张首晟:触摸科学局限之上的更高存在

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文 | 宁子(本文采访自2000年)


7月21日凌晨,美国斯坦福大学张首晟及团队在美国科学杂志发表一项重大发现:物理学界经80年探索之后,他们终于发现手性Majorana费米子的存在。张首晟将其称为“天使粒子”。人们知道张首晟距诺贝尔奖很近,但鲜为人知的是,他探索科学局限之上更高存在的信仰心路。

  

(本文转载自微信公号“藉我赐恩福”,选自《寻觅梦中的微光》一书,作者:宁子,蔚蓝色出版社2006年出版;转载时有删减,标题为《境界》所加)


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


当我和张首晟在斯坦福校园散步时,当我和他坐在书房里谈论科学与信仰时,我的心中充满惊喜。这位斯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,撇开了理性与现象的纠缠,有直接进入本质的能力。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。


这条道路的起点始于上海,始于一个不能读书的时代。一幢堆藏着旧书的阁楼,是他童年和少年的世界。他在阁楼里接触了许多伟大的头脑:柏拉图、康德、黑格尔;伽利略、牛顿、爱因斯坦;歌德、海涅、瓦格纳……他一有空就钻进去,外面的世界太狭窄太混乱,只有回到阁楼,他才捕捉到理智的亮光。


起初他的阅读没有特别偏爱,渐渐却发现德国文化对他更具吸引力。德国文化受柏拉图哲学的影响,整体性地放射出一种理想主义的光辉。在德国哲学家中,他受康德、黑格尔影响最深。


1978年,“读书无用”的时代结束了。张首晟刚初中毕业就以遥遥领先的分数破格考上复旦大学物理系。走出阁楼那一年,他15岁。


科学的盲点:永远测不准的位置和速度


张首晟对科学的绝对信任主要来自伽利略的影响。伽利略对现代科学的最大贡献是发现了现代科学的研究方法。他认为一切知识来自于实验,而不是人的主观思想。可是,当他真正开始用实验方法来观察自然时,他发现伽利略的科学观有很大的盲点。


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


首先让张首晟看见这一点的是物理学上的“测不准原理”。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,这种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,在原子领域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时,就要用到显微镜,显微镜需要光源,但当光源作用于基本粒子时,虽然基本粒子的位置可以看清许多,但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。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。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。


最精确的数学语言也有自相矛盾


后来,当张首晟在科学上向更广阔的领域延伸时,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,同样无法避免。


多年之后,他在一篇探讨科学与信仰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,最终都能被证明是正确的还是错误的,但这两千多年来的科学信念也是错误的。1930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无法被判断是正确还是错误。


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。但用于理发师自己时,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无可否认的局限。这个看见根本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实或证否,并非是今天的数学知识不够,而是永远不可能被证实或证否。


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。而他对这一选择终生不悔,因为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层次的统一和完备,科学的不完备性恰恰可以作为向更高层次追求的起点。



突破科学局限的唯一途径


科学的局限之上是什么?许多科学家认为这个问题是毫无意义的,但张首晟却相信,在科学的局限之上,一定有更高一层的原理,那更高一层的原理一定可以将主观与客观在另一更完善的法则之下统一。


当然,这更高一层的原理已超越了科学,它在科学的局限之上,它不受科学的“规定”,所以,追寻这更高一层的原理不是一个科学范畴的问题,但它却是科学追求统一理想的延伸,并且,它也是科学家突破科学局限的唯一途径。


但那更高一层的原理是什么?在复旦,张首晟没找到方向。1978年底,张首晟意外地获得国家教育部消息:他已被选拔为国家派往德国的留学生。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,渴望知道更多。


老师给他放了一段圣诞音乐《平安夜》。歌者是用德文演唱的。老师说,这首歌的原作就是用德文写的歌词。张首晟觉得歌里洋溢着一种无法具体描绘的美,在美之中他感受到一种无法衡量的东西,一种真实——不被理性判断的真实,理性失去了作用,理性已经被美征服了。这是他一生中一次极其难忘的经验,让他再次看到,在理性和逻辑之上,正如在科学的局限之上,有一种更高层次的东西。


张首晟看到,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、心灵倾向,甚至精神以及灵魂高度。


当实验数据、自然现象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时,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法则。


爱因斯坦的E=MC2的公式足以提供证明。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。这个不同不可能脱离爱因斯坦的精神倾向,单从实验数据中找到解释。推动爱因斯坦的是一种科学之上的力量,那力量让他相信: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时,只有爱因斯坦站到了一个更高层次,他的智能从局部被推向整体,从个别被推向普遍。于是,他就从复杂中看到简单,从偶然中发现必然,从不同中找到相同,以一个简单的公式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?爱因斯坦总结他的一生,最后得出这样的结论:“The subtle is the Lord”(神何等奇妙!)这就是推动爱因斯坦智能的力量,这力量提升了爱因斯坦的精神,使他看见了别人没有看见的境界。


当时,张首晟对推动爱因斯坦的力量还没有足够的认识,但他看见了爱因斯坦理论中那不可多见的美:简洁、包罗万象。从此,这个经由张首晟自己总结出来的审美观就成了张首晟衡量科学理论的一个标准。当科学包含了审美的时候,就包含了精神、情感和主观,于是,科学的概念就获得了更大范畴的延伸。


但究竟有没有一种力量可以支配这一切?如果没有一个更高的智能可以既作用于自然法则,又作用于学者的心灵,那么,科学在主客观上可以依凭什么达到统一?这个问题科学无法提供答案。


他被“因信称义”的真理击中


1980年8月,张首晟进入柏林自由大学物理系。11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。这是一段温馨时刻,房东夫妇喜欢和张首晟聊天,每天的话题似乎总是围绕着基督教信仰。原来男主人是个牧师,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时,这个没有受过科学和哲学训练的人就能对世界有如此深刻的洞察?为什么他能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?


