Глава 3 Программа Гильберта

We use cookies. Read the Privacy and Cookie Policy

Глава 3

Программа Гильберта

Бог существует потому, что математика непротиворечива, а дьявол существует потому, что мы не можем доказать это.

Приписывается Андре Вейлю

«Кто из нас не обрадовался бы, если бы мог поднять завесу, за которой скрывается будущее, окинув взором перспективы нашей науки и ее секреты?»

Начинался новый век, и тысячи посетителей Всемирной выставки в Париже наводнили ее павильоны, озаряемые ярким августовским солнцем. В это же время в Париже проходил II Международный математический конгресс, и Давид Гильберт выступал в амфитеатре Сорбонны на заседании своих секций. Его целью было впервые рассказать не о том, что уже доказано, а о том, что еще предстоит открыть.

Никто не сомневался, что Гильберт был лучшим математиком своего поколения, однако его выступление было отодвинуто на второй план — наряду с исследованиями, посвященными древним японским геометрам, и предложениями ввести во всех странах единый научный язык. Разумеется, ученого пригласили выступить и на общем заседании конгресса в день открытия, но он слишком долго не мог определиться с темой выступления, и организаторам пришлось исключить его доклад из программы.

Наблюдая, как Гильберт в своих очках поднимался на кафедру, зрители спрашивали друг у друга, о чем же он все это время размышлял.

«История учит, что развитие науки протекает непрерывно. Мы знаем, что каждый век имеет свои проблемы, которые последующая эпоха или решает, или отодвигает в сторону как неразрешимые, чтобы заменить их новыми». Гильберт был убежден, что единственным двигателем прогресса в математике является решение задач. Поэтому, обращаясь к собравшимся в зале Сорбонны, лидер Гёттингенской математической школы подчеркивал, что решить задачу означает сформулировать рассуждения, с помощью которых, исходя из конечного числа гипотез, выраженных точными терминами, можно прийти к выводу за конечное число этапов посредством строгих логических правил вывода. Чтобы проиллюстрировать свои идеи, Гильберт выбрал двадцать три задачи, которые, по его мнению, должны были указать направления исследований математикам XX века, однако ему не хватило времени, чтобы прокомментировать все эти задачи. Благодаря свидетельствам его друзей — математиков Германа Минковского (1864–1909) и Адольфа Гурвица (1859–1919) — нам известно, каких трудов стоило Гильберту выбрать задачи, упомянутые в парижском докладе. И однако он ни на секунду не усомнился в своем выборе. Вторая задача из списка звучала, казалось, совершенно невинно: являются ли аксиомы арифметики непротиворечивыми?

* * *

ЗАДАЧА О КАРДИНАЛЬНЫХ ЧИСЛАХ МНОЖЕСТВА

В предыдущей главе вы увидели, что одним из величайших открытий Георга Кантора было доказательство того, что не все бесконечные множества имеют одинаковый размер. И действительно, его диагональный метод позволил показать, что натуральных чисел меньше, чем бесконечных последовательностей, состоящих из нулей и единиц. В первой задаче из списка Гильберта требовалось дать положительный или отрицательный ответ на вопрос о том, существует ли такое множество, кардинальное число которого будет больше, чем кардинальное число множества натуральных чисел, но меньше, чем кардинальное число множества последовательностей из нулей и единиц. Благодаря трудам Курта Гёделя (1940) и математика Пола Коэна из Стэнфордского университета (1963) сегодня нам известно, что если исходить из привычной системы аксиом теории множеств, на этот вопрос нельзя дать ни положительного, ни отрицательного ответа.

