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科学的局限之外--2014诺奖热门人选张首晟的信仰见证

鲜为人知的是他也是一名基督徒,在科学的研究中,发现了宇宙背后的上帝,下面是他的见证,希望引起弟兄姊妹,慕道友和科学工作者的思考。

简介:张首晟(Shou-ChengZhang),汉族,美国华裔科学家。祖籍江苏高邮,1963年生于上海。2010年9月1日,“欧洲物理奖”在波兰华沙颁奖,华人物理学家、斯坦福大学教授、清华大学高等研究院教授张首晟获此殊荣。因在“量子自旋霍尔效应”理论预言和实验观测领域的开创性贡献,张首晟与4位欧美科学家共同荣获2010年“欧洲物理奖”,他也是获得该奖项的首位华人科学家。“欧洲物理奖”是国际著名的物理学奖项,由欧洲物理学会颁发。2013年12月当选中国科学院外籍院士。

1、他看见了科学的局限

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。十五岁前,当他在阁楼里通过书籍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。

张首晟对科学的绝对信任主要是来自加里略的影响。加里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。加里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。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,他才发现加里略的科学观包含着多么大的盲点!

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。

加里略认为,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,加里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。加里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。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”从根本上推翻了加里略“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。

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!

2、一个新的起点

科学的局限之外是什么?许多科学家认为追问科学局限之外的问题是毫无意义的。但张首晟却认为,科学的局限之外应该有个更广阔的意义空间。但那更高一层的原理是什么?科学家要到那条道路上去发现它?在复旦,张首晟没有找到方向。但从复旦起,张首晟已经对“实验能测量一切”的信念作了合理的扬弃。1978年底,张首晟意外地获得国家教育部消息:他已经被选拔为国家派往西方国家的留学生。他被指定派往的国家是德国!

1979年1月,张首晟转到上海同济大学留德预备班。他的德文老师来自德国的歌德语言学校。这年的圣诞夜,老师给他讲了圣诞节的故事。这是张首晟第一次听到耶稣诞生的故事。这个故事很美,很神秘,但神秘之中又有一些让他感到很亲切的东西。他默默地听着,渴望知道得更多。老师给他放了一段圣诞音乐,是《平安夜》。张首晟觉得这首歌里洋溢着一种无法具体描绘的美,在这美之中他感受到一种无法衡量的东西,他整个的人,他的一切都被那东西征服了!此后,他总是隐约期待着到达那更高层次,推动这一期待的依然是他在科学中渴望突破局限,渴望追求统一的理想。

张首晟看到,自然科学实际包含了两个层次:一是“事物本身”。这一层若仅仅包含着纯粹客观,一般是可以接受实验手段测试的。二是科学理论。这一层已经包含了主观,这是科学家对实验数据和自然现象的解释,纯粹的客观已经不再可能。

在科学上他不可能停止于第一层次。在第二层次上他也不可能满足于对第一层次肤浅的解释。事实上,同一个实验数据,同一自然现象往往可以支持十几种不同解释。而且,一般科学家的实验技巧和个人智商并不存在巨大的个体差异,最终决定一个科学家是否有能力提出更高原理的往往不是那些可衡量因素,而是那些不可衡量因素—比如,科学家的情感,科学家的心灵倾向,甚至科学家的精神以及灵魂高度┅┅

当实验数据,自然现象等等客观因素与科学家的主观情感在一个更高层次上达到和谐统一的时候,科学就和艺术一样分得了美感。而具有美感的科学理论往往包含了更高的法则。对此,爱因斯坦的E=MC2的公式已经足以提供证明。爱因斯坦的终生梦想就是把宇宙间所有的作用力统一起来。这是爱因斯坦较之于他同时代的科学家极其不同之处。

