7.3. Изложение доказательств

We use cookies. Read the Privacy and Cookie Policy

7.3. Изложение доказательств

Перейдем, наконец, к описанию идеи самого доказательства теоремы Гёделя. Вначале мы дадим совсем простой его набросок, разделив доказательство на пять основных шагов.

Прежде всего Гёдель показывает (1), как построить арифметическую формулу G, представляющую («кодирующую») метаматематическое высказывание «формула G недоказуема». Иначе говоря, формула G гласит о себе самой, что она недоказуема.

Идея построения такой формулы G по существу заимствована из рассуждения, приводящего к парадоксу Ришара. В этом парадоксе, как мы помним, выражению «ришарово число» сопоставляется некоторое число n, после чего рассматривается предложение «n есть ришарово число». В гёделевском же доказательстве формуле G сопоставляется некоторое число h, причем это делается так, чтобы оно соответствовало предложению «Формула, которой сопоставлено число h, недоказуема». Но затем Гёделю удается показать (2), что формула G доказуема тогда и только тогда, когда доказуемо ее формальное отрицание ~G. И этот шаг доказательства аналогичен соответствующему этому рассуждению в парадоксе Ришара, где доказывается, что п есть ришарово число в том и только в том случае, если п не есть ришарово число. Но если некоторая формула и ее отрицание доказуемы, то арифметическое исчисление, в котором возможны оба доказательства, противоречиво.

Значит, если это исчисление непротиворечиво, то как G, так и ~ G не выводимы из аксиом арифметики. Следовательно, если арифметика непротиворечива, то G является формально неразрешимой формулой. Далее Гёдель доказывает (3), что хотя формула G формально недоказуема, она является тем не менее истинной арифметической формулой. Она является истинной в том смысле, что утверждает про каждое натуральное число, что оно обладает некоторым арифметическим свойством, причем свойство это такого рода, что наличие его у каждого натурального числа можно действительно подтвердить посредством прямой проверки (4). Поскольку формула G, будучи истинной, является формально недоказуемой, система аксиом арифметики неполна. Иными словами, из аксиом арифметики нельзя вывести все истинные стремления арифметики. Более того, Гёдель доказал существенную неполноту[19] арифметики: даже если присоединить к ее аксиоматике новые аксиомы, обеспечивающие выводимость истинной формулы G, все равно и для такой пополненной (расширенной) системы можно всегда указать истинную, но формально недоказуемую формулу (5). В заключение Гёдель указал, как построить арифметическую формулу А, представляющую метаматематическое высказывание «Арифметика непротиворечива», и доказал, что формула «А ? G» формально недоказуема. Из этого следует недоказуемость и самой формулы А. Окончательный вывод: непротиворечивость арифметики нельзя установить посредством рассуждения, представимого в формальном арифметическом исчислении.

Перейдем теперь к более подробному изложению доказательства теоремы Гёделя.

1. Мы уже определили выше формулу «~ Dem(x, z)», представляющую в формальном арифметическом исчислении метаматематическое высказывание: «последовательность формул, имеющая гёделевский номер x, не является доказательством формулы, имеющей гёделевский номер z». Теперь мы доставив перед формулой приставку «?x», являющуюся формальным аналогом языкового оборота «для всех x» (или «для любого x»), и получим в результате новую формулу «? x ~ Dem (x, z)», представляющую в формальной арифметике метаматематическое высказывание: «для любого x последовательность формул, имеющая гёделевский номер x, не является доказательством формулы, имеющей гёделевский номер z». Таким образом, эта новая формула является как раз той формулой формального арифметического исчисления, которая представляет в нем метаматематическое высказывание «формула, имеющая гёделевский номер z, недоказуема», или, что то же: «для формулы с гёделевским номером z нельзя построить доказательство».

Гёдель далее показал, что некоторый частный случай этой формулы является формально недоказуемым. Чтобы получить формулу, мы будем исходить из следующей формулы:

? x ~ Dem(x, sub(y, 13, y)) (1)

Эта формула, принадлежащая формальному арифметическому исчислению, представляет некоторое метаматематическое высказывание. Какое же именно? Читатель должен помнить, что выражение «sub(y, 13, y)» обозначает некоторое число, которое есть гёделевский номер формулы, получаемой из формулы, имеющей гёделевский номер у, подстановкой вместо переменной, имеющей гёделевский номер 13, (т. е. переменной y) цифры, обозначающей число у. Отсюда видно, что формула (1) представляет метаматематическое высказывание: «формула, имеющая в качестве гёделевского номера число sub(y, 13, y), недоказуема».

