【轉載】張首晟：觸摸科學局限之上的更高存在

（轉自「境界」微信公共號，微信號：ijingjie）

【引言】

7月21日凌晨，美國斯坦福大學張首晟及團隊在美國科學雜誌發表一項重大發現：物理學界經80年探索之後，他們終於發現手性Majorana費米子的存在。張首晟將其稱為「天使粒子」。人們知道張首晟距諾貝爾獎很近，但鮮為人知的是，他探索科學局限之上更高存在的信仰心路。

（本文轉載自微信公號「藉我賜恩福」，選自《尋覓夢中的微光》一書，作者：寧子，蔚藍色出版社2006年出版；轉載時有刪減，標題為《境界》所加）

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張首晟：觸摸科學局限之上的更高存在

作者（採訪者）：寧子

7月21日凌晨，張首晟及其團隊在美國科學雜誌上發表了一項重大發現：在整個物理學界歷經80年的探索之後，他們終於發現了手性Majorana費米子的存在。

這一發現，驗證了由義大利理論物理學家Ettore Majorana在80年前提出的預測——存在一類沒有反粒子的粒子。同時也證明了存在一種比量子還小的單位，這將對現在的量子理論帶來巨大的改變。

張首晟將這一新發現稱為「天使粒子」。普通群眾可能暫時難以理解這一發現，但是對基礎物理界來說，這或將開啟一個新的時代。

——來源：鳳凰科技

當我和張首晟在斯坦福校園散步時，當我和他坐在書房裡談論科學與信仰時，我的心中充滿驚喜。這位斯坦福大學物理系年輕的終生教授，一個走在現代物理學研究前沿的學者，撇開了理性與現象的糾纏，有直接進入本質的能力。我相信一些人的推測：他是一個離諾貝爾獎很近的物理學家。

這條道路的起點始於上海，始於一個不能讀書的時代。一幢堆藏著舊書的閣樓，是他童年和少年的世界。他在閣樓里接觸了許多偉大的頭腦：柏拉圖、康德、黑格爾；伽利略、牛頓、愛因斯坦；歌德、海涅、瓦格納……他一有空就鑽進去，外面的世界太狹窄太混亂，只有回到閣樓，他才捕捉到理智的亮光。

起初他的閱讀沒有特別偏愛，漸漸卻發現德國文化對他更具吸引力。德國文化受柏拉圖哲學的影響，整體性地放射出一種理想主義的光輝。在德國哲學家中，他受康德、黑格爾影響最深。

1978年，「讀書無用」的時代結束了。張首晟剛初中畢業就以遙遙領先的分數破格考上復旦大學物理系。走出閣樓那一年，他15歲。

【科學的盲點：永遠測不準的位置和速度】

張首晟對科學的絕對信任主要來自伽利略的影響。伽利略對現代科學的最大貢獻是發現了現代科學的研究方法。他認為一切知識來自於實驗，而不是人的主觀思想。可是，當他真正開始用實驗方法來觀察自然時，他發現伽利略的科學觀有很大的盲點。

伽利略以純粹的客觀為現代科學作出了界定，但他卻沒有看到界定之中的局限，他把實驗手段無限化了，這個局限決定了他的科學信念最終要被科學實驗本身推翻。

首先讓張首晟看見這一點的是物理學上的「測不準原理」。在物理學中，位置與速度是物質的最基本性質。科學家要描寫物質的這種基本性質必須依靠實驗手段，但現代科學卻證明觀察物對被觀察物有著毋庸置疑的影響，這種影響使得被觀察物在實驗過程中無可避免地被改變了。科學家不得不承認一個事實：當他們以實驗手段測量物質的位置與速度的時候，測量過程一定有誤差，這誤差使得他們根本無法準確地了解物質的真正位置和速度。

伽利略認為，科學實驗手段會一直進步，實驗誤差會越來越小，這樣測試者最終就可以逼進物體的真正位置。而張首晟進入物理學研究後才注意到，伽利略的這個觀點在宏觀世界中或許是正確的，在原子領域的研究中卻被證明是錯誤的。

