【文摘】论科学和信仰

作者: 张首晟
 (一)

科学实在有永恒的局限,有不能在将来而改变的局限,科学与信仰不但今天没有矛盾,将来也永远不会有矛盾。

人类发展千古至今,科学与信仰的问题一直是一个重大的课题。宗教信仰超自然的存在,而科学研究的是自然界的客观规律。这两者的关系到底如何,是一个信徒关心的问题,也是许多科学家朋友走进信仰之门的必经之路。目前的科学与技术飞速发展,更使我们有必要深思现代科学与信仰问题的关系。

现代科学起始于文艺复兴的欧洲。当时发生了一件科学与宗教冲突的重大案子,每次论及科学与信仰的问题时往往会提起这个案子。科学家伽利略通过许多科学实验证明地球的自转。但是罗马教皇声称地球是宇宙的中心,有永恒不变的地位。教皇滥用他的权力,加罪于伽利略。但是伽利略在教廷读完了他的审判之后,仍然不屈地说道:“它(地球)依然在转着。”

四百年后的今天,历史已毫无疑问地证实了伽利略是正确的。罗马教廷也正式向伽利略道歉。但是这一案子引出一个令人深思的问题。教皇加罪于伽利略,当然很重要的原因是伽利略对教皇个人权威的威胁,但是,任何信仰必然形成一种世界观,一种来自于信仰对于自然界的一种观点。

虽然信仰本身是主观抽象的,来自于信仰的世界观,却与科学研究的问题有共同之处。当时罗马教廷的确认为地球是宇宙的中心,形成了与当时科学的冲突。

所以在我们深思科学与信仰的关系时,一定要回答几个重要的问题:什么是基督教的世界观?这世界观是否与科学知识有冲突,是否与未来的科学知识有冲突?基督教的世界观与别的宗教有何不同?

伽利略的对与错要了解信仰与现代科学的关系,我们首先要了解现代科学带来的知识。伽利略对科学最重大的贡献,并非是发现地球的自转,而是奠定了现代科学研究的方法。

伽利略认为一切知识来自于实验,而不是来自于人主观的思想。只要有足够的时间,有足够精确的实验仪器,我们可以测量一切,了解自然界的一切。

伽利略的观点带来科学飞速发展。但也深深地带来一个“信仰危机”。如果我们能用实验手段了解自然界的一切,为什么我们还需要信仰?伽利略在地球自转一事上的确是正确的,但是,他认为实验能测量自然界的一切,这项信念已被二十世纪的物理学证明是错误的。

(二)

如果我们要了解一个物体的位置,我们必须用实验手段去测量它。但是,测量的过程一定有误差,使我们无法了解物体真正的位置。

伽利略的观点认为我们的实验手段一直会进步,实验误差会越来越小,这样,我们可以渐渐地逼进物体的真正位置。这一观点在宏观世界中似乎是正确的,但是对原子世界的研究被证明是错误的。因为我们测量的过程会改变物质本身。这种改变在宏观世界中是微不足道的,但在微观世界却很明显。

例如,我们要测量物体的位置,我们可以用显微镜;但显微镜一定要用光源。当光源作用在物体上时,虽然物体的位置可以看清许多,但是它的速度却改变了,测不准了。

原子物理中的量子力学发现:不论用多么精确的实验仪器,测量物质的位置与速度的误差,始终大于一个常数。也就是说,我们永远无法同时了解物质的位置与速度,不是今天不可能,明天不可能,而是永远不可能。

在物理学中,位置与速度是描写物质的最基本性质。所以这一“测不准原理”是十分令人震惊的。伟大的物理学家爱因斯坦临死都为此深感痛苦。这一原理从根本上限制了伽利略“实验能够了解自然界一切”的信念。测量物质的位置与速度是一个科学问题,但却不能通过实验来回答。

理发师的数学命题物理学中有这样的不完备性,数学中也有这样的不完备性。数学是建立在一些公理上的。从这些公理出发,可以推导出许多定理,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,任何公理系统的命题,最终能够被证明是正确还是错误的。但是,这个两千多年来的信念也是错误的。在三十年代,数学家哥代尔证明,在任何数学公理系统中,都存在一些数学命题是无法判断其正确性的。

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:一个村里有位理发师,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,却是矛盾的。

如果我们假定理发师给自己理发,得出的结论是:他不应该给自己理发。如果我们假定理发师不给自己理发,得出的结论是:他应该给自己理发。所以理发师是否要给自己理发的“命题”是一个自相矛盾的命题。

也许读者会觉得这不过是一个文字游戏,这矛盾来自于人类语言的不精确。但是,令人惊讶的是,在最严格、精确的数学语言中也有同样自相矛盾的问题。

以上的两个例子说明了什么呢?这两大发现根本改变了我们的世界观。

以前我们认为科学的知识、实验的手法一直可以无限地发展,今日的无知可以成为明日的可知。果真如此的话,虽然一方面我们可以证明今日的信仰是在科学之外的,是与今日科学无矛盾的;但是,当科学发展后,今日的信仰会成为明日的迷信,会形成信仰与科学的矛盾,使罗马教廷与伽利略的悲剧重演。

但以上的两个例子根本改变了我们对科学的观念。测不准原理告诉我们:测量物质的位置与速度,误差永远大于一个常数。并非是今日的仪器不够精确,而是永远无法精确。同样哥代尔的定理告诉我们:数学中一些命题不能证明或证否。

并非是我们今日的数学知识不够,而是永远不可能被证明或证否。这两个原理告诉我们,科学有永恒的局限,有不能在将来而改变的局限。

(三)

