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.

---

* * *

РАЗРЕШИМАЯ СИСТЕМА С БЕСКОНЕЧНЫМ ЧИСЛОМ АКСИОМ

Одну из возможных рекурсивно перечислимых систем с бесконечным числом аксиом можно получить, если развернуть одну из аксиом Пеано в бесконечное число утверждений. Аксиому «О не следует ни за каким натуральным числом»» можно считать сжатой формой множества высказываний: «О не следует за нулем», «О не следует за единицей», «О не следует за двойкой» и т. д. до бесконечности. Предположим, что мы хотим определить, является ли некоторое высказывание одной из этих аксиом. Разумеется, оно будет принадлежать приведенному выше списку, если будет начинаться со слов «О не следует за…», а далее будет указано некоторое число. Напомним, что «единица»» в действительности означает «число, следующее за нулем», «два» — «число, следующее за числом, следующим за нулем» и т. д. Нам останется только подсчитать, сколько раз в нашем высказывании встречается слово «следующее». Следовательно, рассматриваемая нами система аксиом является рекурсивно перечислимой.

* * *

Подведем итог. Аксиоматический метод появился примерно в 300 году до н. э., с написанием «Начал». Евклид считал, что аксиомы являются очевидными истинами, соответствующими нашим представлениям о предметах в физическом мире, однако открытие новых геометрий в середине XIX века покончило с этим реалистическим подходом. С того времени аксиомами называются всего лишь высказывания, выбранные из соображений удобства в качестве основы математической теории.

Когда мы применяем к аксиомам определенные правила вывода, например modus ponens или modus tollens, мы получаем новые истинные высказывания, которые в математике называются теоремами. Истинность теорем определяется доказательствами — конечными последовательностями высказываний, первым из которых является аксиома, следующими — либо аксиомы, либо утверждения, полученные из предыдущих по правилам вывода. Теория представляет собой множество аксиом, правил вывода и всех теорем, которые можно доказать с помощью этих правил на основе аксиом.

Логика — раздел математики, занимающийся изучением теорий в абстрактном виде. Поэтому любая система аксиом вызывает у логика интерес не своим содержанием, а тем, соответствует ли она трем свойствам: непротиворечивости, рекурсивной перечислимости и полноте. Первое свойство гарантирует, что теория не содержит противоречий, и это необходимый минимум, позволяющий построить математическое здание. Рекурсивная перечислимость означает, что теория не содержит слишком много аксиом — иначе возникнет ситуация, когда мы не сможем определить, является ли данное доказательство истинным. Наконец, полнота теории означает, что ее аксиом достаточно для вывода всех истинных утверждений в области, к которой она относится. Иными словами, в такой теории можно доказать или опровергнуть любое утверждение формальными методами.

В следующей главе мы рассмотрим ряд парадоксов, которые в конце XIX столетия пошатнули тысячелетние основы математики. К счастью, вскоре были предложены различные решения, для которых кажущейся непротиворечивости аксиом было недостаточно — ее еще нужно было доказать. Об этой формалистской программе мы поговорим в главе 3. Затем мы расскажем об одном из прекраснейших элементов логики — теореме Гёделя о неполноте, которая определяет равновесие между непротиворечивостью, полнотой и рекурсивной перечислимостью.

Глава 2 Парадоксы

Парадокс есть сама страсть мыслителя.

Сёрен Кьеркегор

Хотя родители юного Бертрана Рассела в своем завещании указали, что их младший сын должен воспитываться на тех принципах, во имя которых они сражались во времена викторианской Англии, бабушка со стороны отца не допустила, чтобы этот мальчик с умными глазами стал атеистом. Ребенка передали воспитательницам, которые в классическом духе обучали Бертрана религии и иностранным языкам, благодаря чему юный аристократ в совершенстве овладел французским, немецким и итальянским и несколькими годами позже смог с легкостью путешествовать по всему миру. Однако в те далекие дни юности Бертран думал лишь о замысловатых греческих символах, которые так подходили для того, чтобы выразить его печальные мысли о самом себе и о выпавшей ему доле.

