編者按
2014年諾貝爾物理學獎日前揭曉，三名日美科學家因藍光LED方面的發(fā)明獲獎。此前有人推測可能獲獎的華裔美國物理學家張首晟（見文后簡介）今年未能摘冠。作為當今世界最杰出的科學家之一的張首晟曾在臺灣《校園》雜志撰文講述他對科學與基督教信仰的看法。以下是他的文章全文。
科學與信仰
科學實在有永恒的局限，有不能在將來而改變的局限，科學與信仰不但今天沒有矛盾，將來也永遠不會有矛盾。
人類發(fā)展千古至今，科學與信仰的問題一直是一個重大的課題。宗教信仰超自然的存在，而科學研究的是自然界的客觀規(guī)律。這兩者的關系到底如何，是一個信徒關心的問題，也是許多科學家朋友走進信仰之門的必經之路。目前的科學與技術飛速發(fā)展，更使我們有必要深思現代科學與信仰問題的關系。
現代科學起始于文藝復興的歐洲。當時發(fā)生了一件科學與宗教沖突的重大案子，每次論及科學與信仰的問題時往往會提起這個案子?？茖W家伽利略通過許多科學實驗證明地球的自轉。但是羅馬教皇聲稱地球是宇宙的中心，有永恒不變的地位。教皇濫用他的權力，加罪于伽利略。但是伽利略在教廷讀完了他的審判之后，仍然不屈地說道：“它（地球）依然在轉著?！彼陌倌旰蟮慕裉?，歷史已毫無疑問地證實了伽利略是正確的。羅馬教廷也正式向伽利略道歉。但是這一案子引出一個令人深思的問題。教皇加罪于伽利略，當然很重要的原因是伽利略對教皇個人權威的威脅，但是，任何信仰必然形成一種世界觀，一種來自于信仰對于自然界的一種觀點。雖然信仰本身是主觀抽象的，來自于信仰的世界觀，卻與科學研究的問題有共同之處。當時羅馬教廷的確認為地球是宇宙的中心，形成了與當時科學的沖突。
所以在我們深思科學與信仰的關系時，一定要回答幾個重要的問題：什么是基督教的世界觀？這世界觀是否與科學知識有沖突，是否與未來的科學知識有沖突？基督教的世界觀與別的宗教有何不同？伽利略的對與錯要了解信仰與現代科學的關系，我們首先要了解現代科學帶來的知識。伽利略對科學最重大的貢獻，并非是發(fā)現地球的自轉，而是奠定了現代科學研究的方法。伽利略認為一切知識來自于實驗，而不是來自于人主觀的思想。只要有足夠的時間，有足夠精確的實驗儀器，我們可以測量一切，了解自然界的一切。
伽利略的觀點帶來科學飛速發(fā)展。但也深深地帶來一個“信仰危機”。如果我們能用實驗手段了解自然界的一切，為什么我們還需要信仰？伽利略在地球自轉一事上的確是正確的，但是，他認為實驗能測量自然界的一切，這項信念已被二十世紀的物理學證明是錯誤的。如果我們要了解一個物體的位置，我們必須用實驗手段去測量它。但是，測量的過程一定有誤差，使我們無法了解物體真正的位置。伽利略的觀點認為我們的實驗手段一直會進步，實驗誤差會越來越小，這樣，我們可以漸漸地逼進物體的真正位置。這一觀點在宏觀世界中似乎是正確的，但是對原子世界的研究被證明是錯誤的。因為我們測量的過程會改變物質本身。這種改變在宏觀世界中是微不足道的，但在微觀世界卻很明顯。例如，我們要測量物體的位置，我們可以用顯微鏡；但顯微鏡一定要用光源。當光源作用在物體上時，雖然物體的位置可以看清許多，但是它的速度卻改變了，測不準了。
原子物理中的量子力學發(fā)現：不論用多么精確的實驗儀器，測量物質的位置與速度的誤差，始終大于一個常數。也就是說，我們永遠無法同時了解物質的位置與速度，不是今天不可能，明天不可能，而是永遠不可能。
在物理學中，位置與速度是描寫物質的最基本性質。所以這一“測不準原理”是十分令人震驚的。偉大的物理學家愛因斯坦臨死都為此深感痛苦。這一原理從根本上限制了伽利略“實驗能夠了解自然界一切”的信念。測量物質的位置與速度是一個科學問題，但卻不能通過實驗來回答。