局限之外有无意义?这两个原理就是告诉了我们科学有永恒的局限。由于它们是科学的原理,它们当然不能告诉我们在这局限以外是什么。许多科学家认为,这局限之外的问题是毫无意义的。

但是人类始终追求高一层次的统一和完备。这两个原理本身不能告诉我们这高一层次的原理是什么,但是却能告诉我们这高一层的原理不但不会与今日的科学发生冲突,也不会与未来的科学发生冲突,因为这高一层的原理是建筑在科学永恒的局限之外的。

这高一层的原理是什么?我们可以看到,科学的成功,是由于主观与客观的分离。但是科学的最大局限,也是由于主观与客观的分离。“测不准原理”是由于观察者(主观)对被观察者(客观)的影响。同样当理发师把他的命题用于他人(客观)时,并无矛盾。当他把本用于他人(客观)的命题用于自己(主观)时,才发生矛盾。

所以我们可以理解,在科学的局限之外的,一定是主观与客观的统一。科学的发展,追求统一是最高的目标,过去人们认为物质与能量是两个不同的量,而爱因斯坦的公式E=MC2却把它们统一起来了。

爱因斯坦终生的梦想就是把宇宙所有的作用力统一起来。所以追求主观与客观的统一,虽然不一个科学问题,却是科学追求统一的理想的延伸。

什么叫做主观与客观的统一?当然这个问题的答案有一定的主观性。以下所谈,乃是笔者自己的感受。人类的最高追求,莫过于“真善美”三字。科学可以回答真与否之别,而唯有主观意念才能判断善与美。

追求这三者的统一,便是追求主观与客观的统一。爱因斯坦E=MC2这一公式是科学的真理,是可以用实验来判决的。但是,科学家们看到能量与物质的统一,看到宇宙之宏伟,却能被这样一个简洁的公式来描写,不禁拍案叫绝,看到这真理之美丽无穷。

这种感觉是主观的,是不能用实验来证实的。但是它却来自于科学,超之于科学,是主观与客观的统一,也是真与美的统一。

(四)

如果宇宙是无序无主的,很难想像会有如此简单的公式可以描写宇宙运动的规律。如果宇宙的存在毫无目的,为什么客观的真理会引起如此奇妙的主观美感。

基督教的圣经告诉我们:“太初有道,道与神同在,道就是神。”宇宙的存在与运动的规律乃是神创世之道,这道既是客观的真理,又是至美的主观感受,乃是因为神是真与美的统一,是主观与客观的统一,因为道就是神。

真带出美,美带出爱,爱带出善。神创世之道的简洁美丽,包罗万象,使我们深深相信神必爱他所创之宇宙,所创之人类,也使我们深信,神救世之道,也必像他创世之道一样的简单,一样的包罗万象,基督教的圣经告诉我们,神救世之道乃是“因信称义”四字。

人的得救,并非是靠行为,乃是靠信心,此道何等的简单,何等的包罗万象!神爱世人,要救一切世人,非这样包罗万象的救世之道不可!因为行为是有时代标准的,这标准是非永恒的,非每人所能及的,但是信心的标准是个人的,是永恒的,是人所能及的。

看神救世之道,正像神创世之道一样,简单而包罗万象,在创世之道中我们看出真与美的统一,在救世之道中我们看出善与美的统一。可见求神之道,正是我们所追求的主观与客观的高层统一,是真善美的结合,是科学追求的自然延伸。

所以我们看到科学与信仰不但今天没有矛盾,将来也永远不会有矛盾。科学有永恒的局限,永远被主观与客观的分离而限制。信仰是建筑在这一局限之上的原理,是主观与客观的统一。

在这高一层的原理中,我们可以看到真善美的统一神创世之道,与他救世之道一样,简洁美丽,包罗万象。追求科学局限之外的道理,本身并不是科学,却来自于科学而超之于科学。

作为一个科学家,观宇宙之宏伟,悟神创世之真道,见万象之包罗,念神爱世之伟心,醒失落之痛楚,谢神救世之至善,其乐无穷也!

是的,信仰是超于科学的选择,是每个人主观的选择,但这是何等奇妙美丽的选择!

| 本文转载自“OC海外校园” 微信公众号|

张首晟简介(转自维基百科)

张首晟祖籍江苏高邮,出生于上海,1978年考入复旦大学。1980年赴德国柏林自由大学留学,1983年获硕士学位。后赴美国纽约州立大学石溪分校深造,1987年获博士学位。

毕业后在加州大学圣芭芭拉分校从事博士后研究。后前往IBM担任高级研究人员。1993年起任教于斯坦福大学。1999年被聘为长江学者讲座教授,任清华大学高等研究院客座教授。2004年出任IBM-斯坦福自旋电子学研究中心主任。

他领导的研究团队于2006年提出的量子自旋霍尔效应被《科学》评为2007年“全球十大重要科学突破”之一。北京时间2013年3月15日,《科学》(Science)杂志在线发文,宣布由清华大学物理系、中科院物理和斯坦福大学(张首晟)等组成的团队在实验上首次发现量子反常霍尔效应。

张首晟1992年获全球华人物理学会杰出青年科学家奖,1993年获IBM研究部杰出创新奖。由于他在拓扑绝缘体等领域上的杰出贡献,他先后获得过:

古根海姆基金奖(2007年)

洪堡研究奖(2009年)

欧洲物理奖(2010年)

古登堡研究奖(2010年)

求是杰出科学家奖(2011年)

奥利弗·巴克利凝聚态物理奖(2012年)

狄拉克奖章(2012年)

基础物理学奖“物理学前沿奖”(2013年)

汤森路透引文桂冠奖(2014年)等奖项,

被视为诺贝尔物理学奖的有力人选。

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