* * *

Доклад Гильберта прозвучал 8 августа 1900 года. К этому времени в теории множеств уже появились первые парадоксы, однако Рассел открыл противоречие, которое заставило всех забить тревогу, лишь годом позже. Очень быстро парадокс о множестве всех множеств, которые не принадлежат сами себе, встревожил европейские математические круги: в Англии Уайтхед предсказал конец «счастливым и спокойным будням», в Германии Фреге добавил к своим «Основам арифметики» пессимистичное предисловие, во Франции Анри Пуанкаре, враг математической логики, победно воскликнул: «Формальная логика не бесплодна: она порождает противоречия». Если от кого и ожидали ответа, то это был Давид Гильберт — его многие считали новым Евклидом благодаря опубликованной им в 1899 году системе аксиом геометрии, которая ознаменовала начало современного подхода к этой дисциплине. Тем не менее Гильберт не потрудился дать меткий ответ, который вошел бы в историю, подобно изречениям Уайтхеда, Фреге и Пуанкаре: он просто точно знал, как можно избавить математику от парадоксов.

Давид Гильберт больше всего подходил на роль того, кто покончил бы с математическими парадоксами.

Формализм Гильберта

Решение, предложенное Гильбертом, состояло из двух этапов. Сначала нужно было полностью формализовать арифметику, то есть представить все ее содержимое как формальную систему. Это следовало сделать с максимально возможной строгостью, и за этим первым этапом должен был последовать второй, на котором доказывалась бы корректность выполненной формализации. Математика, в отличие от жены Цезаря, не была выше подозрений: ее непротиворечивость следовало доказать. Для этого Гильберт предложил ряд приемов, объединенных названием «метаматематика».

Читатель справедливо заметит: какова разница между системами аксиом, которые мы рассматривали выше, и формальными системами, которые Гильберт хотел определить для арифметики? Действительно, эти понятия очень похожи, однако формальные системы обладают важным отличием: в них любое утверждение представляется в виде символов искусственного языка, лишенных конкретных значений.

Цель Гильберта понятна из его переписки, в которой он, например, объясняет, что геометрия не изменится, если вместо терминов «точка», «прямая» и «плоскость» мы напишем «любовь», «закон» и «трубочист». Как следствие, для формалиста выражения «глава третья» и «глава 3» — это два разных высказывания, единственная связь между которыми заключается в особенностях синтаксиса: оба выражения начинаются с одного и того же слова.

Основу гильбертовой формальной системы составляло множество базовых символов L, основанных на алфавите нашего языка. На их основе можно создать формулы, которые будут представлять собой не что иное, как конечные последовательности символов, составленные согласно ряду грамматических правил. Если, например, язык содержит открывающую и закрывающую скобки, то одно из его правил может звучать так: справа от каждой открывающей скобки обязательно должна быть записана закрывающая скобка.

Чтобы определить формальную систему, помимо алфавита, необходимы аксиомы и правила вывода. Аксиомы отличаются от всех остальных формул только тем, что занимают привилегированное положение. Как мы указывали в главе 1, выбор аксиом — одна из сложнейших задач при определении формальной системы: если мы выберем слишком много аксиом, то они могут смешаться с остальными формулами, а если мы выберем слишком мало аксиом, то некоторые формулы нельзя будет ни доказать, ни опровергнуть. Правила вывода, в свою очередь, это процедуры, позволяющие получить новые формулы на основе уже известных. Аксиомы и правила вывода объединяются в формальные доказательства — последовательности формул, каждая из которых является либо аксиомой, либо получена из предыдущих формул с помощью правил вывода. Традиционно последняя формула доказательства называется теоремой.

Следовательно, первое требование программы Гильберта заключалось в том, чтобы описать алфавит, определить аксиомы и формальные правила вывода для арифметики. Этой задаче Бертран Рассел и Альфред Норт Уайтхед посвятили три объемных тома «Начал математики», опубликованных в 1910–1913 годах. В действительности теория, предложенная Расселом и Уайтхедом и названная вскоре логицизмом, выходила далеко за рамки формалистской программы: оба ее автора не ограничивались формализацией арифметики и хотели свести ее к логике, то есть определить все понятия теории натуральных чисел исходя из чисто логических обозначений, а также вывести из этих понятий все теоремы арифметики. Одним из величайших успехов математики XIX века было построение любого класса чисел на основе натуральных, таким образом, если бы Рассел и Уайтхед достигли своей цели, математика и логика пошли бы рука об руку по дороге, свободной от противоречий (по крайней мере, основоположники логицизма на это надеялись).