伽利略沒有看到一個基本事實：測量過程會改變物質本身。這種改變在宏觀世界中也許微不足道，但在微觀世界中卻十分明顯。例如：當科學家要測量基本粒子的位置時，就要用到顯微鏡，顯微鏡需要光源，但當光源作用於基本粒子時，雖然基本粒子的位置可以看清許多，但它的速度卻被改變了，測不準了。

原子物理中的量子力學發現：測量位置與速度的誤差始終大於一個常數。這就意味著，物理學家永遠無法同時了解物質的位置和速度。物理學上的這一「測不準原理」令張首晟十分震驚——科學對物質最基本性質的描寫竟存在著永遠無法改變的局限。從根本上推翻了伽利略「實驗能夠了解自然界一切」的觀念。

張首晟清楚地意識到，測量物質的位置與速度是一個科學問題，但卻不能通過科學實驗來回答。這就是偉大的愛因斯坦至死都無法超越的痛苦。

【最精確的數學語言也有自相矛盾】

後來，當張首晟在科學上向更廣闊的領域延伸時，他發現科學的不完備性不但在實驗科學中，在非實驗性的科學中，甚至在最嚴密的數學領域中，同樣無法避免。

多年之後，他在一篇探討科學與信仰關係的文章中對數學的這種不完備性作了如下描寫：「數學是建立在一些公理上的。從這些公理出發，數學家可以推導出許多定理，從而構成數學的結構。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：任何公理系統里的命題，最終都能被證明是正確的還是錯誤的，但這兩千多年來的科學信念也是錯誤的。1930年代，德國數學家哥代爾證明：在任何數學公理系統中，都存在著一些數學命題無法被判斷是正確還是錯誤。

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：一個村裡有個理髮師，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。但用於理髮師自己時，就產生了自相矛盾：如果我們假定理髮師給自己理髮，那麼得出的結論必然是：『他不該給自己理髮。』如果我們假定理髮師不給自己理髮，那麼得出的結論必然是：『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個自相矛盾的命題。」

在最嚴格最精確的數學語言中竟也包含著如此嚴重的自相矛盾性，科學以及人類的智能竟存在著無可否認的局限。這個看見根本改變了張首晟的世界觀。

「測不準原理」告訴他，測量物質的位置與速度，誤差永遠大於一個常數。不是因為今天的科學儀器不夠精確，而是永遠無法精確。同樣，哥代爾數學定理也告訴他：數學中的一些命題不能被證實或證否，並非是今天的數學知識不夠，而是永遠不可能被證實或證否。

科學本身包含著它不可能在將來改變的永恆局限，但他已經對科學作出了終生選擇。而他對這一選擇終生不悔，因為他相信科學的不完備性並不減少科學本身的意義。

他認為人類始終在追求高層次的統一和完備，科學的不完備性恰恰可以作為向更高層次追求的起點。

【突破科學局限的唯一途徑】

科學的局限之上是什麼？許多科學家認為這個問題是毫無意義的，但張首晟卻相信，在科學的局限之上，一定有更高一層的原理，那更高一層的原理一定可以將主觀與客觀在另一更完善的法則之下統一。

當然，這更高一層的原理已超越了科學，它在科學的局限之上，它不受科學的「規定」，所以，追尋這更高一層的原理不是一個科學範疇的問題，但它卻是科學追求統一理想的延伸，並且，它也是科學家突破科學局限的唯一途徑。

但那更高一層的原理是什麼？在復旦，張首晟沒找到方向。1978年底，張首晟意外地獲得國家教育部消息：他已被選拔為國家派往德國的留學生。1979年1月，張首晟轉到上海同濟大學留德預備班。

他的德文老師來自德國的歌德語言學校。這年聖誕夜，老師給他講了聖誕節的故事。這是張首晟第一次聽到耶穌誕生的故事。這個故事很美，很神秘，但神秘之中又有一些讓他感到很親切的東西。他默默地聽著，渴望知道更多。

老師給他放了一段聖誕音樂《平安夜》。歌者是用德文演唱的。老師說，這首歌的原作就是用德文寫的歌詞。張首晟覺得歌里洋溢著一種無法具體描繪的美，在美之中他感受到一種無法衡量的東西，一種真實——不被理性判斷的真實，理性失去了作用，理性已經被美征服了。這是他一生中一次極其難忘的經驗，讓他再次看到，在理性和邏輯之上，正如在科學的局限之上，有一種更高層次的東西。