Но так как формула (1) принадлежит арифметическому исчислению, она имеет некоторый гёделевский номер, который можно фактически вычислить. Пусть этим номером является число n. Подставим в (1) вместо переменной, имеющей гёделевский номер 13 (т. е. вместо переменной «y»), цифру, обозначающую это число n. В результате подстановки мы получим некоторую формулу, которую назовем (в честь Гёделя) «G»:

? x ~ Dem(x, sub(n, 13, n)). (G)

Формула G и есть тот частный случай формулы (1), который мы хотели построить. Формула G принадлежит арифметическому исчислению и должна иметь некоторый гёделевский номер. Каков же этот номер? Нетрудно показать, что таким номером задается число sub(n, 13, n). В самом деле, вспомним, что sub(n, 13, n) есть гёделевский номер формулы, получаемой из формулы, имеющей гёделевский номер n, подстановкой вместо переменной «y» (имеющей гёделевский номер 13) цифры, обозначающей число п. Но ведь формула G как раз и получена из формулы, имеющей гёделевский номер n (т. е. из формулы (1)), подстановкой цифры для числа n вместо входящей в формулу переменной у. Таким образом, действительно sub(n, 13, n) есть гёделевский номер формулы G.

Однако формула G — арифметическая формула, которая представляет в арифметическом исчислении математическое высказывание

«формула „? x ~ Dem(x, sub(n, 13, n))“ недоказуема».

Можно, следовательно, сказать, что формула G утверждает свою собственную недоказуемость.

2. Следующий шаг, как уже говорилось, состоит в доказательстве того факта, что формула G является формально недоказуемой. Доказательство очень похоже на рассуждение, приводящее к парадоксу Ришара, но не подвержено тем возражениям, которые вызывает последнее.

Как мы помним, в парадоксе Ришара фигурирует некоторое число n, связанное с определенным математическим высказыванием. В рассуждении же Гёделя число п связывается с определенной арифметической формулой (которая лишь прелставляет метаматематическое высказывание). Таким образом, в теореме Гёделя в отличие от парадокса Ришара идет речь о некотором арифметическом свойстве чисел (задается вопрос, обладает ли число sub(n, 3, n) свойством, выражаемым формулой «? x ~ Dem(x, sub(n, 13, n))»), а не о метаматематическом, благодаря чему и не возникает дискредитирующего парадокса Ришара смешения высказывания на языке арифметики с высказыванием об арифметике.

Ход рассуждения относительно несложен. Задача его сводится к тому, чтобы доказать, что если бы формула G была доказуема, то ее формальное отрицание (т. е. формула «~ ? x ~ Dem(x, sub(n, 13, n))» также было бы доказуемо, и обратно, если бы отрицание формулы G было доказуемо, то была бы доказуема и сама формула G. Отсюда мы получаем, что формула G доказуема в том и только в том случае, если доказуема формула ~ G.

Это утверждение доказано, строго говоря, не самим Гёделем, а Аж, Б. Россером (1936). Гёдель же получил несколько более слабый результат, позволяющий, впрочем, получить все интересующие нас важные выводы.

Воспроизведем вкратце первую часть рассуждения Гёделя, согласно которой, если G доказуема, то и ~ G доказуема. Пусть G доказуема. Тогда должна существовать последовательность арифметических формул, являющаяся доказательством для G. Пусть гёделевский номер доказательства есть k. В таком случае между этим k и числом sub(n, 13, n), являющимся гёделевским номером G, должно иметь место арифметическое отношение, обозначаемое через «Dem(x, z)», т. е. «Dem(k, sub(n, 13, n)» должна быть истинной арифметической формулой. Можно, однако, показать, что это арифметическое отношение обладает тем свойством, что если оно имеет место для каких- либо двух чисел, то формула, выражающая это обстоятельство, непременно доказуема. Таким образом, формула «Dem(x, sub(n, 13, n))» не только истинна, но и формально доказуема, т. е. является теоремой. Но правила вывода элементарной логики позволяют нам немедленно вывести из этой теоремы формулу «~ ? x ~ Dem(x, sub(n, 13, n))». Таким образом, мы вывели из доказуемости формулы G доказуемость ее формального отрицания. Значит, если наша формальная система непротиворечива, то G в ней недоказуема.