这个不同是不可能脱离了爱因斯坦的精神倾向,单单从实验数据中找到解释的。推动爱因斯坦这个梦想的是一种科学之上的力量,那力量足以让爱因斯坦相信:宇宙的一切来自一个作用,一个力量。因此,当科学家认为物质与能量是不同的量的时候,只有伟大的爱因斯坦站到了一个更高层次,当他站到了那更高层次上的时候,他的智能就从局部被推向了整体,从个别被推向了普遍。于是,他就从复杂中看到了简单,从偶然中发现了必然,从不同中找到了相同。所以,当爱因斯坦同时代的科学家对实验现象提出各种不同解释的时候,只有伟大的爱因斯坦提出的理论包含了更高准则—他以一个简单的公式就把物质与能量统一了起来。

那推动爱因斯坦的力量究竟是什么?爱因斯坦总结了他的一生,最后得出这样的结论:“ThesubtleistheLord.”(神何等奇妙!)。这就是那推动了爱因斯坦智能的力量!这力量提升了爱因斯坦的精神!所以,爱因斯坦到达了别人没有到达的空间,所以,他看见了别人没有看见的境界。他在数据背后看见了秩序,看见了意义,看见了美,看见了万象之中的统一。所以,他看到了真正的法则。

但在上海,张首晟对推动爱因斯坦的力量还是没有足够的认识和了解。他只是看见了爱因斯坦理论中那不可多见的美。这美令他着迷。他要从那美中找出定义。他需要定义。

于是,他从爱因斯坦以及其它科学家所发现的科学原理中总结出了较高层次原理的共同倾向,那倾向是美的,那美具有共性特征,那就是:“Simplicity”—“简洁”,“Universality”—“包罗万象”。从此,这个经由张首晟自己总结出来的审美定义就成了张首晟衡量一切科学理论的标准。

3、一个简单的包罗万象的真理

1980年8月,张首晟到了柏林。进入了柏林自由大学物理系。九月,他到海德堡接受为期一个月的培训。当这个刚满十七岁的青年默默走在“哲学家之路”上的时候,他心中竟涌起了万千感慨。

如果宇宙是偶然的,是无序的,是无规划的,那么,为什么爱因斯坦一个简单的公式就可以描写宇宙运动的规律?如果宇宙不是出自一个包含着神圣情感的设计和创造,那么,为什么客观的真理竟可以在人类心灵中引起如此微妙的主观美感?

“ThesubtleistheLord.”—爱因斯坦似乎早已揭开了奥秘。但对张首晟来说,这奥秘还有待求证。他不需要求证宇宙间是否有个创造者。对于这位创造者,自然法则早已提供了足够的证明。他需要求证的是:这位创造者是谁?

一个月之后,张首晟从海德堡回到了柏林。十一月,他搬到了一对德国老夫妇的家里。

每天早晨,张首晟和房东夫妇共享早餐—这是一段很温馨的时刻,房东夫妇喜欢利用早餐时间和张首晟聊天,而每天的话题似乎总是围绕着基督教信仰。男主人是个牧师,他喜欢给张首晟讲圣经故事,讲主耶稣的比喻,张首晟听得饶有兴趣,他觉得主耶稣的比喻与他所熟悉的哲学家的语言是何等不同!主耶稣的比喻十分简洁,但简洁中却包含着哲学所达不到的穿透力,甚至,他觉得那些比喻具有一种他从科学定律中所总结出来的美感:“简洁”,并且“包罗万象”。

这令他惊奇,为什么早在公元一世纪的时候,这个没有受过科学和哲学训练的人就对世界能够有如此深刻的洞察?为什么他能够使用如此简洁的语言揭示如此深刻的道理?并且赋予这些道理如此普遍的含义?