張首晟看到，事實上，同一個實驗數據、同一自然現象往往可以支持十幾種不同解釋。而且，一般科學家的實驗技巧和個人智商並不存在巨大的個體差異，最終決定一個科學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：比如科學家的情感、心靈傾向，甚至精神以及靈魂高度。

當實驗數據、自然現象等客觀因素與科學家的主觀情感在一個更高層次上達到和諧統一時，科學就和藝術一樣分得了美感，而具有美感的科學理論往往包含了更高法則。

愛因斯坦的E=MC2的公式足以提供證明。愛因斯坦的終生夢想就是把宇宙間所有的作用力統一起來。這是愛因斯坦較之於他同時代的科學家極其不同之處。這個不同不可能脫離愛因斯坦的精神傾向，單從實驗數據中找到解釋。推動愛因斯坦的是一種科學之上的力量，那力量讓他相信：宇宙的一切來自一個作用、一個力量。

因此，當科學家認為物質與能量是不同的量時，只有愛因斯坦站到了一個更高層次，他的智能從局部被推向整體，從個別被推向普遍。於是，他就從複雜中看到簡單，從偶然中發現必然，從不同中找到相同，以一個簡單的公式把物質與能量統一了起來。

那推動愛因斯坦的力量究竟是什麼？愛因斯坦總結他的一生，最後得出這樣的結論：「The subtle is the Lord」(神何等奇妙！)這就是推動愛因斯坦智能的力量，這力量提升了愛因斯坦的精神，使他看見了別人沒有看見的境界。

當時，張首晟對推動愛因斯坦的力量還沒有足夠的認識，但他看見了愛因斯坦理論中那不可多見的美：簡潔、包羅萬象。從此，這個經由張首晟自己總結出來的審美觀就成了張首晟衡量科學理論的一個標準。當科學包含了審美的時候，就包含了精神、情感和主觀，於是，科學的概念就獲得了更大範疇的延伸。

但究竟有沒有一種力量可以支配這一切？如果沒有一個更高的智能可以既作用於自然法則，又作用於學者的心靈，那麼，科學在主客觀上可以依憑什麼達到統一？這個問題科學無法提供答案。

【他被「因信稱義」的真理擊中】

1980年8月，張首晟進入柏林自由大學物理系。11月，他搬到了一對德國老夫婦的家裡。

每天早晨，張首晟和房東夫婦共享早餐。這是一段溫馨時刻，房東夫婦喜歡和張首晟聊天，每天的話題似乎總是圍繞著基督教信仰。原來男主人是個牧師，他喜歡給張首晟講聖經故事，講主耶穌的比喻，張首晟聽得饒有興趣，他覺得主耶穌的比喻與他所熟悉的哲學家的語言何等不同。主耶穌的比喻十分簡潔，但簡潔中卻包含著哲學所達不到的穿透力，甚至，他覺得那些比喻具有一種他從科學定律中所總結出來的美感：「簡潔」，並且「包羅萬象」。

這令他驚奇：為什麼早在公元一世紀時，這個沒有受過科學和哲學訓練的人就能對世界有如此深刻的洞察？為什麼他能使用如此簡潔的語言揭示如此深刻的道理，並且賦予這些道理如此普遍的含義？

張首晟從上海閣樓直到德國所受到的一切哲學、科學訓練都引發著他超越局限的渴望，所以，當他遇到界限的時候不會輕易停止，他更不輕易地聽憑理性對界限之外的事物妄加判斷——他知道理性和邏輯並不代表一切，正如科學實驗並不代表一切一樣。他審慎地使用著理性，一如他審慎地觀察著實驗。這一點有效地避免了他在較低層次上對抗更高層次的東西。

所以，當他聽到聖經故事時，當那些神跡奇事統統超出了他的理性和經驗所能判斷的範圍時，他沒有在現象上糾纏。既然理性和實驗都有局限，既然它們對界限之外的事物無法證實或證否，那麼，他就應該從另一個方向去認識它。