张首晟从上海阁楼直到德国所受到的一切哲学、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不会轻易停止,他更不轻易地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,当他听到圣经故事时,当那些神迹奇事统统超出了他的理性和经验所能判断的范围时,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实或证否,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!正是这个答案让他相信,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,但在张首晟那里却又如此自然。



2000年,当张首晟在斯坦福校园里回忆这段往事时,他对二十年前的那个早晨所发生的事情作出如下解释:“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?去德国前我没有明确答案。当房东以‘因信称义’四字来解释基督教信仰时,我一下子就想到久已萦绕于心的一个念头: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’这四个字多么简洁,多么包罗万象!


这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、不同个人对行为有不同要求。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’这四个字时,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。那一夜,管风琴演奏着德国古老的圣诞音乐,烛光温柔地摇曳着。张首晟一走进教会就有种回家的感觉。他又一次感受到了当年在上海第一次听到德文圣诞歌时所经历到的:多么美,多么温暖,多么令他心动!


他无法用概念解释,也无法具体描绘那极其真实的感动,那是理性无法把握的状态——那状态把他带进了一种更高的实在,那实在无处不在,甚至,他的里面可以触摸得到,这与他过去所接触到的哲学何等不同。


哲学虽美,却不容易与个人的生命产生关联,因此当张首晟进入哲学的时候,常有“高处不胜寒”之感。这个夜晚,他却感觉到那原本隐藏在宇宙万象背后的抽象真理被具体化了,具体到可以接触的地步。这种被具体化了的真理带给他心灵极大的满足,他感觉到真善美达到了无比融洽的统一。


当他凭信心站在更高的层次上

                   

1983年,张首晟获得柏林自由大学物理硕士学位。同年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,同年进入加州大学圣塔芭芭拉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圣何塞的IBM继续从事科学研究工作。


虽然他还没受洗,但基督教信仰已深刻影响了张首晟的世界观,这使他的科学思想与当时从中国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、偶然的,宇宙出自一个有目的、有意义、有计划的设计。这个信念使他不能接受对自然现象和实验数据的任何肤浅解释。


到了圣何塞之后,他和晓帆重新接触到教会,开始了定期的团契生活。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,信仰还可以作用于他生命的每一个层面、一切的情感。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他个人的生命里。这种连接使他对真善美的渴望得到了在哲学和科学中无法获得的满足。1991年初夏,张首晟和妻子一起受洗。


1993年,张首晟被斯坦福大学物理系聘为副教授。从此,他进入了现代物理学研究领先的前沿。这所大学物理系的教授曾多次获得诺贝尔物理奖。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。这项研究他之前曾经进行,但时有间断。此时他再次将精力集中到这个前沿领域。



超导性是指导电材料的电阻和体内磁感应强度在温度和磁场都小于一定数值的条件下突然变为零的性质。在超导态中,物体的热、电、磁等性质都与正常态迥异,超导体的奇特性质激发了很多科学家的研究兴趣。


1995年,年仅32岁的张首晟以出色的研究能力获得了斯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关键。他期待着一个重大突破,但却遇到了极大阻力——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,但却没有令人满意的答案。


起初,张首晟提出的理论基点太低,故此无法涵盖复杂现象。他对此也一筹莫展。1996年春,已经竭尽全力的张首晟始终无法获得理论突破,就趁春假暂时离开实验室,与教会的弟兄姐妹们一起去美中美东地区短宣。


张首晟向旅美大陆学人分享了自己在科学与信仰方面的见证,对那些认为理性与信仰相抵触的学生学者有很大触动。张首晟自己也再次经历了信仰对他理性和智能的推动。当他对众人见证上帝在宇宙万象中的作为时,他的思路不期然地进入了一个更大的框架,他从中看见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里面,在荣耀之光中,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。他的情感被一种无法抗拒的美推动着,他渴望以科学提供对美的见证。当这一切在他里面发生时,他对一直无法突破的问题竟有了意外的发现——他找到一个设置在更高层次上的理论基点。


从经验看,在更高层次上提出理论会有更大的难度,但张首晟的信念支持他非到这个层次上寻找结论不可。当他凭信心站到更高层次上,他苦苦寻求的原理出乎意料地清晰呈现出来——他只用了一个简洁的对称性原理就清楚解释了超导性研究中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。他提出的理论是超导研究中的重要突破,这个突破对诸多领域起到了毋庸置疑的贡献。无论这个突破是否会成为他日后走向更大成就的标志性起点,这个突破本身已包含了上帝荣耀的见证。同时,这个突破将把他引入更美、更广阔、更深远的信仰旅程。


后记:

2006年,张首晟领导的研究团队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;2008年,张首晟预言的量子反常霍尔效应在2013年被中国的实验团队证实;对拓扑绝缘体的发现让他荣获2015年富兰克林奖章。此外,他先后获得过古根海姆基金奖、洪堡研究奖、欧洲物理奖等诸多奖项,入选美国文理科学院院士、中国科学院外籍院士、美国国家科学院院士。


诺贝尔物理学奖获得者Frank Wilczek对Majorana费米子的发现如此评价: 张首晟与团队设计了全新的体系,并在实验中清晰地测量到Majorana费米子,这是一项里程碑的工作。


张首晟被认为“获得诺贝尔奖只是时间问题”,天使粒子的发现使他将来可能获得诺贝尔物理奖的呼声再度高涨。


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