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.

---

Если мы повторим эти же рассуждения, заменив единицу на двойку, то докажем, что существует натуральное число, которое мы назовем «три» и которое отличается от всех уже упомянутых, то есть от нуля, единицы и двойки. Повторив эти же рассуждения достаточное число раз, можно доказать, что конкретное число, например 1729, отличается от следующего за ним и от всех предыдущих. Благодаря аксиоме индукции, чтобы доказать утверждение «всякое натуральное число отличается от следующего», достаточно доказать, что единица отличается от нуля (иными словами, что падает первая костяшка домино) и что это же утверждение верно для произвольного конкретного числа и следующего за ним (другими словами, что при падении костяшки домино падает и следующая за ней).

Читатель, дошедший до этих строк, усомнится, обязательно ли прибегать к такому многословию, чтобы убедиться в элементарном, а именно в том, что два натуральных числа различны. И он будет совершенно прав, поскольку ни один отец не станет таким способом объяснять сыну, что две карамельки в кармане не то же самое, что всего одна. Однако логика описывает не рассуждения обычной жизни, а способ, которым нужно рассуждать, чтобы гарантированно прийти к истинному заключению. Мы избавили термины «ноль», «число» и «следующее» от всех интуитивно понятных значений, сведя их к абстрактным понятиям, связанным между собой посредством аксиом и правил вывода.

Чего мы ожидаем от аксиом

Благодаря новой концепции аксиом и доказательств, те теории, в которых немногие очевидные истины занимали привилегированное положение, стали более демократичными системами. В этих системах любые высказывания могут быть названы аксиомами. Однако это верно лишь априори, поскольку неразумно допускать, чтобы грудной ребенок был избран премьер-министром, и столь же неразумно выбирать аксиомы совершенно произвольно. Подобные ограничения никак не умаляют полезность и аксиоматических теорий. Евклид четко понимал, как следует выбрать аксиомы, но когда использовать повседневный опыт оказалось невозможно, пришлось определить формальные критерии корректности аксиом: непротиворечивость, рекурсивную перечислимость и полноту.

Чтобы объяснить, что означает непротиворечивость системы аксиом, немного пофантазируем о технологиях будущего. Мы легко можем предположить, что через сто лет группа ученых создаст всеразрушающий снаряд, способный в мгновение ока уничтожить любой предмет. Мы также можем представить, что, создав новые сплавы, другая группа ученых спроектирует самолет, неуязвимый для любого оружия.

Каждое из этих утверждений вполне допустимо, например, в научно-фантастическом фильме, однако в сценарии вряд ли обе эти гипотезы будут выполняться одновременно, поскольку если кто-то выстрелит всеразрушающим снарядом по неуязвимому самолету, мы столкнемся с парадоксом.

В общем случае говорят, что множество аксиом является непротиворечивым, если оно не порождает противоречий, то есть если из него нельзя вывести некоторое высказывание и его отрицание одновременно. Так, аксиомы «существует всеразрушающий снаряд» и «существует неуязвимый самолет» противоречивы, так как из первой следует, что при ударе снаряда самолет разрушится, а из второй — что самолет останется неповрежденным. Требование непротиворечивости — минимальное требование к аксиомам, но проблема заключается в том, что гарантировать непротиворечивость системы аксиом часто можно только с помощью более сложных теорий, непротиворечивость которых ставит больше вопросов, чем ответов. Эта гигантская черепаха, которая стоит на другой черепахе, та — на третьей и т. д. до бесконечности, будет одним из чудовищ, с которым придется сразиться героям нашей истории.

* * *

В ПРОТИВОРЕЧИВОЙ СИСТЕМЕ АКСИОМ ЛЮБОЕ ВЫСКАЗЫВАНИЕ — ТЕОРЕМА

Допустим, что мы хотим доказать истинность высказывания Q. Так как система аксиом противоречива, существует теорема Р, отрицание которой, не-Р, также будет теоремой. Это означает, что можно найти доказательства Р и не-Р. Как мы уже говорили, когда речь шла о правилах вывода, заключение «Если Р и не-Р, то Q» является корректным, так как исходные посылки никогда не выполняются одновременно. Так как в противоречивой системе аксиом Р и не-Р — теоремы, объединив правило вывода «Если Р и не-Р, то Q» и доказательства Р и не-Р, с помощью modus ponens можно показать, что Q — теорема. Иными словами, сколь бы невероятным это ни казалось, в мире, где ноль равен единице и одновременно отличается от нее, вы — мой отец (даже если вы — женщина). Ex contradictione… — из противоречия следует все что угодно.