他問房東：「基督教信仰和其它宗教最根本的不同是什麼？」「因信稱義!」房東不假思索地脫口而出。「因信稱義？」張首晟默默地咀嚼著這個答案。驀然，一道不可思義的亮光照亮了張首晟的思想，他一下子就接受了這個答案。他相信，這就是真理！正是這個答案讓他相信，基督教信仰包含了那隱藏在宇宙萬象中的真理！這一切來的如此突然，但在張首晟那裡卻又如此自然。

2000年，當張首晟在斯坦福校園裡回憶這段往事時，他對二十年前的那個早晨所發生的事情作出如下解釋：「宇宙的存在與運動的規律早已使我相信有位創造者，但這位創造者是不是基督教信仰中的神？去德國前我沒有明確答案。當房東以『因信稱義』四字來解釋基督教信仰時，我一下子就想到久已縈繞於心的一個念頭：我相信創世之道與救世之道應體現統一的精神，因為它們是出於同一個力量、同一個意志、同一個主宰。自然法則讓我看到那位創造者以『簡潔』與『包羅萬象』的原則規定了宇宙萬物的秩序和定律。那麼，如果這位創造者要拯救這個世界，我想，他不會違背同一法則。『因信稱義』這四個字多麼簡潔，多麼包羅萬象！

這不可能出自人的思想。人總是傾向於行為的，而行為是何等的複雜，不同時代、不同個人對行為有不同要求。行為標準是非永恆的，也非人所能及。救世之道若不以『因信稱義』為標準，那麼，這道就不具有普遍性，就不可能指向一切人。

所以，當我聽到『因信稱義』這四個字時，我就象看到自然法則一樣感受到了那超越人的意志的力量，這力量征服了我的思想，我不可能再有懷疑。『因信稱義』就是真理！神要救世人，他所啟示的真理非如此簡潔，非如此包羅萬象不可！」

這個思想把張首晟帶進了教堂。那是1980年的聖誕夜。那一夜，管風琴演奏著德國古老的聖誕音樂，燭光溫柔地搖曳著。張首晟一走進教會就有種回家的感覺。他又一次感受到了當年在上海第一次聽到德文聖誕歌時所經歷到的：多麼美，多麼溫暖，多麼令他心動！

他無法用概念解釋，也無法具體描繪那極其真實的感動，那是理性無法把握的狀態——那狀態把他帶進了一種更高的實在，那實在無處不在，甚至，他的裡面可以觸摸得到，這與他過去所接觸到的哲學何等不同。

哲學雖美，卻不容易與個人的生命產生關聯，因此當張首晟進入哲學的時候，常有「高處不勝寒」之感。這個夜晚，他卻感覺到那原本隱藏在宇宙萬象背後的抽象真理被具體化了，具體到可以接觸的地步。這種被具體化了的真理帶給他心靈極大的滿足，他感覺到真善美達到了無比融洽的統一。

【當他憑信心站在更高的層次上】

1983年，張首晟獲得柏林自由大學物理碩士學位。同年進入美國紐約州立大學物理系攻讀博士學位。1987年，他獲得博士學位，同年進入加州大學聖塔芭芭拉分校從事博士後研究。1989年底他結束了博士後研究，與妻子曉帆一起到了聖何塞的IBM繼續從事科學研究工作。

雖然他還沒受洗，但基督教信仰已深刻影響了張首晟的世界觀，這使他的科學思想與當時從中國來的學生學者有明顯不同。他相信數據背後有更高層次的意義，因為宇宙不是無序、偶然的，宇宙出自一個有目的、有意義、有計劃的設計。這個信念使他不能接受對自然現象和實驗數據的任何膚淺解釋。

到了聖何塞之後，他和曉帆重新接觸到教會，開始了定期的團契生活。他發現，信仰不僅僅可作用於他的思想，使他的思想進入更大的框架，不僅僅可作用於他的理性，使他的理性突破局限，信仰還可以作用於他生命的每一個層面、一切的情感。直到此時，那隱藏在宇宙萬物背後的抽象真理才真正具體化到他個人的生命里。這種連接使他對真善美的渴望得到了在哲學和科學中無法獲得的滿足。1991年初夏，張首晟和妻子一起受洗。