* * *

НЕПРИБЫЛЬНАЯ МАТЕМАТИКА

Ключевой труд Рассела и Уайтхеда был опубликован издательством Cambridge University Press. Издательство смогло выделить на публикацию всего 300 фунтов, что составляло половину необходимой суммы. Недостающие 300 фунтов обязалось внести Лондонское королевское общество, членом которого был Рассел, однако в итоге было внесено лишь 200, а остаток Расселу и Уайтхеду пришлось заплатить из своего кармана. «Неплохой баланс, — шутил Рассел впоследствии, — за десять лет работы мы заработали минус пятьдесят фунтов на каждого».

* * *

В упрощенной версии формальная система арифметики, предложенная Расселом и Уайтхедом в «Началах математики», состояла из следующих основных символов: 0 (число ноль), s (функция следования), ¬ (отрицание), V (дизъюнкция «или»),  (существование), = (равенство) и открывающая и закрывающая скобки. Позднее к этим символам были добавлены переменные х, у, z типа 0, которые обозначали натуральные числа, а также переменные А, В, С типа 1, то есть множества натуральных чисел, и т. д. по мере того, как требовались элементы все новых и новых типов. Возможно, внимательный читатель заметил отсутствие других символов, которые должны быть частью языка: например, наряду с квантором существования, благодаря которому можно формализовать высказывания вида «существует натуральное число, обладающее свойством Р», можно было бы добавить еще один символ, который означал бы «для всех», как в высказывании «для всех натуральных чисел выполняется утверждение Р». По сути, этот универсальный квантор очень широко используется в математике: «для всех» обозначается символом . Мы действительно можем добавить к языку символ , однако этого на самом деле не требуется, так как выражение «для всех натуральных чисел выполняется высказывание Р» равносильно выражению «не существует такого натурального числа, для которого не выполнялось бы высказывание Р». Следовательно, символ  можно выразить с помощью символов отрицания и существования.

Это же справедливо и для конъюнкции «и»: для ее обозначения существует символ , однако он является избыточным, так как его можно заменить символами V и ¬. Чтобы доказать это, рассмотрим три операции теории множеств: дополнение, объединение и пересечение.

Для данного множества А, которое содержится в другом множестве В, дополнением множества А до В называют множество, состоящее из элементов, принадлежащих В, но не А. Например, дополнением множества гласных {а, е, i, о, и} английского алфавита является множество согласных. Рассмотрим операции объединения и пересечения. Для данных множеств X и Y их пересечение X   Y определяется как множество элементов, одновременно принадлежащих X и Y. Например, если X — множество четных чисел 0, 2, 4, 6, 8, 10…, а Y — множество чисел, кратных трем, 0, 3, 6, 9, 12, 15 …, то чтобы найти их пересечение, нужно определить их общие элементы: ими будут 0, 6, 12, 18…, то есть числа, кратные шести. Объединением множеств X U Y называется множество, которому принадлежат все элементы X и все элементы Y. В предыдущем примере первыми элементами объединения X и Y будут 0, 2, 3, 4, 6, 8, 9…

Похожесть символов, обозначающих пересечение двух множеств ( ) и конъюнкцию двух высказываний ( ), а также символов, обозначающих объединение двух множеств (U) и дизъюнкцию двух высказываний (V), вовсе не случайна. Если сопоставить свойствам Р и Q множества чисел, обладающих этими свойствами, например X и Y, то числа, обладающие свойствами Р и Q одновременно, будут элементами пересечения множеств X  Y, а числа, обладающие свойством Р или Q, то есть как минимум одним из этих двух свойств, будут принадлежать объединению множеств X U Y. Дополнение множества, в свою очередь, соответствует отрицанию высказывания. Для представления дополнений, объединений и пересечений множеств очень удобно использовать диаграммы, созданные британским математиком и философом Джоном Венном в 1880 году. С их помощью можно доказать, что конъюнкция свойств Р и Q равносильна отрицанию дизъюнкции отрицаний Р и Q, иными словами, Р  Q = ¬(¬Р V ¬Q). Это свойство позволяет выразить  через V и ¬.