* * *

Чтобы объяснить понятие полноты, оставим в стороне научную фантастику и воспользуемся примером, который мне подсказало одно из произведений аргентинского писателя Гильермо Мартинеса. Представьте, что в закрытой комнате совершено убийство. Прибыв на место преступления, полиция обнаруживает рядом с трупом двух подозреваемых. Каждому из них известна вся правда о том, кто же убийца. Тем не менее если подозреваемые не признаются, полицейским придется начать поиски отпечатков пальцев, следов ДНК и любых других косвенных доказательств, которые позволят вынести обвинение. Если же эти поиски ни к чему не приведут, то подозреваемые будут выпущены на свободу.

Или: после тяжелого рабочего дня полицейские отправляются в бар, чтобы расслабиться. Один из них только что поступил на службу, и остальные едва знакомы с ним. Судя по тому, что он рассказывает сослуживцам, он родился в Саламанке, затем его семья сразу же переехала в Барселону, потому что его родители хотели жить у моря. При этом его коллеги не могут понять, женат он или нет. Нет сомнений в том, что на этот вопрос существует только один правильный ответ.

Из обеих ситуаций понятно, что довольно часто «истинное» не означает «доказуемое». Именно это имеют в виду логики, когда говорят о неполноте системы аксиом. В идеале все истинные утверждения о некоторых объектах можно доказать на основе нескольких аксиом. Но, как правило, теория содержит высказывания, которые нельзя ни доказать, ни опровергнуть, — такие высказывания называются неразрешимыми. Опровергнуть высказывание означает доказать его отрицание: например, опровергнуть высказывание «все лебеди белые», которое мы уже упоминали, означает доказать, что «существует лебедь не белого цвета». Полные теории — это теории, которые не содержат неразрешимых высказываний, или, что аналогично, это системы аксиом, в которых для произвольного высказывания можно доказать или это высказывание, или обратное ему. Внимательный читатель уже заметил, что во втором определении полноты расплывчатое понятие «истина» заменено понятием «доказательство». Так удалось разрешить некоторые из парадоксов, которые издавна волновали философов.

С большинством математических теорий дело обстоит так же, как в нашем первом примере: никто не может однозначно ответить, виновны подозреваемые или нет. Но не удивляйтесь, когда мы скажем, что всегда можно выбрать аксиомы так, чтобы теория была полной: для этого система аксиом должна содержать все истинные высказывания. В этом случае все доказательства будут выполняться в одну строчку, так как всё, что мы захотим доказать, уже будет аксиомой. Почему бы нам не поступить именно так, ведь полные теории — это настоящий рай для логиков?

Всё доказуемое будет совпадать с истинным, а доказательства будут максимально короткими. Однако множество всех возможных истинных высказываний слишком велико, чтобы его можно было выбрать в качестве множества аксиом. Нас интересует не столько длина доказательств, сколько возможность проверить их корректность каким-либо автоматическим методом. Так как в доказательстве каждое утверждение является либо аксиомой, либо выводится из предыдущих с помощью правил, чтобы узнать, доказывает ли перечень высказываний некоторую теорему, мы должны иметь возможность подтвердить, что некоторое высказывание является аксиомой. И если мы включим в систему слишком много аксиом, подобная проверка потребует бесконечно много времени.

Система аксиом называется рекурсивно перечислимой, когда подобного не происходит, то есть когда за конечное число шагов можно доказать, является ли произвольное утверждение аксиомой. Критерий рекурсивной перечислимости становится препятствием на пути «жадного» логика, который хочет доказать все больше и больше теорем, не позволяя добавить к системе все необходимые аксиомы. Разумеется, рекурсивно перечислимыми являются системы аксиом геометрии и арифметики, а также, в общем случае, все системы, содержащие конечное число аксиом. Также существуют рекурсивно перечислимые системы с бесконечным множеством аксиом, поскольку основной особенностью таких систем является не число аксиом, а то, что корректность любого доказательства, составленного на их основе, можно подтвердить за конечное число действий.