摘】在科学的局限之外 ——​采访张首晟(一)

作者 宁子

在科学的局限之外

采访张首晟

宁子

7月21日凌晨,张首晟及其团队在美国科学杂志上发表了一项重大发现:在整个物理学界历经80年的探索之后,他们终于发现了手性Majorana费米子的存在。这一发现,验证了由意大利理论物理学家Ettore Majorana在80年前提出的预测——存在一类没有反粒子的粒子。同时也证明了存在一种比量子还小的单位,这将对现在的量子理论带来巨大的改变。张首晟将这一新发现称为“天使粒子”。普通群众可能暂时难以理解这一发现,但是对基础物理界来说,这或将开启一个新的时代。——来源:凤凰科技
当我和张首晟一起在斯坦福校园散步的时候,当我和他坐在书房谈论科学与信仰的时候,我的心中充满了惊喜,我终于看见了一个不曾以理智对抗上帝的学者!他超越了理性,他因此而超越了许多与他站在同一起跑线上的人。我相信一些人的推测:他是一个离诺贝尔奖很近的物理学家。但这条道路的起点却始于童年,始于上海,始于一幢堆藏着旧书的阁楼,始于阁楼中那随着每一点钟的太阳移动的思想……——宁子
球

我已经祈祷了好久。

我一直在寻找一个合适的自然科学工作者的信仰见证。我相信,在更高的层次上,科学与信仰是不对抗的,因为真理的法则具有普遍性和统一性,这是真理的尊严,这尊严足以令我相信它有力量贯穿于一切事物之中,并且,使一切事物在统一的法则之下产生秩序和关联。所以,当一位美国学者用物理学定律来解释伦理学法则时,我一点也不觉得惊奇。“整体大于局部”,“作用与反作用相等”,“轻可举重”,“光速不变”等等物理学定律既描写了自然事实,又包含了自然事实背后更宽延的概念—法则超越了领域,宽延为一个更大范畴的精类比,自然既充满了诗意,又充满了逻辑,而这两者又交织为千变万化的形式,最终却在精神上还原为一。

自然法则背后这种既简单、统一,又可宽延的精神推动了人类智能,它暗示了创造的奥秘。当智能接受了自然的“天启”,智能就获得了更大潜力,于是,它就从局部被推向整体,从特殊被推向普遍。于是,它就有能力阅读自然这本大书—每一页都充满了惊奇,四处都潜伏着真理,连落叶都包含着尊严。

自然法则背后的这种可宽延精神对学者智能的推动就象月球推动了潮汐——当大海的潜能与月球吸引力遥相呼应的时候,潜能就形成了力量,形成了美,于是,就见证了法则,于是,就分享了真理。

如果没有一个更高的智能同时作用于自然法则和人类心灵,这一切真是令人难以置信!

所以,我不相信宇宙间没有上帝,我不相信自然法则会支持理性对抗“天启”,我不相信自然法则只包含逻辑而不包含情感,我不相信一个认定宇宙只是来自一次偶然碰撞的人可以合理地使用他的智能,我不相信一个只知道读实验数据的学者可以仅仅依凭数据发现法则—即使他的理论符合他的实验数据,我也不相信他真正看到了数据背后的意义。

我相信大自然的见证:它已经以数不清的形式向我们转达了创造的逻辑和情感,它已经向我们显明:自然是上帝的作品。
所以,当新世纪的曙光和两千年前的黎明一样灿烂地从东方地平在线升起的时候,我不由得想到了一项我未完成的使命——我想提供一个自然科学工作者对上帝的见。

上帝垂听了我的祈祷,他拣选了一个适合为他作见证的人:他叫张首晟,史坦福大学物理系年轻的终生教授,一个走在现代物理学研究前沿的学者。

张首晟

他接受了我的采访。

当我和张首晟一起在史坦福校园里散步的时候,当我和他一起坐在书房里谈论科学与信仰的时候,我的心中充满了惊喜——我终于看见了一个不曾以理智对抗上帝的学者!