Рис. 1. Пересечение двух множеств, соответствующее конъюнкции P  Q.

Рис. 2. Объединение двух множеств, соответствующее дизъюнкции Р V Q.

Рис. 3. Дополнение множества, соответствующее отрицанию ¬Р.

Диаграммы Венна, на которых представлены операции пересечения (рис. 1), объединения (рис. 2) и дополнения (рис. 3) множеств.

Сделав замечание о том, как представляются выражение «для всех» и конъюнкция высказываний (логическое «и»), рассмотрим, как переводятся в формальную систему арифметики некоторые аксиомы Пеано. Первая аксиома Пеано звучит так: «Ноль есть натуральное число». Эта аксиома не требует перевода, так как мы включили символ 0 в созданный нами язык. Перейдем ко второй аксиоме: «Каждое натуральное число имеет число, следующее за ним». В этой аксиоме фигурируют две переменные: рассматриваемое натуральное число, которое мы будем обозначать через х, и следующее за ним, которое будем обозначать через у. Вспомним, что число, следующее за данным, записывается с помощью буквы s, которая ставится перед этим числом, и выражается формулой у = sx, то есть «у равно числу, следующему за х». Следующий шаг заключается в том, что высказывание «каждое натуральное число» равносильно высказыванию «для всех натуральных чисел», и в этом контексте слово «имеет» означает «существует». Таким образом, аксиома принимает вид: «Для всякого натурального числа х существует натуральное число у такое, что у = sx». Если бы мы могли использовать символ , то на этом можно было бы остановиться: аксиома записывалась бы как x y(y = sx) — скобки мы использовали, чтобы выделить свойство, которым обладают числа х и у. Так как этот символ применить нельзя, нужно выполнить еще одно действие: так как «для всякого натурального числа х существует натуральное число у такое, что у = sx» равносильно «не существует натурального числа х такого, что для него не существует натурального числа у такого, что у = sx», и вторая аксиома Пеано будет записываться так: ¬ х у (у = sx). После столь подробных объяснений читатель может самостоятельно убедиться в том, что третья аксиома Пеано, «0 не следует ни за каким натуральным числом», соответствует выражению ¬ х (sx = 0).

* * *

ЧЕТВЕРТАЯ АКСИОМА ПЕАНО

Переведем в формальную систему арифметики четвертую аксиому Пеано, которая гласит: «за двумя различными натуральными числами следуют различные натуральные числа». Сначала определим переменные, используемые в высказывании: это два натуральных числа, х и у. Аксиома гласит, что не могут одновременно выполняться два следующих условия: х и у различны, следующие за ними числа совпадают. Иными словами, не существует чисел х и у таких, что:

1) х отличается от у;

2) число, следующее за х, равно числу, следующему за у.

Если бы символ конъюнкции был частью определенного нами языка, то эта аксиома записывалась бы так:

Так как использовать символ конъюнкции нельзя, нужно переписать это выражение, применяя функции отрицания и дизъюнкции. С учетом того, что отрицание отрицания высказывания равносильно исходному высказыванию, четвертая аксиома Пеано примет вид:

* * *

От языка — к метаязыку

Благодаря описанному выше процессу арифметика была очищена от значений и сведена к формальному каркасу. Теперь ее аксиомы являются исключительно последовательностями абстрактных символов, а доказательства превратились в упражнения по комбинаторике. Однако мы по-прежнему можем сформулировать высказывания со смыслом: например, мы можем сказать «вторая аксиома Пеано длиннее третьей», «квантор существования упоминается во второй аксиоме Пеано два раза» или «формула ¬(0 = 1) является теоремой арифметики». Важно, что здесь речь идет уже не о формализованных высказываниях языка L, а о фразах на русском языке, которые относятся к формулам L. В этих фразах говорится уже не о числах, а о высказываниях о числах, таким образом, они выходят за пределы математики в область метаматематики. Этот переход подобен ситуации, когда один из героев романа начинает писать свой роман. Подобно тому, как литература порой превращается в металитературу, математика может превратиться в метаматематику.

