Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.

Рис. 10.7.Множество объектов имеет тот же самый размер, что и другое множество, если элементы этих множеств могут быть поставлены во взаимно однозначное соответствие. Эти два множества имеют один и тот же размер: если убрать самолетик, они будут иметь разные размеры.

Продолжая, Фреге определил натуральные числа как следующие расширения:

0 есть название расширения свойства «иметь такой же размер, как множество, состоящее из элементов, которые не тождественны самим себе»

(конечно, того, что не тождественно самому себе, не существует).

1 есть название расширения свойства «иметь такой же размер, как множество 0».

2 есть название расширения свойства «иметь такой же размер, как множество, состоящее из множеств 0 и 1»,

и так далее. Решающим моментом этого определения чисел как названий множеств, последовательно определяемых в терминах меньших множеств, является то, что в нем используются термины, взятые из математической логики, а именно «свойство», «равенство» и «отрицание». Это привело Фреге к точке зрения, что математика есть не более чем логика.

Логикой это могло быть, но удовлетворительным не могло. В 1902 г. незадолго до того, как Фреге был готов отправить издателю второй том своего огромного труда Grundgesetze der Arithmetik(Фундаментальные законы арифметики), в котором он возводил все здание математики, опираясь на это определение числа, он получил от Бертрана Рассела знаменитое письмо, указывающее на существование одного несоответствия. Собственные слова Фреге живо передают охвативший его ужас, когда он распечатал письмо Рассела:

Вряд ли ученый [51] может столкнуться с чем-нибудь более нежелательным, чем необходимость сдаться как раз тогда, когда работа закончена. Именно в такое состояние повергло меня письмо мистера Бертрана Рассела, когда работа вот-вот должна была отправиться в печать.

Бертран Рассел (1872-1970) указал Фреге на проблему расширения свойства «не принадлежать самому себе». Предположим, мы рассматриваем множество, состоящее из множеств, которые не являются элементами самих себя. Например, множество, состоящее из «абстрактных идей», является элементом самого себя, поскольку такое множество само является абстрактной идеей, в то время как множество, состоящее из «фруктов», не является элементом самого себя, поскольку само это множество не есть фрукт. Рассел спросил, принадлежит ли самому себе множество всех множеств, не принадлежащих самим себе? Если оно принадлежит самому себе, то оно относится к множествам, не принадлежащим самим себе. Если оно не принадлежит самому себе, то оно относится к множествам, принадлежащим самим себе. Короче говоря, если оно да, то оно нет, а если оно нет, то оно да. Антиномию(противоречие, парадокс) Расселамногократно выражали в более повседневных разговорных терминах, таких как «брадобрей в этом городке бреет всех мужчин, которые не бреются сами: бреет ли брадобрей себя?».

51

Заметим, что логичный Фреге считал таковым и себя.

Антиномия Рассела подорвала программу Фреге, а вместе с ней и основания математики. Причина коррозионного действия противоречия состоит в том, что в логике справедлива теорема: если система аксиом теории приводит к противоречию, то любые предложения, которые можно сформулировать в теории, являются ее доказуемыми теоремами. Поэтому, если определения Фреге приводят к противоречию, то из них можно вывести какую угодно теорему, включая «1 = 2» и «2 есть рациональное число». Следовательно, в качестве оснований арифметики его аксиомы хуже, чем ничего.

Рассел так же глубоко, как и Фреге, был озабочен основаниями математики и в равной мере проявлял интерес к попыткам продемонстрировать, что математика является не более чем ветвью логики. Такова точка зрения логицистической школыфилософии математики. В 1903 г. Рассел публикует свои The principles of mathematics, а его бывший экзаменатор, а теперь коллега по Кембриджу, Альфред Норт Уайтхед (1861-1947), готовит второе издание A treatise on universal algebra. Оба они пришли к соглашению о сотрудничестве в более амбициозном проекте, заключающемся в доказательстве того, что математика в целом есть подмножество логики. Работа, на подготовку которой они потратили десятилетие, в конце концов появилась в виде трех томов Principia mathematicaв 1910, 1912 и 1913 гг. Запланированный четвертый том о геометрии так никогда и не появился. В Principiaиспользовалась тщательно разработанная система обозначений, дающая больше возможностей, чем системы Пеано и Фреге; некоторое представление о ее изощренности можно получить из рис. 10.8, представляющего собой проделанное Расселом и Уайтхедом доказательство того, что 1 + 1 = 2.

и много позже

Рис. 10.8.Факсимиле доказательства того, что 1 + 1 = 2, из Principia mathematica.

Расселу и Уайтхеду было необходимо обойти трясину противоречий, которая засосала Фреге. Чтобы достичь этого, Рассел ввел свою теорию типов, в которой элементам множеств присваивается «тип», и каждое множество может содержать элементы только низшего типа. Так, единичные объекты имеют тип 0, утверждения о множествах этих единичных объектов имеют тип 1, и так далее. Поскольку множество может содержать лишь множества низшего типа, оно никогда не может стать элементом самого себя, так что антиномии Рассела удастся избежать. Однако теория типов все еще недостаточно сильна для того, чтобы устранить некоторые парадоксы, такие как «парадокс Берри», предложение из десяти слов: «наименьшее из целых чисел, определяемых не менее чем одиннадцатью словами». Целое число, удовлетворяющее этому требованию, на самом деле определено предложением из десяти слов, поэтому данное предложение противоречиво. Чтобы избежать опасностей также и этого болота, Рассел был вынужден проложить гать из нового варианта теории типов, который он назвал разветвленной теорией типов. В разветвленной теории обозначения присваивались не только типам рассматриваемых объектов, но также и способам их определения. Principia mathematicaоснованы на разветвленной теории типов.