Чтобы показать, что доказуемость ~ G влечет доказуемость G, требуется аналогичное, но несколько более громоздкое рассуждение, которое мы не будем пытаться здесь воспроизводить.

Как мы уже отмечали, если и некоторая формула, и ее отрицание выводимы из некоторой системы аксиом, то эта система противоречива (несовместна). Поэтому если аксиомы формализованной системы арифметики совместимы, то ни G, ни ее отрицание не могут быть доказуемыми. Иначе говоря, если наши аксиомы непротиворечивы, то G формально неразрешима в том точном смысле, что ни G, ни ~ G не выводимы из арифметических аксиом.

3. Важность предыдущего заключения не сразу бросается в глаза. Что особенного — можно было бы задать вопрос — в том, что некоторая формула, сформулированная на арифметическом языке, оказалась неразрешимой? Но приходится признать, что из этого результата действительно вытекают чрезвычайно важные выводы. Все дело в том, что, хотя формула G и является недоказуемой, можно, как выясняется, чисто метаматематическим рассуждением установить ее истинность. Иными словами, удается показать, что формула G выражает некоторое (довольно-таки громоздко выражаемое, но тем не менее вполне определенное) свойство, с необходимостью принадлежащее всем натуральным числам (аналогично, скажем, свойству, выражаемому гораздо более простой формулой «? x ~ (x + 3 = 2)», интерпретируемой обычно как утверждение, что никакое натуральное число, сложенное с числом 3, не дает в сумме 2).

Приведем здесь рассуждение, устанавливающее истинность формулы G. Во-первых, в предположении непротиворечивости арифметики можно доказать, что метаматематическое утверждение

«формула „? x ~ Dem(x, sub(n, 13, n))“ недоказуема»

истинно. Во-вторых, такое утверждение представляется (выражается) в арифметике той самой формулой, которая в нем упоминается. В-третьих, мы вспоминаем, что истинным метаматическим утверждениям при осуществляемом посредством гёделевской нумерации отображении их в арифметику соответствуют истинные же арифметические формулы. (Именно это обстоятельство обусловливает всю плодотворность такого отображения; ситуация здесь совершенно та же, что в аналитической геометрии, где координатное «кодирование» обеспечивает перевод истинных геометрических высказываний в истинные алгебраические высказывания.) Отсюда и вытекает, что формула G, соответствующая истинному метаматематическому высказыванию, сама должна быть истинной. Следует, однако, еще раз подчеркнуть, что истинность арифметического высказывания установлена нами отнюдь не формальным выводом выражающей его формулы из аксиом, а посредством некоторого метаматематического рассуждения.

4. Теперь нам придется напомнить читателю понятие «полноты», введенное нами в заключение раздела, посвященного исчислению высказываний. Мы назвали тогда систему аксиом полной, если любое истинное предложение, выражаемое на языке данной системы, можно из них вывести. В противном случае (т. е. если не каждое истинное предложение, выразимое в данной системе, выводится из ее аксиом) система аксиом «неполна». Но мы только что как раз и установили, что G есть истинная арифметическая формула, не выводимая из арифметических аксиом, иными словами, система аксиом арифметики неполна (разумеется, в предположении непротиворечивости этой системы аксиом), более того, формальная арифметика существенно неполна: даже если добавить к ней формулу G в качестве новой аксиомы, расширенная система аксиом будет все равно недостаточна для формального вывода всех арифметических истин. Дело в том, что по отношению к пополненной таким образом системе аксиом мы можем провести в точности то же рассуждение, что и раньше, и та же конструкция даст нам новый пример предложения, истинного в расширенной арифметической системе, но не выводимого из ее аксиом, и такое предложение будет снова выражаться неразрешимой арифметической формулой. И этот поистине удивительный вывод остается в силе независимо от того, сколько раз мы ни производили бы такое расширение системы. Таким образом, мы вынуждены признать некоторую принципиальную ограниченность возможностей аксиоматического метода. Вопреки, казалось бы, самым естественным ожиданиям, запас арифметических истин оказывается столь обширным, что ни из никакой точно зафиксированной системы аксиом не удается их все формально вывести.

