Энрике Грасиан - Том 18. Открытие без границ. Бесконечность в математике

• Название: Том 18. Открытие без границ. Бесконечность в математике
• Автор: Энрике Грасиан
• Издательство: Де Агостини,
• Жанр: Математика
• Год: 2014
• ISBN: 978-5-9774-0682-6; 978-5-9774-0713-7 (т. 18)

Большинство из нас испытывает головокружение, думая о бесконечности: ее невозможно себе представить! Быть может, именно поэтому она является неисчерпаемым источником вдохновения. В погоне за бесконечностью ученым пришлось петлять между догмами и парадоксами, вступать на территорию греческой философии, разбираться в хитросплетениях религиозных измышлений и секретов тайных обществ. Но сегодня в математике бесконечность перестала быть чем-то неясным и превратилась в полноценный математический объект, подобный числам и геометрическим фигурам.

---

Некоторые понятия недоступны нашему пониманию, но тем не менее они существуют. Между страхом абсолютного ничто и страхом бесконечности нет особой разницы. По сути, это две стороны одной и той же монеты, хотя бесконечность обычно представляется более пугающей, поскольку она в некотором смысле ближе к нам. Мы не можем представить, что пространство, в котором мы живем, является конечным. Когда кто-то пытается представить, что наше пространство конечно, сразу возникает вопрос: «А что находится за его пределами?» Ответом не может быть: «Ничто». Там должно находиться другое пространство, пусть и пустое. Ответ на этот вопрос прост. Мы не знаем, что такое «ничто», а бесконечность, порой воображаемая, нас окружает постоянно, переставая быть просто понятием или концепцией. Присутствие бесконечности и сопутствующих ей вопросов во всех культурах ясно говорит о том, что, нравится нам это или нет, она является частью нашей природы, как жизнь, смерть или время.

Согласно Аристотелю, бесконечного пространства не существует. Он считал, что бесконечное пространство может быть занято только бесконечно большим предметом, которого не существует. Этот мраморный бюст Аристотеля является римской копией с греческого оригинала, выполненного в бронзе Лисиппом в 330 г. до н. э.

Потенциальная и актуальная бесконечность

Предположим, что мы проводим на полу прямую линию так, что если мы сделаем шаг вперед, то перешагнем ее. Это потенциально возможное действие. Совершив его и оказавшись по другую сторону линии, мы сделали этот потенциал актуальным.

Существует четкая разница между потенциально возможным действием и действием совершенным. Например, может случиться так, что я захочу перешагнуть линию, но произойдет землетрясение и в полу образуется огромный разлом, который не позволит мне сделать этот шаг.

Мы говорим, что последовательность натуральных чисел 1, 2, 3, 4, … является бесконечной. Изначально это никто не подвергает сомнению, поскольку для любого числа n мы всегда можем получить следующее число n + 1, сколь бы велико ни было n. Однако одно дело — иметь возможность выполнить подобное действие, и совсем другое — совершить его в реальности и получить результат. Это очень тонкое различие. Возможность совершить действие определяет потенциальную бесконечность, а результат такого действия — актуальную бесконечность. Слова, обозначающие два различных типа бесконечности, не совсем удачны или, по меньшей мере, не до конца понятны. Возможно, более уместно (но также не совсем удобно) было бы называть потенциальную бесконечность теоретической, а актуальную — истинной бесконечностью.

Никто не может записать все целые числа — это неоспоримый факт. Так же верно, что никто никогда не видел две параллельные прямые, поскольку прямые бесконечны и мы можем видеть лишь их отрезки. Значит ли это, что параллельных прямых не существует? Они существуют настолько же, насколько существуют прямые вообще, но есть ли на самом деле бесконечная прямая? Евклид в своей известной книге «Начала» пытался рассматривать эту тему, поскольку, упоминая о прямых, он говорил об отрезках, чья длина может быть произвольно большой. Это весьма явная параллель с потенциальной бесконечностью.

Принятие актуальной бесконечности — не просто вопрос выбора, вкуса или предпочтений. Это нетривиальная философская задача. Следует учитывать, что в математике (ив науке вообще) до конца XIX века признавалось существование только потенциальной бесконечности. В философской школе Аристотеля был негласный запрет на использование актуальной бесконечности. «Невозможно чтобы бесконечность существовала в действительности как нечто сущее либо как субстанция и первоначало, — писал он и добавлял: — А что много невозможного получается, если вообще отрицать существование бесконечного, — [это тоже] очевидно», поскольку бесконечность «существует потенциально […] благодаря прибавлению или делению».

Так, по Аристотелю, отрезок нельзя рассматривать как бесконечное множество точек, выстроенных в линию, однако допускается деление отрезка пополам неограниченное число раз.