理發(fā)師的數學命題物理學中有這樣的不完備性，數學中也有這樣的不完備性。數學是建立在一些公理上的。從這些公理出發(fā)，可以推導出許多定理，構成數學的結構。判斷數學的正確不需要實驗，但需要證明數學的結構沒有自相矛盾的定理。數學家們相信，任何公理系統的命題，最終能夠被證明是正確還是錯誤的。但是，這個兩千多年來的信念也是錯誤的。在三十年代，數學家哥代爾證明，在任何數學公理系統中，都存在一些數學命題是無法判斷其正確性的。哥代爾的證明十分深奧，但是他的原理可以用一個簡單的例子來說明：一個村里有位理發(fā)師，他說：“我要給這村里所有自己不理發(fā)的人理發(fā)?！碑斶@句話用于他人時，有很簡單的答案，但是用于理發(fā)師自己，卻是矛盾的。如果我們假定理發(fā)師給自己理發(fā)，得出的結論是：他不應該給自己理發(fā)。如果我們假定理發(fā)師不給自己理發(fā)，得出的結論是：他應該給自己理發(fā)。所以理發(fā)師是否要給自己理發(fā)的“命題”是一個自相矛盾的命題。也許讀者會覺得這不過是一個文字游戲，這矛盾來自于人類語言的不精確。但是，令人驚訝的是，在最嚴格、精確的數學語言中也有同樣自相矛盾的問題。
以上的兩個例子說明了什么呢？這兩大發(fā)現根本改變了我們的世界觀。
以前我們認為科學的知識、實驗的手法一直可以無限地發(fā)展，今日的無知可以成為明日的可知。果真如此的話，雖然一方面我們可以證明今日的信仰是在科學之外的，是與今日科學無矛盾的；但是，當科學發(fā)展后，今日的信仰會成為明日的迷信，會形成信仰與科學的矛盾，使羅馬教廷與伽利略的悲劇重演。但以上的兩個例子根本改變了我們對科學的觀念。測不準原理告訴我們：測量物質的位置與速度，誤差永遠大于一個常數。并非是今日的儀器不夠精確，而是永遠無法精確。同樣哥代爾的定理告訴我們：數學中一些命題不能證明或證否。
并非是我們今日的數學知識不夠，而是永遠不可能被證明或證否。這兩個原理告訴我們，科學有永恒的局限，有不能在將來而改變的局限。
局限之外有無意義？這兩個原理就是告訴了我們科學有永恒的局限。由于它們是科學的原理，它們當然不能告訴我們在這局限以外是什么。許多科學家認為，這局限之外的問題是毫無意義的。但是人類始終追求高一層次的統一和完備。這兩個原理本身不能告訴我們這高一層次的原理是什么，但是卻能告訴我們這高一層的原理不但不會與今日的科學發(fā)生沖突，也不會與未來的科學發(fā)生沖突，因為這高一層的原理是建筑在科學永恒的局限之外的。
這高一層的原理是什么？我們可以看到，科學的成功，是由于主觀與客觀的分離。但是科學的最大局限，也是由于主觀與客觀的分離。測不準原理是由于觀察者（主觀）對被觀察者（客觀）的影響。同樣當理發(fā)師把他的命題用于他人（客觀）時，并無矛盾。當他把本用于他人（客觀）的命題用于自己（主觀）時，才發(fā)生矛盾。所以我們可以理解，在科學的局限之外的，一定是主觀與客觀的統一。科學的發(fā)展，追求統一是最高的目標，過去人們認為物質與能量是兩個不同的量，而愛因斯坦E＝MC2的公式卻把它們統一起來了。愛因斯坦終生的夢想就是把宇宙所有的作用力統一起來。所以追求主觀與客觀的統一，雖然不一個科學問題，卻是科學追求統一的理想的延伸。
什么叫做主觀與客觀的統一？當然這個問題的答案有一定的主觀性。以下所談，乃是筆者自己的感受。人類的最高追求，莫過于“真善美”三字?？茖W可以回答真與否之別，而唯有主觀意念才能判斷善與美。追求這三者的統一，便是追求主觀與客觀的統一。愛因斯坦E＝MC2這一公式是科學的真理，是可以用實驗來判決的。但是，科學家們看到能量與物質的統一，看到宇宙之宏偉，卻能被這樣一個簡潔的公式來描寫，不禁拍案叫絕，看到這真理之美麗無窮。這種感覺是主觀的，是不能用實驗來證實的。但是它卻來自于科學，超之于科學，是主觀與客觀的統一，也是真與美的統一。