Одним из важнейших открытий Гильберта было проведение четкого различия между уровнями языка, к которым принадлежат различные высказывания. Представьте себе урок английского языка, на котором учитель по-русски объясняет тонкости значения какого-то слова. В этот момент используются два языка: английский, который изучают ученики, и русский, который они используют в качестве инструмента. Это же происходит и с фразой вида «формула ¬ х ¬ y (y = sx) длиннее, чем формула ¬ х (sx = 0)» — в ней сочетаются последовательности символов языка L и выражения «формула» и «длиннее», принадлежащие не к языку L, а к метаязыку, который мы используем, чтобы описать формальную систему, так сказать, извне. Термины «ноль», «следующее» и «равно» принадлежат к языку L, где они записываются как 0, s и = соответственно, однако слова «формула», «доказательство» и «истинный» принадлежат метаязыку и невыразимы на языке L.

Следовательно, при формализации арифметики все эти высказывания в рамках самой арифметики теряют смысл.

Но какое отношение все это имеет к парадоксам? Ведь целью программы Гильберта было избавить от них математику. Как мы отмечали в предыдущей главе, многие парадоксы связаны с самоотносимостью, которая вполне имеет право на существование в естественных языках, но нет никаких причин для того, чтобы она сохранялась в искусственных языках формальных систем. Когда мы озвучиваем парадокс Рассела на русском языке, нам кажется вполне логичным, что существует два класса множеств: одни принадлежат сами себе, другие — нет. Однако в формальной системе отношение принадлежности, примененное к двум переменным одного и того же типа, нарушает правила грамматики языка. Еще более интересным является парадокс лжеца: «эта фраза ложна». Чтобы эту фразу можно было рассматривать всерьез, формальная система должна не только допускать самоотносимость, но и содержать свойство «быть истинным», которое можно будет выразить средствами самого языка, а не только метаязыка. Гильберт ожидал, что эти две ситуации никогда не произойдут одновременно, если формализация арифметики будет проведена должным образом.

Однако одних лишь ожиданий было недостаточно, и теперь важнейшим становился второй этап программы Гильберта, в котором предлагалось положить конец кризису в основах математики, метаматематически доказав непротиворечивость формализованной арифметики. Только так математики будущего могли быть абсолютно уверенными в том, что больше никогда не столкнутся с противоречиями.

В этом метаматематическом доказательстве допускались не все методы: можно было использовать лишь два самых строгих, которые Гильберт назвал немецким словом finit, не слишком вдаваясь в объяснения, и которые позднее получили название финитных. Финитные методы должны были устранить все рассуждения, в которых можно было усомниться. Так, не допускались доказательства от противного, хотя этот метод использовал еще Евклид для доказательства того, что существует бесконечное множество простых чисел, а квадратный корень из двух нельзя представить в виде отношения двух натуральных чисел. Первый шаг доказательства от противного заключается в том, что мы отрицаем исходное высказывание, которое хотим доказать. Если, например, мы хотим доказать, что существует бесконечное множество простых чисел, то исходная гипотеза будет предполагать, что множество простых чисел является конечным. Затем на основе этой предпосылки нужно произвести корректные логические умозаключения, пока мы не получим абсурдное утверждение, которое будет гласить, например, что теорема арифметики, доказанная независимо от рассматриваемого утверждения, не выполняется. Все промежуточные рассуждения корректны, следовательно, единственным объяснением того, что мы пришли к абсурдному выводу, является ложность исходной гипотезы. Таким образом исходное утверждение оказывается доказанным. Часто, когда нам нужно доказать существование некоторого математического объекта, например решения некоторого уравнения, легче не найти его, а показать, что его отсутствие ведет к абсурдному заключению. Это же может произойти и в метаматематике: возможно, мы не сможем подтвердить истинность утверждения вида «формула Р доказуема», найдя явное доказательство этой формулы, однако можем предположить, что такого доказательства не существует, и в результате прийти к противоречию. Однако Гильберт не был достаточно уверен в этих методах, поэтому предпочел отказаться от них.

