Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.

Кант предположил, что синтетические суждения a priori, которые выражают новое знание, но являются не связанными с опытом, представляют собой подходящие объекты для философского исследования. Такие суждения включают в себя утверждения о пространстве и времени, которые, с его точки зрения, неоспоримы, и восприятие которых каким-то образом встроено в наши мозги. Для Канта принципы геометрии Евклида и свойства натуральных чисел были синтетическими суждениями a priori. С точки зрения Канта, теоремы математики представляют собой «евклидизацию» свойств пространства и времени, которая некоторым образом выявляет работу нашей нервной системы (это, разумеется, не тот термин, который он использовал) и наши способы восприятия.

Идею о том, что в натуральных числах присутствует нечто врожденное, являющееся непосредственно очевидным синтетическим априорным свойством мира, датский математик Луитцен Эгбертус Ян Брауэр (1881-1966), один из создателей топологии, в своей докторской диссертации, защищенной в 1907 г. в Амстердамском университете, развил в философию математики, известную как интуиционизм. Брауэр отмел кантовский взгляд на геометрию как на синтетическую априорную конструкцию, который, на самом деле, уже был превращен в пыль тем, что пятый постулат Евклида, хотя он и согласуется с другими постулатами, можно заменить другими, не создавая противоречия (как мы видели в главе 9). То есть Брауэр признал, что Кант был неправ, предполагая, что евклидова геометрия необходимоверна, поскольку существуют альтернативные геометрии, которые, как показывает опыт, лучше описывают пространство и время. Однако он не отверг в целом точку зрения Канта на математику как на средство изучения пространства и времени, он отверг только ее пространственную составляющую. Брауэр считал, что математика является выражением нашего осознавания времени, и пропагандировал тот взгляд, что натуральные числа происходят из последовательного просмотра набора объектов и временного разделения наших восприятий каждого из них, которое и представляет собой способ их различения. Брауэр, на самом деле, шел дальше: он был соллипсистом и считал, что все существующее, включая наши сознания, происходит из одного сознающего ума. Однако это точка зрения не является необходимой составляющей интуиционистской повестки дня, и на первый взгляд кажется, что нет необходимости говорить о ней далее (но позднее я еще коснусь с одобрением одного ее варианта).

Интуиционист принимает точку зрения, что натуральные числа имеют особый статус и что мы имеем прямую их интуицию: они не являются объектами, которые можно разработать лучше с помощью дальнейших описаний. Для того чтобы, следуя Брауэру, прийти к понятию натурального числа, мы должны замечать, как наше восприятие проводит различия между объектами, возникающие из упорядоченного во времени их просматривания, с отгибанием пальца всякий раз, как в поле нашего зрения попадает еще один. Из такого взгляда следует, что натуральные числа являются выражением нашей умственной активности. Подобным же образом арифметические операции, такие как сложение, следует считать изображениями умственных процессов, происходящих у нас в голове. Таким образом, чтобы подтвердить, что 2 + 3 = 1 + 4, мы должны выполнить множество операций; мы должны найти результат прибавления 2 к 3, так же как и 1 к 4, а затем должны удостовериться, что эти результаты равны друг другу.

У интуиционизма есть определенные неприятные следствия, которые не становятся немедленно очевидными при кратком описании, но которые необходимо отметить, поскольку они наносят удар в самое сердце классической логики. Это, в частности, случай, когда имеют дело с утверждениями о бесконечных наборах объектов, с которыми нельзя ассоциировать никакую умственную активность, связанную с их восприятием, поскольку у нас нет прямого опыта бесконечности. Например, Аристотель считал одним из столпов логики свой закон исключенного третьего, согласно которому любое утверждение либо истинно, либо ложно. Этот закон оказывается не выполняющимся в интуиционистской математике, поскольку в ней может существовать утверждение, которое не может быть доказано или является логически неразрешимым. В любом случае, это не та ситуация, в которой утверждение либо истинно, либо ложно, лишь бы это когда-либо могло быть доказано. Одним из следствий такого положения дел является то, что утверждение «неверно, что это предложение ложно» не эквивалентно утверждению «это предложение истинно». В то время как мы могли бы утверждать, что сказать «неверно, что в коробке с бесконечным числом шаров найдется шар не красного цвета» это то же, что сказать «все шары в коробке красные», интуиционист отверг бы такое заключение. Согласно интуиционизму, истинность утверждения «в коробке найдется шар не красного цвета» может быть установлена только перебором всех находящихся в коробке шаров, что невозможно в случае бесконечного набора. Еще одним следствием такого положения является невозможность доказать некоторое утверждение, используя аргумент reductio ad absurdum, то есть показать, что отрицание этого утверждения ложно или ведет к противоречию. Для интуициониста единственно приемлемым утверждением является такое, доказательство которого может быть явно построено и требует конечного числа шагов.