5. Мы подошли теперь к месту, которое можно назвать кодой это поразительной интеллектуальной симфонии — творения Гёделя. Описанные выше шаги позволили обосновать метаматематическое утверждение «если арифметика непротиворечива, то она неполна». Но Гёделю удалось доказать и нечто большее, а именно, что само условное метаматематическое утверждение (именно все утверждение в целом) изображается в формализованной арифметике некоторой доказуемой формулой.

Построить такую замечательную формулу нам будет теперь совсем нетрудно. Мы уже говорили выше (в разделе 5), что метаматематическое высказывание «арифметика непротиворечива» эквивалентно высказыванию «существует хода бы одна недоказуемая арифметическая формула». Последнее же высказывание, очевидно, представляемся в формальном (арифметическом) исчислении следующей формулой:

? y ? x ~ Dem(x, y). (А)

Формула эта, если выразить ее словесно, гласит: «существует по крайней мере одно натуральное число у, такое что для любого натурального x числа x и у не находятся между собой в отношении Dem». Если же интерпретировать формулу как метаматематическое высказывание, то мы получим: «существует по крайней мере одна арифметическая формула, для которой никакая последовательность формул не является ее доказательством». Таким образом, формула А как раз и представляет посылку метаматематического утверждения «Если арифметика непротиворечива, то она неполна». В то же время заключение утверждения «Она (т. е. арифметика) неполна» непосредственно вытекает из высказывания «имеется истинное арифметическое утверждение, не являющееся формально доказуемым в арифметике»; последнее же высказывание представляется в арифметическом исчислении посредством нашей старой знакомой — формулы G. Итак, условное метаматематическое высказывание «Если арифметика непротиворечива, то она неполна» представимо формулой

? у ? x ~ Dem(x, y) ? ? x ~ Dem(x, sub(n, 13, n)),

которую можно было бы теперь сокращенно обозначить через «A ? G». Именно для этой формулы можно установить ее формальную доказуемость, но мы не будем здесь пытаться это делать.

Покажем лишь, что формула А недоказуема. Допустим противное. Тогда, поскольку формула A ? G доказуема, modus ponens позволяет нам заключить, что доказуемой должна бы быть и формула G. Но если наше исчисление непротиворечиво, G формально неразрешима, а потому, конечно, недоказуема. Таким образом, если арифметика непротиворечива, то формула А недоказуема.

Что это означает? Формула А представляет метаматематическое высказывание «Арифметика непротиворечива». Значит, если бы высказывание можно было обосновать каким нибудь рассуждением, отобразимым в последовательность формул, являющуюся доказательством в арифметическом исчислении, сама формула А была бы доказуема. Но это, как мы только что видели, невозможно, если во всяком случае считать, что арифметика непротиворечива. Мы дошли, наконец, до заключительного аккорда: нам приходится согласиться, что если арифметика непротиворечива, то непротиворечивость ее не может быть установлена никаким метаматематическим рассуждением, допускающим представление в арифметическом формализме

Надо сказать, что этот замечательный результат проведенного Гёделем анализа проблемы не исключает, однако, возможности метаматематического доказательства непротиворечивости арифметики. Из него следует лишь, что невозможно такое доказательство непротиворечивости, которое могло бы быть отображено (переведено) в формальное доказательство, проводимое внутри самой формальной арифметики.

Положение здесь очень напоминает то, которое сложилось в геометрии в связи о доказательством невозможности деления произвольного угла на три части о помощью циркуля и линейки. Доказательство это отнюдь не исключает возможности произвести искомое деление при помощи каких-либо более сильных средств. И действительно, его можно осуществить, добавив к циркулю и линейке ещё постоянный эталон длины.

На самом деле метаматематические доказательства непротиворечивости арифметики были получены; первым такое доказательство осуществил представитель школы Гильберта Герхард Генцен в 1936 г., а впоследствии было получено еще несколько доказательств того же результата. Доказательства эти имеют большую логическую ценность, заключающуюся хотя бы уже в том, что они продемонстрировали существенно новые формы метаматематических рассуждений и конструкций, а также в том, что благодаря им выяснилось, какие новые виды правил вывода надо допустить, если мы хотим установить непротиворечивость арифметики. Но все подобные доказательства уже не могут быть воспроизведены в рамках арифметического исчисления, и, поскольку все новые правила вывода уже не являются финитистскими, доказательства непротиворечивости, полученные с их помощью, никоим образом нельзя считать достижением цели, поставленной в гильбертовской программе в ее первоначальной формулировке.