如果宇宙是無序無主的，很難想像會有如此簡單的公式可以描寫宇宙運動的規(guī)律。如果宇宙的存在毫無目的，為什么客觀的真理會引起如此奇妙的主觀美感?；浇痰氖ソ浉嬖V我們：“太初有道，道與神同在，道就是神。”宇宙的存在與運動的規(guī)律乃是神創(chuàng)世之道，這道既是客觀的真理，又是至美的主觀感受，乃是因為神是真與美的統一，是主觀與客觀的統一，因為道就是神。
真帶出美，美帶出愛，愛帶出善。神創(chuàng)世之道的簡潔美麗，包羅萬象，使我們深深相信神必愛他所創(chuàng)之宇宙，所創(chuàng)之人類，也使我們深信，神救世之道，也必像他創(chuàng)世之道一樣的簡單，一樣的包羅萬象，基督教的圣經告訴我們，神救世之道乃是“因信稱義”四字。人的得救，并非是靠行為，乃是靠信心，此道何等的簡單，何等的包羅萬象！神愛世人，要救一切世人，非這樣包羅萬象的救世之道不可！因為行為是有時代標準的，這標準是非永恒的，非每人所能及的，但是信心的標準是個人的，是永恒的，是人所能及的?？瓷窬仁乐?，正像神創(chuàng)世之道一樣，簡單而包羅萬象，在創(chuàng)世之道中我們看出真與美的統一，在救世之道中我們看出善與美的統一?？梢娗笊裰溃俏覀兯非蟮闹饔^與客觀的高層統一，是真善美的結合，是科學追求的自然延伸。
所以我們看到科學與信仰不但今天沒有矛盾，將來也永遠不會有矛盾?？茖W有永恒的局限，永遠被主觀與客觀的分離而限制。信仰是建筑在這一局限之上的原理，是主觀與客觀的統一。在這高一層的原理中，我們可以看到真善美的統一神創(chuàng)世之道，與他救世之道一樣，簡潔美麗，包羅萬象。追求科學局限之外的道理，本身并不是科學，卻來自于科學而超之于科學。作為一個科學家，觀宇宙之宏偉，悟神創(chuàng)世之真道，見萬象之包羅，念神愛世之偉心，醒失落之痛楚，謝神救世之至善，其樂無窮也！
是的，信仰是超于科學的選擇，是每個人主觀的選擇，但這是何等奇妙美麗的選擇！
補充信息：
張首晟簡介
張首晟祖籍江蘇高郵，出生于上海，1978年考入復旦大學。1980年赴德國柏林自由大學留學，1983年獲碩士學位。后赴美國紐約州立大學石溪分校深造，1987年獲博士學位。畢業(yè)后在加州大學圣芭芭拉分校從事博士后研究。后前往IBM擔任高級研究人員。1993年起任教于斯坦福大學。1999年被聘為長江學者講座教授，任清華大學高等研究院客座教授。2004年出任IBM－斯坦福自旋電子學研究中心主任。
他領導的研究團隊于2006年提出的量子自旋霍爾效應被《科學》評為2007年“全球十大重要科學突破”之一。北京時間2013年3月15日，《科學》（Science）雜志在線發(fā)文，宣布由清華大學物理系、中科院物理和斯坦福大學（張首晟）等組成的團隊在實驗上首次發(fā)現量子反常霍爾效應。
張首晟1992年獲全球華人物理學會杰出青年科學家獎，1993年獲IBM研究部杰出創(chuàng)新獎。由于他在拓撲絕緣體等領域上的杰出貢獻，他先后獲得過古根海姆基金獎（2007年）、洪堡研究獎（2009年）、歐洲物理獎（2010年）、古登堡研究獎（2010年）、求是杰出科學家獎（2011年）、奧利弗·巴克利凝聚態(tài)物理獎（2012年）、狄拉克獎章（2012年）、基礎物理學獎“物理學前沿獎”（2013年）、湯森路透引文桂冠獎（2014年）等獎項。被視為諾貝爾物理學獎的有力人選。
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