Мы задали перечисленные ниже вопросы о бесконечности обычному человеку, не имеющему специального математического или философского образования. Отвечать требовалось быстро, не раздумывая, в соответствии со «здравым смыслом», который является отражением наших культурных представлений.

* * *

БЕСКОНЕЧНОСТЬ И ОТЦЫ ЦЕРКВИ

В Средневековье споры об актуальной бесконечности не могли вестись в математической плоскости, поскольку бесконечность считалась свойством исключительно божественного и, следовательно, о ней могли рассуждать лишь богословы. Как говорил Аврелий Августин, «бесконечен лишь Бог и его мысли». Удивительно, но несмотря на это церковные сановники отрицали, что Бог способен создать актуальную бесконечность. Фома Аквинский в своем труде «Сумма Теологии» показал: хотя Бог всемогущ и бесконечен, он не может создать нечто абсолютно безграничное. Этот вывод можно оправдать, только если признать, что актуальная бесконечность в богословии равносильна абсолютному злу.

* * *

Вопрос: Что такое бесконечность?

Ответ: Что-то, что никогда не заканчивается.

Вопрос: И что это означает?

Ответ: Что ее части можно пересчитывать бесконечно долго.

Вопрос: Почему счет никогда не закончится?

Ответ: Потому что последнего числа не существует.

Вопрос: Откуда вы знаете?

Ответ: Я не могу это доказать. Я в это верю.

Вопрос: Иными словами, речь идет о вере.

Ответ: Не совсем. Я знаю, что каким бы большим ни было число, я всегда могу прибавить к нему другое число.

Вопрос: Я не согласен с этим. Даже если всю жизнь вы будете заниматься исключительно подсчетами, ваша жизнь конечна, и вы не сможете складывать числа неограниченное время.

Ответ: Это не важно — подсчетами могут заниматься несколько поколений людей.

Вопрос: Но жизнь на Земле также не вечна. Даже время существования самой Солнечной системы четко отмерено.

Ответ: Все равно. Не нужно, чтобы кто-то выполнял эти подсчеты в действительности. Достаточно знать, что это можно сделать. Даже если бы на Земле не было людей, это можно было бы сделать. Если никто не может сделать что-то, это не означает, что это «что-то» не существует.

Вопрос: Таким образом, бесконечность — это нечто, существующее независимо от нас.

Ответ: Разумеется.

В этих вопросах и ответах скрыты основные различия между актуальной и потенциальной бесконечностью. Тот, кому мы задали эти вопросы, очевидно склоняется к точке зрения Аристотеля.

* * *

НА КОСТЕР РАДИ БЕСКОНЕЧНОСТИ

В 1600 году Джордано Бруно (1548–1600) совершил «грех», представив, что мы живем в бесконечном пространстве, содержащем бесконечное множество миров. Затем он сделал ошибку, высказав эти мысли публично, за что был сожжен на костре. До этого он семь лет провел в заключении и перенес всевозможные пытки. Это доказывает, что, во-первых, Бруно был абсолютно уверен в своей гипотезе о бесконечности и в своем праве на свободу мысли и, во-вторых, идти против большинства в ту эпоху было опасно. Печальный парадокс заключается в том, что в настоящее время научное сообщество достигло определенного консенсуса и склоняется к мысли о том, что наша Вселенная может быть конечной. Вывод: идея — это всего лишь идея, ради нее можно поставить под удар авторитет, но не жизнь. Идея того не стоит.

Бронзовый барельеф итальянского скульптора Этторе Феррари (1848–1929), на котором изображен суд римской инквизиции над Джордано Бруно. Кампо деи Фиори, Рим.

* * *

Изучение бесконечности в школе

Мы знакомимся с потенциальной бесконечностью уже в первые годы обучения в школе. Бесконечность связана с понятием счета и, следовательно, с натуральным рядом, а также с циклическими процессами, связанными с течением времени: за днем следует ночь, за ночью — день и т. д. Наши представления о бесконечности обычно остаются неизменными, и если они вступают в противоречие с интуицией, то это не ведет к каким-то заметным потрясениям. В действительности же они остаются более или менее неизменными потому, что мы редко используем их при решении каких-то сложных задач.

С актуальной бесконечностью дело обстоит совершенно иначе: она фигурирует во многих математических задачах, причем появляется внезапно, не оставляя времени на подготовку, поэтому неизбежно возникают противоречия, которые порой очень сложно преодолеть. Этот конфликт проявляется особенно остро, когда мы начинаем изучать математический анализ. Были проведены и до сих пор ведутся исследования, цель которых — определить, как и когда следует объяснять фундаментальные понятия при изучении математики и, в частности, математического анализа.