张首晟所受到的一切哲学,科学训练都引发着他超越局限的渴望,所以,当他遇到界限的时候,他不容易轻易地停止,他更不轻易地在界限之中听凭理性对界限之外的事物妄加判断。他知道理性和逻辑并不代表一切,正如科学实验并不代表一切一样。他审慎地使用着理性,一如他审慎地观察着实验。这一点有效地避免了他在较低层次上对抗更高层次的东西。

所以,当他听到圣经故事的时候,当那些神绩奇事统统超出了他的理性和经验所能判断的范围的时候,他没有在现象上纠缠。既然理性和实验都有局限,既然它们对界限之外的事物无法证明或证否,那么,他就应该从另一个方向去认识它。

他问房东:“基督教信仰和其它宗教最根本的不同是什么?”

“因信称义!”房东不假思索地脱口而出。

“因信称义?”张首晟默默地咀嚼着这个答案。

蓦然,一道不可思义的亮光照亮了张首晟的思想,他一下子就接受了这个答案。他相信,这就是真理!这个答案让他勿庸置疑地相信,基督教信仰包含了那隐藏在宇宙万象中的真理!

这一切来的如此突然。但如此突然的一切在张首晟那里却是如此自然!

事过二十年后,当张首晟在史坦福校园里回忆这段往事的时候,他对二十年前的那个早晨所发生的事情作了如下解释:“宇宙的存在与运动的规律早已使我相信有位创造者,但这位创造者是不是基督教信仰中的神?对此,去德国前我没有明确答案。那天,当房东以‘因信称义’四字来解释基督教信仰与其它宗教之区别时,我一下子就想到了久已萦绕于心的一个信念:我相信创世之道与救世之道应体现统一的精神,因为它们是出于同一个力量,同一个意志,同一个主宰。自然法则让我看到那位创造者以‘简洁’与‘包罗万象’的原则规定了宇宙万物的秩序和定律。那么,如果这位创造者要拯救这个世界,我想,他不会违背同一法则。

‘因信称义’--这四个字是多么的简洁,多么的包罗万象!这个法则不可能出自人的思想!人总是倾向于行为的,而行为是何等的复杂!不同时代,不同个人对行为都有不同的要求。行为标准是非永恒的,也非人所能及。救世之道若不以‘因信称义’为标准,那么,这道就不具有普遍性,就不可能指向一切人。

所以,当我听到‘因信称义’这四个字的时候,我就象看到自然法则一样感受到了那超越人的意志的力量,这力量征服了我的思想,我不可能对那不被我理性规定的法则再有怀疑。

‘因信称义’就是真理!

神要救世人,他所启示的真理非如此简洁,非如此包罗万象不可!”这个思想把张首晟带进了教堂。那是1980年的圣诞夜。

4、当真理进入生命

1983年,张首晟获得柏林自由大学物理硕士学位。同年,他进入美国纽约州立大学物理系攻读博士学位。1987年,他获得博士学位。同年,他进入加州大学的SantaBarbara分校从事博士后研究。1989年底,他结束了博士后研究,与妻子晓帆一起到了SanJose的IBM继续从事科学研究工作。

虽然他还没受洗,但他早已相信了“因信称义”的真理。基督教信仰已经深刻地影响了张首晟的世界观,这种影响使得张首晟的科学思想与八十年代末,九十年代初大多数从中国大陆来的学生学者有明显不同。他相信数据背后有更高层次的意义,因为,宇宙不是无序的,不是偶然的。宇宙是出自一个有目的,有意义,有计划的设计。这个信念使得他不能够接受对自然现象和实验数据的任何肤浅解释。

到了SanJose之后,他和晓帆才重新接触到教会,并且,与教会有了进一步的关系—他们开始了定期的团契生活。从这时候开始张首晟才真正感受到了真理进入生命的意义。他发现,信仰不仅仅可作用于他的思想,使他的思想进入更大的框架,不仅仅可作用于他的理性,使他的理性突破局限,信仰还可作用于他生命的每一个层面。信仰可以作用于他一切的情感,当信仰作用于他一切情感的时候,他的生命才与信仰本身产生了真正关联。直到此时,那隐藏在宇宙万物背后的抽象真理才真正具体化到了他个人生命的里面。这生命是何等的美好,何等的丰盛!这生命使他对真,对善,对美的渴望得到了他在哲学和科学中根本就无法的得到的满足。