1993年，張首晟被斯坦福大學物理系聘為副教授。從此，他進入了現代物理學研究領先的前沿。這所大學物理系的教授曾多次獲得諾貝爾物理獎。1994年，張首晟重新進入了現代物理學的尖端領域——超導性研究。這項研究他之前曾經進行，但時有間斷。此時他再次將精力集中到這個前沿領域。

超導性是指導電材料的電阻和體內磁感應強度在溫度和磁場都小於一定數值的條件下突然變為零的性質。在超導態中，物體的熱、電、磁等性質都與正常態迥異，超導體的奇特性質激發了很多科學家的研究興趣。

1995年，年僅32歲的張首晟以出色的研究能力獲得了斯坦福大學物理系終生教授的位置。同一時期他的超導研究也進入關鍵。他期待著一個重大突破，但卻遇到了極大阻力——他沒有辦法提出一個合理的理論，來解釋超導實驗中出現的眾多複雜現象，對這些現象許多物理學家都試圖給出解釋，但卻沒有令人滿意的答案。

起初，張首晟提出的理論基點太低，故此無法涵蓋複雜現象。他對此也一籌莫展。1996年春，已經竭盡全力的張首晟始終無法獲得理論突破，就趁春假暫時離開實驗室，與教會的弟兄姐妹們一起去美中美東地區短宣。

張首晟向旅美大陸學人分享了自己在科學與信仰方面的見證，對那些認為理性與信仰相抵觸的學生學者有很大觸動。張首晟自己也再次經歷了信仰對他理性和智能的推動。當他對眾人見證上帝在宇宙萬象中的作為時，他的思路不期然地進入了一個更大的框架，他從中看見上帝無與倫比的智慧和榮耀。

短宣回來之後，張首晟心中洋溢著一種難以抑制的情感——上帝榮耀的光輝照亮了他裡面，在榮耀之光中，他看見了科學的神聖——科學的責任就是提供上帝在自然中所作所為的最真實最榮耀的見證。他的情感被一種無法抗拒的美推動著，他渴望以科學提供對美的見證。當這一切在他裡面發生時，他對一直無法突破的問題竟有了意外的發現——他找到一個設置在更高層次上的理論基點。

從經驗看，在更高層次上提出理論會有更大的難度，但張首晟的信念支持他非到這個層次上尋找結論不可。當他憑信心站到更高層次上，他苦苦尋求的原理出乎意料地清晰呈現出來——他只用了一個簡潔的對稱性原理就清楚解釋了超導性研究中許多科學家無法解釋的複雜現象。

1997年2月21日出版的美國《科學》雜誌刊登了張首晟的這篇重要論文。他提出的理論是超導研究中的重要突破，這個突破對諸多領域起到了毋庸置疑的貢獻。無論這個突破是否會成為他日後走向更大成就的標誌性起點，這個突破本身已包含了上帝榮耀的見證。同時，這個突破將把他引入更美、更廣闊、更深遠的信仰旅程。

【後記】

2006年，張首晟領導的研究團隊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；2008年，張首晟預言的量子反常霍爾效應在2013年被中國的實驗團隊證實；對拓撲絕緣體的發現讓他榮獲2015年富蘭克林獎章。此外，他先後獲得過古根海姆基金獎、洪堡研究獎、歐洲物理獎等諸多獎項，入選美國文理科學院院士、中國科學院外籍院士、美國國家科學院院士。

諾貝爾物理學獎獲得者Frank Wilczek對Majorana費米子的發現如此評價: 張首晟與團隊設計了全新的體系，並在實驗中清晰地測量到Majorana費米子，這是一項里程碑的工作。

張首晟被認為「獲得諾貝爾獎只是時間問題」，天使粒子的發現使他將來可能獲得諾貝爾物理獎的呼聲再度高漲。

（更新：基甸按：評論中有問張首晟相關觀點的出處和這篇文章是幾手資料的。回答是這篇文章的主體是作者寧子到張首晟家面對面訪談他的記錄，張自己也寫過這方面的文章佐證寧子沒有歪曲他的意思：

傑出華人物理學家張首晟論科學與信仰 ）

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