Хавьер Фресан - Том. 22. Сон разума. Математическая логика и ее парадоксы

• Название: Том. 22. Сон разума. Математическая логика и ее парадоксы
• Автор: Хавьер Фресан
• Издательство: «Де Агостини»
• Жанр: Математика
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-9774-0717-5

На пути своего развития математика периодически переживает переломные моменты, и эти кризисы всякий раз вынуждают мыслителей открывать все новые и новые горизонты. Стремление ко все большей степени абстракции и повышению строгости математических рассуждений неминуемо привело к размышлениям об основах самой математики и логических законах, на которые она опирается. Однако именно в логике, как известно еще со времен Зенона Элейского, таятся парадоксы — неразрешимые на первый (и даже на второй) взгляд утверждения, которые, с одной стороны, грозят разрушить многие стройные теории, а с другой — дают толчок их новому осмыслению.

Имена Давида Гильберта, Бертрана Рассела, Курта Гёделя, Алана Тьюринга ассоциируются именно с рождением совершенно новых точек зрения на, казалось бы, хорошо изученные явления. Так давайте же повторим удивительный путь, которым прошли эти ученые, выстраивая новый фундамент математики.

---

«Недавно писатель Катарина Гейтс попыталась составить таблицу всех сексуальных фетишей. Она понятия не имела, что ту же задумку уже однажды провалили Рассел и Уайтхед».

Один из героев комикса говорит:

— Привет, Гёдель. Мы тут собираем полный список всех фетишей. Скажи, что тебя возбуждает?

— Всё, что не в вашем списке, — отвечает Гёдель.

* * *

Существуют неполные системы, которые перестают быть таковыми, если добавить к ним несколько аксиом. Однако в случае с арифметикой это не так: Гёдель не только привел недоказуемое утверждение Gs, но и доказал, что не имеет смысла включать его в качестве аксиомы, так как, применив аналогичный метод на множестве Т = S + Gs  — множестве аксиом, которое вновь будет непротиворечивым и рекурсивно перечислимым, — мы получим новое истинное, но недоказуемое высказывание GT. Если отрубить гидре с бесконечным числом голов одну, это не спасет нас от неполноты.

Мы обещали объяснить, как можно перевести на язык арифметики неразрешимое высказывание «я недоказуемо», однако вначале скажем несколько слов о второй теореме о неполноте. В главе 1 мы упомянули, что в противоречивой системе аксиом любое высказывание является теоремой. Следовательно, существование хотя бы одной формулы, которая не является теоремой, позволяет доказать, что рассматриваемая теория является непротиворечивой. Если можно найти всего одно недоказуемое высказывание, это автоматически доказывает непротиворечивость системы. Достаточно всего одного! Поэтому зачем рассматривать сложные высказывания, когда достаточно простейшего: 0 = 1? В начале книги мы указали, как теорема «единица отлична от нуля» выводится из аксиом Пеано. Нетрудно убедиться в том, что в любой разумной теории о числах, даже при выборе иных аксиом, ноль будет отличаться от единицы. Таким образом, заявление «арифметика является непротиворечивой» равносильно словам: формула 0 = 1 недоказуема.

И вновь мы столкнулись с высказыванием на метаязыке, однако благодаря «гёделизации» мы можем преобразовать ее в формулу о числах, которую обозначим СоnS (где S — система аксиом). В этой системе обозначений первая теорема о неполноте гласит, что из СоnS следует Gs так как если арифметика является непротиворечивой (иными словами, СоnS истинна), то Gs истинна. Здесь будет уместно напомнить, в чем заключается одно из важнейших правил дедукции, modus ponens, позволяющее выводить из логической формулы «если А, то В» и формулы А формулу В. Предположим на мгновение, что непротиворечивость арифметики можно доказать в рамках самой арифметики. Следовательно, формула СоnS является доказуемой, и, вкупе с доказательством первой теоремы о неполноте СоnS —> Gs согласно modus ponens следует доказательство Gs. Однако этот вывод абсурден, ведь Gs недоказуема! Единственный возможный вывод таков: чтобы доказать непротиворечивость арифметики, нужно выйти за ее пределы — именно об этом говорится во второй теореме о неполноте, которую сам Гедель считал «неожиданным следствием» своих исследований.

Согласно программе Гильберта, для доказательства непротиворечивости математики следовало начать с арифметики. Тем не менее вторая теорема Гёделя указывает, что если доказательство непротиворечивости арифметики существует, то в нем обязательно должны использоваться более сложные методы, чем предложенные формалистами финитные. Читатель наверняка заметил, что название статьи Геделя «О формально неразрешимых предложениях Principia Mathematica и родственных систем I» наводит на мысли о возможном продолжении. И действительно, в этой статье содержались лишь наброски второй теоремы о неполноте. Хотя все указанное в ней было верно, Гедель так и не написал вторую часть статьи, что согласуется с его образом «исследователя, который оставляет работу над деталями остальным», созданным его биографами. На самом деле Гедель объяснил все подробности доказательства Давиду Гильберту и его коллеге Паулю Бернайсу (1888–1977) во время трансатлантического путешествия — они и опубликовали первое полное доказательство второй теоремы о неполноте в 1939 году. О духе тогдашней науки свидетельствует тот факт, что сам Гильберт завершил доказательство теоремы, которая сводила на нет все его труды в течение предыдущих 23 лет.

