纪念张首晟谈科学和信仰

纪念张首晟谈科学和信仰 科学与信仰 张首晟 　　 　　原编者按 ： 当代杰出的青年物理学家张首晟，带领我们进入现代物理学的殿 堂 ： 一方面与爱因斯坦同声赞叹创造的简洁美丽，另一方面从「测不准原理」和 「哥代尔定理」 ，深入了解爱因斯坦的痛苦和遗憾，并解析伽利略的信念为何是 错误的。 　　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）依然在转著。」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。 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。 　 　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E＝MC2的公式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。 　 　真善美的统一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！ 　　 　　原载于《校园》杂志