Возможно, создается впечатление, что разветвленная теория типов является лоскутным одеялом, сшитым из отдельных уверток. На самом деле, все обстоит гораздо хуже, поскольку в ней оказалось невозможным доказать, что каждое натуральное число имеет следующее за ним или что количество натуральных чисел бесконечно. Чтобы преодолеть эти недостатки, к лоскутному одеялу пришлось пришить аксиому бесконечности, которая просто декларировала существование бесконечности. Но худшее (в смысле увеличения числа лоскутков) было впереди: для корректного определения числа пришлось добавить лоскут аксиомы редуцируемости, связанной с поведением предложений различного порядка. Так или иначе, но логицистическая повестка дня раскручивалась, и, казалось, становилось ясно, что математика не является просто ответвлением логики.

Что также становилось ясным, так это существование проблем с теорией множеств, которую хотели представить как основание математики. Может быть, неприятности теории множеств можно проследить до подлинной проблемы, заключающейся в самом понятии множества, которое выглядит выхолощенным? Может быть, понятие множества слишком широко для математиков? В начале двадцатого века, приблизительно в то же время, когда Рассел и Фреге сражались со своими проблемами, эта точка зрения получила определенную поддержку в форме аксиомы выбора. Эта аксиома является логическим двойником пятого постулата геометрии Евклида (о параллельных прямых, глава 9) и привлекла к себе огромное внимание. Ее простейшая форма выглядит кроткой как овечка: если у вас есть набор множеств, то вы можете составить новое множество, выбирая по одному элементу из каждого множества и добавляя их в свою тележку для покупок. Все мы собираем таким способом элементы множеств в супермаркете, называя вновь сконструированное множество своим шопингом. Кто мог бы возразить против такой процедуры собирания множества?

Однако овечка сбрасывает шкуру и оборачивается волком, как только мы начинаем рассматривать бесконечные множества, поскольку, возможно, нет никакого способа точно определить выбор. Для конечного числа множеств мы можем просто составить список всех элементов, которые хотим выбрать — список покупок. Рассмотрим, однако, следующую задачу. У нас есть бесконечное число множеств, одно состоит из действительных чисел, лежащих между 0 и 1, другое между 1 и 2 и так далее. Мы решили образовать новое множество путем случайного выбора по одному элементу в каждом из этих множеств. К сожалению, мы не можем составить список наших выборов, потому что их число бесконечно, и не можем определить их правилом, потому что их выбор должен быть случайным. Таким образом, мы образовали множество, которое не можем точно определить. Рассел привел бытовую иллюстрацию трудности, которую создает аксиома выбора: богатый человек, имеющий бесконечное число пар носков, поручает слуге выбрать по одному носку из каждой пары. Слуге не удается это проделать, так как у него нет способа решить, какой носок в каждой паре он должен выбрать.

Существуют три позиции, которые можно занять по отношению к аксиоме выбора, и каждый математик, сознательно или бессознательно, выбирает одну из них. Одна позиция, которую занимают математические страусы, заключается в том, чтобы игнорировать проблему, которую представляет эта аксиома, и просто продолжать работать как ни в чем не бывало. Это точка зрения всех физиков, большая часть которых вообще не подозревает, что здесь есть какая-то проблема, и только отрешенно пожмет плечами, если привлечь к ней их внимание и объяснить, в чем дело. Затем имеются математические социальные работники, которые осведомлены о проблеме и используют аксиому выбора для логического доказательства лишь как последнюю спасительную соломинку. Они отчаянно пытаются найти альтернативный маршрут среди аксиом, какими бы извилистыми ни становились их аргументы. И, наконец, существуют математические святые, поистине блюдущие обет безбрачия, когда дело доходит до аксиомы выбора, которым на нее противно даже смотреть, рассматривающие любое опирающееся на нее доказательство как ничтожное.

Если математика не является в чистом виде ответвлением логики, что заставляют предполагать все эти неудачи, то какие еще дополнительные составляющие заложены в ней? Чтобы раскопать одну вероятную составляющую, мы должны обратиться к сыну шорника и наиболее трудно понимаемому, но и наиболее влиятельному из философов восемнадцатого века, возможно, на четверть шотландцу, Иммануилу Канту (1724-1804). В своем обсуждении метафизического познания, представляющего собой философское познание, выходящее за пределы опыта, в своей книге Kritik der reinen Vernunft(Критика чистого разума, 1781), Кант вводит различие между «синтетическими» и «аналитическими» суждениями. Аналитическое суждение, в котором предикат (свойство) предмета может быть выявлен путем только рассуждения, не приносит нового знания, как, например, высказывание «морковь является овощем». Согласно логическим позитивистам начала двадцатого века, принявшим и уточнившим этот термин, истинность аналитического суждения зависит только от значений составляющих его слов и правил грамматики, управляющих их сочетанием. Однако синтетическое суждениеявляется таким, в котором предикат не содержится в предмете, например, «эта роза — красная», поскольку не все розы красные; такие утверждения несут новое знание. Далее, эти категории подразделяются на суждения a priori, для которых оценка их истинности не зависит от свидетельства опыта, и суждения a posteriori, для которых оценка истинности определяется в опыте.