Однако теоремы о неполноте были приняты совершенно не так, как они того заслуживали. Некоторые математики считали, что неразрешимое высказывание «я недоказуемо» — лишь любопытный частный случай, никак не влияющий на их исследования. Были и те, кто не понимал тонкую разницу между истинным и доказуемым и обвинял Гёделя в том, что он воспроизвел парадокс лжеца. К их числу относился и шестидесятилетний Эрнст Цермело, хотя он как никто другой знал, сколь тяжело бороться за идею: его аксиома выбора в свое время вызвала огромное множество критических отзывов. Словом, математическое сообщество в то время не было готово понять работу, содержавшую принципиально новые методы и касавшуюся области, которая традиционно была уделом меньшинства. Томас Кун совершенно прав, указывая в своей книге «Структура научных революций», что «открытие всегда сопровождается трудностями, встречает сопротивление, утверждается вопреки основным принципам, на которых основано ожидание». К счастью, перевод статьи Гёделя на английский язык и популярное изложение его теорем способствовали тому, что начиная с 70-х годов теоремы о неполноте постепенно обрели статус важнейших открытий в логике со времен Аристотеля.

Курт Гёдель в Институте перспективных исследований в Принстоне, Нью-Джерси.

* * *

ГЁДЕЛЬ И АМЕРИКАНСКОЕ ГРАЖДАНСТВО

Покинув нацистскую Германию, Курт Гёдель в 1940 году был принят на работу в Принстонский университет. Когда семь лет спустя он получил американское гражданство, с ним произошел анекдотичный случай. Как и остальные кандидаты, Гёдель должен был продемонстрировать на экзамене знание американской конституции. И хотя экзамен был лишь формальностью, Гёдель решил серьезно подготовиться к нему, однако во время подготовки обнаружил в Конституции США несколько логических противоречий:

— Ранее у вас было немецкое гражданство?

— Нет, австрийское! — поправил чиновника Гёдель.

— Какая разница, в любом случае — страна с проклятым диктатором. К счастью, в Америке это невозможно!

— Совершенно наоборот, — перебил Гёдель. — И я знаю, как это может случиться!

Однако чиновник, которого Альберт Эйнштейн предупредил, что Гёдель отличается от остальных кандидатов, взял нить разговора в свои руки и перешел к рутинным вопросам, сказав: «Не будем умствовать». Примерно в то же самое время некоторые логики начали формировать основы новой теории — деонтической логики, целью которой было избежать противоречий при дополнении существующих законов новыми положениями.

* * *

Гёделевская нумерация

21 июня 1851 года Адольф Андерсен, лучший шахматист того времени, встретился в одном из старейших ресторанов Лондона с Лионелем Кизерицким, преподавателем шахматного клуба в Париже, и сыгранная ими партия позже была названа бессмертной. Впечатленный стратегией Андерсена, который пожертвовал слоном, ферзем и двумя ладьями, Кизерицкий захотел отправить запись партии в свой шахматный клуб. «Белые: пятая пешка слева передвинута на две клетки вперед. Черные: пешка на той же вертикали ставится перед пятой пешкой белых. Белые: третья пешка справа передвигается на две клетки вперед. Черные: пешка, которой был сделан первый ход, бьет пешку, которой белые совершили последний ход»… Но нет! Запись выглядела вовсе не так. Ее первые символы: е2—е4 е7—е5 f2—f4 е5: f4 …». Вся запись заняла не больше трех строк!

Если бы шахматист использовал первый способ записи, стоимость телеграммы с описанием партии превысила бы стоимость счета в «Кафе де ля Режанс», где сыграть в шахматы можно было за пять франков в час.

Игроки разработали чрезвычайно краткий способ записи ходов. Для этого они, во-первых, применили старинный метод аналитической геометрии Декарта, благодаря которому каждая клетка шахматной доски стала обозначаться двумя координатами: латинской буквой от а до h обозначались вертикали, числами от 1 до 8 — горизонтали. Пешки не обозначались никак, а все остальные фигуры получили обозначения по первым буквам названий (в русской нотации: Кр — король, Ф — ферзь, А — ладья, К — конь, С — слон). Далее нотация пополнилась другими символами: взятие фигуры обозначалось буквой х (в русской нотации — двоеточием), шах — знаком умножения в русской нотации и решеткой (#) — в международной. В этой нотации последовательность символов «е2—е4 е7—е5 f2—f4 е5: f4» означает: «белые делают ход пешкой на клетку е4, черные отвечают ходом пешки на е5. Затем белые делают ход пешкой на f4, черные проводят взятие этой пешки пешкой, которая находилась на клетке е5».