* * *

ПУАНКАРЕ ПРОТИВ ГИЛЬБЕРТА

Анри Пуанкаре (1854–1912), которого некоторые историки называют «последним универсальным математиком», испытывал неприязнь к тем, кто хотел свести математику к множеству формальных отношений между символами. Когда в 1899 году были опубликованы «Основания геометрии» Гильберта, Пуанкаре написал длинную рецензию, в которой критиковал автора за стремление «заставить математику функционировать подобно механическому пианино». Несколько лет спустя, когда Гильберт по-прежнему не вполне четко представлял себе различия между языком и метаязыком, он попытался доказать непротиворечивость арифметики, применив принцип индукции, то есть пятую аксиому Пеано. Пуанкаре обратил на это внимание, указав, что Гильберт попал в порочный круг: он пытался доказать непротиворечивость арифметики с помощью важнейшей аксиомы самой арифметики. И хотя Гильберт утверждал, что использовал не индукцию, а метаиндукцию, однако прав был все же Пуанкаре. И Гильберт в конце концов согласился с ним, вняв доводам своего ученика Германа Вейля (1885–1955).

Анри Пуанкаре.

* * *

Давид Гильберт был не единственным, кто отвергал неконструктивные методы. Одновременно с логицизмом и формализмом развивалась еще одна концепция, призванная разрешить парадоксы теории множеств, в которой предполагалось полно стью исключить использование бесконечности. Для интуиционистов все математические объекты были продуктами человеческого разума, следовательно, они могли существовать только в том случае, если их можно было построить. Последователи этого направления различали потенциальную бесконечность, соответствующую множествам, которые можно неограниченно расширять, и актуальную бесконечность, характерную для законченных сущностей. Интуиционисты признавали, что натуральных чисел потенциально бесконечно много, так как к любому конечному множеству вида {0, 1, 2, …, n} можно добавить новые числа, однако нельзя говорить обо всех натуральных числах одновременно. Они также не признавали закон исключенного третьего, согласно которому для любого высказывания истинным обязательно является либо оно само, либо его отрицание. Отвергнув этот закон, сторонники интуиционизма были вынуждены также отвергнуть все математические теоремы, в доказательстве которых он использовался. Сам основоположник интуиционизма, датский математик Лёйтзен Эгберт Ян Брауэр (1881–1966), был вынужден отвергнуть множество ранее полученных им самим результатов, в которых использовался закон исключенного третьего.

Интуиционисты также хотели избавиться от аксиомы выбора, предложенной Эрнстом Цермело для теории множеств. Согласно этой аксиоме, для данной совокупности множеств, конечной или бесконечной, можно выбрать по одному элементу из каждого множества и таким образом определить новое множество. Тем, кто не признавал существование актуальной бесконечности, вряд ли понравился бы подобный способ выбора элементов, который был сродни магии, не подчиняющийся никакому четкому правилу.

В ряде статей, опубликованных с 1904 по 1927 год, Давид Гильберт постепенно уточнял свою стратегию замены всех математических доказательств доказательствами, выполненными с помощью финитных методов. Кульминацией его программы должно было стать максимально строгое и четкое доказательство непротиворечивости арифметики. Однако глава Гёттингенской математической школы не мог и предположить, что некий австрийский юноша, который начал изучать в Венском университете физику, а затем и математику, попытается дополнить формалистскую программу и обнаружит, что мечте Гильберта не суждено сбыться. И более того, соберется доказать это финитными методами!