他有极高的智能,我想,也许正因为如此,他才没有在较低层次上对抗“天启”。他撇开了理智与现象的纠缠,直接进入本质,于是,自然法则的美和逻辑就征服了他的理性。于是,法则推动了智能,他超越了理性,他因此而超越了许多与他站在同一起跑在线的人。我相信一些人的推测:他是一个离诺贝尔奖很近的物理学家。但这条道路的起点却始于童年,始于上海,始于一个不能够读书的时代,始于一幢堆藏着旧书的阁楼,始于阁楼中那随着每一点钟的太阳移动的思考,我不相信这一切都是出于偶然。我不相信他在阁楼上掸去灰尘的时刻会没有意义。所以,当我要提供他的信仰见证的时候,我不能不从他童年的阁楼开始┅┅

阁楼里的光辉
在那光辉里他对科学作出了终生选择。

阁楼是他童年和少年的世界。那世界充满了思想,充满了美,充满了奥秘和惊奇。在阁楼里,他接触了西方世界许多最伟大的哲学家,科学家,和文学艺术家:柏拉图,康德,黑格尔;迦利略,牛顿,爱因斯坦;歌德,海涅,以及瓦格那┅┅这些伟大的灵魂把阁楼变成了思想的天堂,连尘埃都放射着光辉,他不能够想象这世界还可以有什么比阁楼更有意思的地方。他一有空就钻进阁楼。他不喜欢外面的世界。外面的世界太狭窄,太混乱,太黑暗,什么都看不清楚,往哪儿走都会迷失方向。只有回到阁楼里,他才捕捉得到理智的亮光,于是,一切都清晰起来—他看见了秩序,看见了意义,看见了美,那是一个集合了的整体,却以不同的方式进入了自然,并且经由自然进入了哲学,科学,以及文学艺术之中。

当然,那时候他对自然与哲学,自然与科学,自然与文学艺术的这种神秘关联还不可能有十分理智的看见,他只是懵懂地感受到一些令他惊奇的东西——在那些吸引他的形式背后,他发现了一种美,那美似乎包含着普遍的法则和规律。

他读很多书。起初,没有特别的偏爱,东西方文学艺术,哲学,科学他都有所涉猎,渐渐却发现德国文化对他具有更大吸引力。

德国文化受柏拉图哲学的影响,因而整体性地放射出一种理想主义的光辉,这光辉似乎既包含了东方,又包含了西方。

东方哲学喜欢带着主观无限的倾向感悟自然,因此,东方文化往往因偏执于主观而失去了客观;而西方理性比较容易注意到人类认知的局限,因而喜欢界限,但在界限之中却往往因偏执于客观而失去了主观。

而德国的理想主义却在一个更高层次上将主客观融合,于是,德国文化就整体性地表现出在一个很大框架下系统性和创造性的统一。这是德国的力量。这力量决定了德国对世界的影响。所以,德国诞生了康德,黑格尔,马丁路德;所以,德国诞生了爱因斯坦,海森堡,哥代尔;所以,德国诞生了歌德;所以,德国诞生了韩德尔,巴赫,瓦格那┅┅当然,当德国要以她的力量制造人类苦难的时候,德国就诞生了希特勒以及纳粹党!

但当张首晟在阁楼里接触德国的时候,一种神秘的意志阻止了德国的阴影,甚至连马克思理想主义的局限都没有能够和张首晟靠近。他只接受了德国智慧的光芒——那光芒照射了他的理性,于是,他就看到现象背后还有现象;那光芒照射了他的情感,于是,他就感受到愿望深处还有愿望。所以,从童年到少年的阁楼起,张首晟就不能满足于较低层次的现象,他始终寻求着现象背后的意义。这种精神深处对法则和意义的渴望在张首晟后来一生的科学研究中始终是一个潜在的祝福。

我不相信德国的力量作用于童年的张首晟是个偶然。我相信,在张首晟选择德国之先,一个在他意志之上的意志已经为他选择了这一生的路程。阁楼,以及阁楼里的光辉只是把他引向那路程的起点。在阁楼里,他拥抱了比外面更广阔的世界。

康德

在德国哲学家中,他受康德,黑格尔影响最深。

康德哲学徘徊着一种无法衡量的穿透力。康德以先的哲学家在对世界的认识上一般都倾向于两个极端:理性主义认为,这世界正如我们的理性所认识到的;而经验主义则认为,这世界正如我们感官所感受到的。康德结束了这种对抗,他在更高层次上将主客观融合。康德认为,客观事物在我们认识到它的时候,已经受到了认识主体的框架,所以,我们所观察到的事物已经不是事物本身。换言之,“事物本身”和“我眼中的事物”是不一样的。康德的这个思想后来在现代科学研究中获得了印证:观察者会改变被观察物。当然,这并不意味着康德已经为人类的认知提供了最高准则。