Меланхолию не развеяло даже поступление в академию города Саутгейт для подготовки ко вступительным экзаменам в Кембриджский университет. Рассел надеялся, что общение со сверстниками ему поможет, он представлял себе идиллические картины, в которых он читал великих английских поэтов и обсуждал их творчество с другими учениками или спорил до рассвета о занимавших его философских проблемах. В действительности его ждала группа молодых людей, которые думали только о выпивке и волочились за женщинами, а женщины при каждом удобном случае смеялись над робким впечатлительным юношей. Подобно романтическим героям, Бертран многие вечера провел, гуляя по тропинкам Саутгейта, любуясь закатом и думая о самоубийстве.

Он не сделал этот последний шаг не потому, что ему не хватило духа, а потому, что когда Бертрану было 11 лет, его брат Фрэнк открыл ему врата рая, который стал для него настоящим спасением и о котором еще столько предстояло узнать. Знакомство юного Рассела с райским садом «Начал» Евклида, к которым он обращался всякий раз, когда враждебный мир делался невыносимым, было подобно первой любви. Однако счастье Бертрана было неполным — хотя, по рассказам, греческий мудрец доказал все, каждый, кто открывал страницы этой книги, должен был принять на веру следующее утверждение: «Точка есть то, что не имеет частей».

Бертран Рассел в 1893 году в возрасте 21 года, удостоенный степени бакалавра математики кембриджского Тринити-колледжа.

А если бы она имела части? «От всякой точки до всякой точки можно провести прямую». А если нельзя? Бертран неохотно прислушался к совету брата, говорившего, что если не принять аксиомы на веру, обучение продолжить нельзя.

Прошло время, и спустя 12 лет после приезда в Олд-Саутгейт Бертран снова оказался в тупике — как в те моменты, когда он думал о самоубийстве. За эти 12 лет успело произойти многое: он получил степень по математике и философии в Кембриджском университете, где тайное общество лучших студентов, называвшее себя «Апостолами», наконец подарило ему тысячи часов бесед, которые он надеялся найти во время учебы. Он успел совершить путешествие, опубликовать первые книги о немецкой социал-демократии и основах геометрии и сочетаться браком с Элис Пирсолл — дочерью американских квакеров. Основным занятием Рассела оставалась математика, а его целью было свести аксиомы геометрии к законам логики, чтобы никакое утверждение больше не требовалось принимать на веру.

Попытавшись вывести из логики всю математику, Бертран столкнулся с противоречием, которым на первый взгляд казалась одна из задачек вида «Может ли мужчина жениться на сестре своей вдовы?». Чтобы увидеть, в чем заключается подвох, достаточно проанализировать значение каждого понятия. Однако разрешение противоречия, которое волновало Рассела, требовало гораздо больших усилий: два лета подряд он день за днем глядел на чистый лист бумаги, утро сменялось полуднем, наступал вечер, а лист по-прежнему был чистым, и в конце концов он пришел к мысли о том, что не существует множества всех множеств, которые не содержат сами себя.

Теория множеств

Чтобы понять, в чем заключается парадокс, который положил конец счастливой и спокойной жизни Бертрана Рассела, сначала в нескольких словах опишем основы теории множеств. В предыдущей главе мы хотели показать, что основы аксиоматического метода можно встретить уже в «Началах», однако для Евклида аксиомы были очевидными истинами, а не исходными утверждениями, выбранными из соображений удобства. Со временем языка Евклида оказалось недостаточно для изложения новых математических идей. Доказать сложные теоремы XIX века исключительно с помощью слов и фигур было так же сложно, как сегодня перевести на один из мертвых языков инструкцию для iPhone.

Постепенно математическая нотация становилась все более символической: была введена форма, пригодная не только для записи рядов, производных и интегралов, — благодаря работам английского математика Джорджа Буля (1815–1864) стало возможным записывать в виде уравнений логические высказывания. Геометрия изучает фигуры в пространстве, арифметика — числа, математический анализ — средства, необходимые для формализации физических законов, алгебра — уравнения. Можно ли найти язык, общий для всех этих дисциплин, который сделал бы очевидным их единство?