1991年初夏,张首晟和妻子一起接受了洗礼。1993年,张首晟被史坦福大学物理系聘为付教授。从此,他进入了现代物理学研究的前沿。

1994年张首晟重新进入了现代物理学的尖端领域—超导性研究。这项研究他九零年就开始了,但时有间断。到史坦福大学之后,他再一次将他研究的锋芒集中到这个前沿领域。

张首晟自从进入了信仰,他就深切地经历到信仰对他智能的推动,他坚信,一切现象的背后都有上帝规定的意义,作为一个科学工作者,他神圣的使命就是把这意义揭示出来。1995年,年仅三十二岁的张首晟以他出色的研究能力获得了史坦福大学物理系终生教授的位置。

同一时期他的超导研究也进入了关键—他期待着一个重大突破。但这突破却遇到了极大阻力。他没有办法提出一个合理的理论来解释超导实验中出现的众多复杂现象,对这些现象许多物理学家都试图给出解释,但却没有一个人可以提供令人满意的答案。

起初,张首晟试图站在基本的,具体的基点上提出他的理论,但这个理论所站基点太低,故此无法涵盖一切复杂现象。对此,张首晟一筹莫展。1996年春,张首晟在超导研究中已经竭尽全力,却始终无法获得重大的理论突破。

春假,他暂时离开实验室,与教会的弟兄姐妹们一起去了美中,美东地区—这是张首晟第一次参加教会的短宣。张首晟的重点是向旅美大陆学人分享科学与信仰的见证。他的见证对那些喜欢以理性对抗上帝启示的学生学者有很大的触动。而在此过程中,张首晟自己再一次经历了信仰对他理性和智能的推动—当他见证上帝在宇宙万象中的作为的时候,他的思路就获得了更广阔的空间,他就不期然地进入了一个更大框架,在那更大框架之中,他看见了上帝无与伦比的智慧和荣耀。

短宣回来之后,张首晟心中洋溢着一种难以抑制的情感—上帝荣耀的光辉照亮了他一切的思想,在那荣耀之光中,他看见了科学的神圣—科学的责任就是提供上帝在自然中所作所为的最真实,最荣耀的见证。上帝荣耀的光辉也照亮了他一切的情感,在那荣耀之光中,他的情感被那无法抗拒的美推动着,于是,他渴望以科学提供对那美的见证。

而当这一切在他生命里面发生的时候,他对那许久以来一直无法突破的问题竟有了意外的发现,他看到了一个新的基点!那个基点设置在一个更高层次上。他相信一切自然规律都是上帝规定的。作为一个有信仰的科学工作者,他所提出的科学理论不仅仅要能够解释自然现象,更是要经由对自然现象的解释见证上帝的荣耀和智慧。而要达到后者,就非站在一个更高层次上不可。虽然从经验看,到更高层次上提出理论会有更大的难度,但他里面的信念支持着他非到这个层次上寻找结论不可。当他凭信心站到这个更高层次上的时候,他苦苦寻求的原理经出乎意料清晰地呈现了出来—他只用了一个简洁的,对称性原理就解释清楚了超导性研究中那许多科学家无法解释的复杂现象。

1997年2月21日出版的美国《科学》杂志刊登了张首晟的这篇重要论文。张首晟所提出的这个理论是超导研究中的重要突破,这个突破无论是否会成为他日后走向更大成就的一个标志性的起点,这个突破本身已包含了上帝荣耀的见证,并且,对造福于人类而言,这个突破也包含了它毋庸置疑的贡献。我相信,这个突破将是张首晟人生中一个标志性的起点—这个起点将把他引入更美,更广阔,更深远的信仰旅程┅┅
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