黑格尔

康德之后,德国出现了黑格尔。黑格尔虽是个具有浪漫主义倾向的哲学家,但较之于康德的主观唯心主义倾向,黑格尔更重视客观。黑格尔提出了“命题+反命题=综合命题”的公式。这个公式提出了另一套认知准则—如果说康德对事物整体性的认识是经由了主客观的融合,那么,黑格尔对事物整体性的把握则经由了正反面的统一。

伽利略

康德和黑格尔的不同侧重给张首晟提供了一个更大空间,这个空间允许他架构一套更大的认知框架,这个框架既包含了客观,又包含了主观;既包含了正面,又包含了反面。这个框架对张首晟成年后的人生,特别对他的科学实验—他对现象的观察,对数据的解释,以及在此基础上他所提出的科学理论都产生了不可衡量的影响。

我相信,阁楼里的哲学决定了张首晟日后科学研究的较高起点。当然,哲学的贡献并不能代替科学本身。在接触到德国哲学的同时,张首晟毫无疑问地又接触了德国的科学。

现代科学始于欧洲的文艺复兴时期。这是一个理性觉醒的时期——人的尊严和价值获得了肯定,因此,人的理智能力也获得了信任。人们开始相信,人可以凭借理性能力重新去把握对世界的认识。

这种信念一方面使教皇的传统权威受到了挑战,另一方面则使科学精神受到了鼓励,一大批开科学先河的人物自这一时期起相继涌现,其中对现代科学作出最伟大贡献的人物是德国科学家伽利略 。

伽利略发现了地球的自转。这个发现与罗马教廷的传统信念产生了冲突,教皇的权威因此受到威胁,于是,教皇滥用他的权力加罪于伽利略。但伽利略被定罪后,地球依然自转着!

自然法则以它独立的意志捍卫了真理的尊严。这尊严在时间里胜过了偏见——真理战胜了权威。这真理的尊严令张首晟心动。他发现有一个比人的意志更高的意志,那意志主宰着自然法则,在那意志之下,真理才具有了永恒的性质,因为那意志永不改变。而最容易接近那意志的地方就是自然;而最容易使人类智能与自然法则产生逻辑关联的地方就是科学。因此,在阁楼里他对自然科学作出了终生选择。
自然科学的基础是物理学。二十世纪的基本物理学是从德国开始的。因此,当张首晟对自然科学作出选择的时候,他理所当然地选择了物理,选择了德国。

在阁楼里,德国其实离他并不遥远。阁楼里四处都放射着德国思想的光辉——德国文化是一个集合了的整体,这整体又个别地进入了歌德,康德,黑格尔,伽利略,爱因斯坦┅┅所以,他读谁都可以看到那个整体的特色,那就是在一个极大框架之下系统性和创造性的统一。

走出阁楼之后

    当那光辉更璀璨的时候,他才看见了科学的局限。

1978年,“读书无用”的时代结束了。张首晟刚刚初中毕业就以遥遥领先的考分破格考上了复旦大学物理系。这一年他十五岁。

他走出了阁楼。从此,他进入了更加成熟的思想。

十五岁前,当他在阁楼里对自然科学作出终生选择的时候,他以为这一选择意味着他正在步向永恒的真理—他相信凭借着人的智能,凭借着日趋进步的实验条件,总有一天他可以达到对自然以及真理的完全认识。

“We must know,we will know.”

(我们必须知道,我们将要知道。)

这是刻在德国数学家希尔伯特墓碑上的名言,这也是他对世人的遗嘱。

尽管十五岁前的张首晟还没有读到这位德国数学家的铭文,他走出阁楼三年之后才读到了上述文字,但十五岁前的张首晟对科学却有着与这位德国数学家完全相同的信念。其实这个对科学有着无与伦比的信念的德国数学家一生虽然解决了许多数学家无法解答的疑问,但最后还是把他解答不出的二十三个数学问题留给了后人—当张首晟了解了这一点的时候,他已经到达了德国,并且,早已超越了这个思想的局限。

张首晟对科学的绝对信任主要是来伽利略的影响。

伽利略对现代科学的最大贡献并不是发现了地球的自转,而是发现了现代科学的研究方法。

伽利略认为一切知识来自于实验,而不是来自于人的主观思想。他相信只要有足够的时间,足够精确的实验仪器,人类就可以测量自然界的一切,了解自然界的一切。

伽利略的这个思想推动了现代科学的发展。伽利略对实验手段的信任也成了现代科学家的信念。

这个信念对十五岁前的张首晟来说是勿庸置疑的。

张首晟相信他想要知道的东西通过实验手段最终总能获得。

可是,当他真正进入了现代科学研究,当他真正开始用实验方法来观察自然的时候,他才发现伽利略的科学观包含着多么大的盲点!

