科學與信仰

作者:張首晟


作者簡介﹕本文作者來自上海,先在柏林自由大學取得學士及碩士學位(1980~1983),然後在美國紐約州立大學石溪分校(Stony Brook),獲得博士學位(1983~1987),現任職於美國史丹福大學理論物理專任副教授。

張首晟於1992年得到「海外華人物理學家協會」頒給的傑出青年研究講。 張首晟左右各是諾貝爾獎得主楊振寧(左)和李政道(右)。

人類發展千古至今,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律。這兩者的關係到底如何,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展,更使我們有必要深思現代科學與信仰問題的關係。

現代科學起始於文藝復興的歐洲。當時發生了一件科學與宗教衝突的重大案子,每次討論科學與信仰的問題時往往會提起這個案子。科學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,有永恆不變的地位。教皇濫用他的權力,加罪於伽利略。但是伽利略在教廷讀完了他的審判之後,仍然不屈地說道:「它(地球)依然在轉著。」

四百年後的今天,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。教皇加罪於伽利略,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,一種來自於信仰對於自然界的一種觀點。雖然信仰本身是主觀抽象的,來自於信仰的世界觀,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衝突。

所以在我們深思科學與信仰的關係時,一定要回答幾個重要的問題。什麼是基督教的世界觀?這世界觀是否與科學知識有衝突,是否與未來的科學知識有衝突?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係,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,並非是發現地球的自轉,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於實驗,而不是來自於人主觀的思想。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,為什麼我們還需要信仰?

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,我們必需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現:不論用多麼精確的實驗儀器,測量物質的位置與速度的誤差,始終大於一個常數。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。

理髮師的數學命題

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,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,任何公理系統裡的命題,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:一個村裡有位理髮師,他說:「我要給這村裡所有自己不理髮的人理髮。」當這句話用於他人時,有很簡單的答案,但是用於理髮師自己,卻是矛盾的。如果我們假定理髮師給自己理髮,得出的結論是:他不應該給自己理髮。如果我們假定理髮師不給自己理髮,得出的結論是:他應該給自己理髮。所以理髮師是否要給自己理髮的「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遊戲,這矛盾來自於人類語言的不精確。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麼呢?這兩大發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,當科學發展後,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,誤差永遠大於一個常數。並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。並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,科學有永恆的局限,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恆的局限。由於它們是科學的原理,它們當然不能告訴我們在這局限以外是什麼。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麼,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生衝突,也不會與未來的科學發生衝突,因為這高一層的原理建築在科學永恆的局限之外的。

這高一層的原理是什麼?我們可以看到,科學的成功,是由於主觀與客觀的分離。但是科學的最大局限,也是由於主觀與客觀的分離。測不準原理是由於觀察者(主觀)對被觀察者(客觀)的影響。同樣當理髮師把他的命題用於他人(客觀)時,並無矛盾。當他把本用於他人(客觀)的命題用於自己(主觀)時,才發生矛盾。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,雖然不是一個科學問題,卻是科學追求統一的理想的延伸。

什麼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,莫過於「真善美」三字。科學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。但是它卻來自於科學,超之於科學,是主觀與客觀的統一,也是真與美的統一。

真善美的統一

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律。如果宇宙的存在毫無目的,為什麼客觀的真理會引起如此奇妙的主觀美感。基督教的聖經告訴我們:「太初有道,道與神同在,道就是神。」宇宙的存在與運動的規律乃是神創世之道,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之宇宙,所創之人類,也使我們深信,神救世之道,也必像祂創世之道一樣的簡單,一樣的包羅萬象,基督教的聖經告訴我們,神救世之道乃是「因信稱義」四字。人的得救,並非是靠行為,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,這標準是非永恆的,非每人所能及的,但是信心的標準是個人的,是永恆的,是人所能及的。看神救世之道,正像神創世之道一樣,簡單而包羅萬象,在創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。可見求神之道,正是我們所追求的主觀與客觀的高層統一,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。科學有永恆的局限,永遠被主觀與客觀的分離而限制。信仰是建築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,本身並不是科學,卻來自於科學而超之於科學。作為一個科學家,觀宇宙之宏偉,悟神創世之真道,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,信仰是超於科學的選擇,是每個人主觀的選擇,但這是何等奇妙美麗的選擇!


[原載於校園雜誌86年3.4月號]