伽利略以纯粹的客观为现代科学作出了界定,但伽利略却没有看到界定之中的局限,他把实验手段无限化了,这个局限决定了伽利略的科学信念最终要被科学实验本身来推翻。

首先让张首晟看见这一点的是物理学上的“测不准原理”。

张首晟看到在物理学中,位置与速度是物质的最基本性质。科学家要描写物质的这种基本性质必须依靠实验手段,但现代科学却证明观察物对被观察物有着毋庸置疑的影响,这影响使得被观察物在实验过程中无可避免地被改变了。科学家不得不承认一个事实:当他们以实验手段测量物质的位置与速度的时候,测量过程一定有误差,这误差使得他们根本无法准确地了解物质的真正位置和速度。

伽利略认为,科学实验手段会一直进步,实验误差会越来越小,这样,测试者最终就可以逼进物体的真正位置。而张首晟进入物理学研究后才注意到,伽利略的这个观点在宏观世界中或许是正确的,在原子世界的研究中却被证明是错误的。

伽利略没有看到一个基本事实:测量过程会改变物质本身。

这种改变在宏观世界中也许微不足道,但在微观世界中却十分明显。

例如:当科学家要测量基本粒子的位置的时候,就要用到显微镜,显微镜需要光源,但是,当光源作用于基本粒子的时候,虽然基本粒子的位置可以看清许多,但是它的速度却被改变了,测不准了。

原子物理中的量子力学发现:测量位置与速度的误差始终大于一个常数。

这就意味着,物理学家永远无法同时了解物质的位置和速度,不是今天不可能,明天不可能,而是永远不可能。

物理学上的这一“测不准原理”令张首晟十分震惊——科学对物质最基本性质的描写竟存在着永远无法改变的局限。

物理学上的这一“测不准原理”从根本上推翻了伽利略“实验能够了解自然界一切”的观念。

张首晟清楚地意识到,测量物质的位置与速度是一个科学问题,但却不能通过科学实验来回答。

这就是伟大的爱因斯坦至死都无法超越的痛苦。

后来,当张首晟在科学上向更广阔的领域延伸的时候,他发现科学的不完备性不但在实验科学中,在非实验性的科学中,甚至在最严密的数学领域中,这种不完备性也无法避免。

多年之后,他在一篇探讨科学与信仰之关系的文章中对数学的这种不完备性作了如下描写:

“数学是建立在一些公理上的。

从这些公理出发,数学家可以推导出许多定理,从而构成数学的结构。判断数学的正确不需要实验,但需要证明数学的结构没有自相矛盾的定理。

数学家们相信:任何公理系统里的命题,最终都能够被证明是正确的还是错误的。

但是,这个两千多年来的科学信念也是错误的。

二十世纪三十年代,德国数学家哥代尔证明:在任何数学公理系统中,都存在着一些数学命题是无法被判断是正确还是错误的。

哥代尔的证明十分深奥,但是他的原理可以用一个简单的例子来说明:

一个村里有个理发师,他说:“我要给这村里所有自己不理发的人理发。”

当这句话用于他人时,有很简单的答案。但是,用于理发师自己的时候,就产生了自相矛盾:如果我们假定理发师给自己理发,那么,得出的结论必然是:“他不该给自己理发。”

如果我们假定理发师不给自己理发,那么得出的结论必然是:“他应该给自己理发。”

所以,理发师是否要给自己理发的命题是个自相矛盾的命题。

在最严格,最精确的数学语言中竟也包含着如此严重的自相矛盾性!科学以及人类的智能竟存在着这么无可否认的局限!这个看见根本地改变了张首晟的世界观。

“测不准原理”告诉他:测量物质的位置与速度,误差永远大于一个常数。不是因为今天的科学仪器不够精确,而是永远无法精确。同样,哥代尔数学定理也告诉他:数学中的一些命题不能被证明或证否,并非是今天的数学知识不够,而是永远不可能被证明或证否。

科学本身包含着它不可能在将来改变的永恒局限!

但他已经对科学作出了终生选择!他对这选择终生不悔。他相信科学的不完备性并不减少科学本身的意义。他认为人类始终在追求高一层次的统一和完备,科学的不完备性恰恰可以作为那更高层次追求的起点。
(待续……)

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