Давид Гильберт (1862-1943), прекрасный танцор и любитель пофлиртовать, был одним из наиболее влиятельных математиков двадцатого столетия. Он, как и Кант, родился в Кенигсберге, в Восточной Пруссии (по странному совпадению, Гольдбах тоже родился там). Он знаменит, в частности, тем, что сформулировал проблемы математики, которые, по его ощущениям, на грани веков, то есть в начале двадцатого века, являлись самыми выдающимися. С тех пор многие математики пытались разрешить представленные Гильбертом проблемы, сообщение о которых он сделал на Втором Международном конгрессе математиков в Париже в 1900 г. В лекции были представлены десять проблем; пока Гильберт работал над версией для публикации, их число выросло до двадцати трех. Влияние этих проблем — которые правильнее считать комплексом из группы проблем и намеков на проблемы, чем двадцатью тремя точно сформулированными отдельными экзаменационными вопросами — проистекает из того, что они представляли собой ответ на вопрос о том, что считать хорошей проблемой. Так, проблемы, предъявленные Гильбертом, стоили того, чтобы потратить время на их решение: они были трудными, но не выглядели нерешаемыми, а решение их осветило бы более широкий круг вопросов, чем те, которые они содержали.

Некоторые из этих проблем решены; некоторые оказались неразрешимыми; иные все еще подвергаются атакам исследователей. Некоторые из проблем, в том виде, в котором Гильберт их сформулировал, являются настолько грандиозными, что неясно, будет ли когда-нибудь получено их решение, столь же определенное, как для других проблем. Например, одной из грандиозных проблем была аксиоматизация физики, утверждение ее на кратком и надежном основании, как это проделал Евклид для своего варианта геометрии, а он, Гильберт, строго формализовал его в своем авторитетном труде Grundlagen der Geometric(Основания геометрии, 1899). То, что он здесь имел в виду, можно истолковать, как формулирование «общей теории всего». Однако большая часть этих проблем вполне опеределенна, особенно если их великодушно интерпретировать. Например, они включали доказательство континуум-гипотезы Кантора (которая оказалась недоказуемой) и гипотезы Риманао том, что некоторая определенная функция комплексного переменного zобращается в нуль на бесконечном множестве значений z, каждое из которых имеет действительную часть, равную 1/2 (рис. 10.9).

Рис. 10.9.Известно, что все решения уравнения 1 + 1/2 ^z+ 1/3 ^z+ 1/4 ^z+ … = 0, где z— комплексное число, лежат в окрашенной полосе между 0 и 1. Одна из форм гипотезы Римана утверждает, что все решения этого уравнения на самом деле лежат на центральной линии полосы (как обозначено маленькими кружками), на которой действительная часть равна 1/2 в каждом случае.

Последняя проблема может показаться не слишком уместной, но на самом деле она имеет фундаментальную важность для изучения простых чисел; она остается нерешенной и считается одной из важнейших нерешенных проблем математики. Позднее мы встретимся с двумя другими проблемами Гильберта явно. Его второй проблемой, которую атаковал и решил отрицательно Гёдель, было доказательство непротиворечивости аксиом арифметики. Его десятой проблемой, так называемой Enischeidungsproblem(проблема решения), которую также атаковали и решили отрицательно Алан Тьюринг и Апонз Чёрч, было обнаружение процесса, посредством которого можно было бы определить, решаемо ли уравнение за конечное число шагов или нет.

Гильберт развил также философию математики, которая стала называться формализмом. Он видел математику как два плотно склеенных листа: один лист состоит из конечных расположений символов, получаемых с помощью применения определенных правил. Эти символы просто образуют определенный рисунок на странице и совершенно лишены смысла. Такие бессмысленные рисунки и есть то, что мы на самом деле понимаем под математикой. Даже аксиомы системы являются просто строчками значков, из которых вытек смысл, интеллектуальными трупами, а новые картинки выводятся из этих строчек посредством применения абстрактных правил. С этой точки зрения математики являются дизайнерами обоев. Единственные надежные доказательства, согласно Гильберту, являются финитистскими, а том смысле, что они являются финитными(то есть конечными) наборами символов, поскольку лишь такие наборы можно обозреть и проверить: безопасная математика — это финитная математика. На втором листе находится метаматематика, которая состоит из комментариев к реальной математике, она содержит комментарии типа «эта строка символов имеет сходство с другой», или «xнужно интерпретировать как особый знак для объекта», или «особая группа знаков указывает на то, что модель является полной», или «вот доказательство этого предложения». Мы можем представлять себе собственно математику как всевозможные расположения фигур на шахматной доске, а сопровождающую ее метаматематику как комментарии типа «для белых существует двадцать возможных первых ходов» или «в этой позиции следует шах и мат». Согласно формалистам, математика — это абстрактный символизм и порождение моделей: метаматематика наделяет символизм и модели значением для человека, она пропитывает значки «смыслом», она восстанавливает у трупов кровообращение.

Существует еще одна школа мысли о природе математики, платоновский реализм. Математики, принадлежащие к этой школе, с презрением отвергают точку зрения формалистов, считающих математику занятием, порождающим лишь бессмысленные строчки символов. Они также с презрением отвергают настойчивые утверждения интуиционистов о том, что математика является проекцией ума, что существование не имеет смысла, пока не проведено его доказательство, и что в отсутствии сознания нет никаких чисел и никаких параллельных линий. Подобно формалистам и интуиционистам, они признают недостаточность логицистического утверждения о том, что математика есть не более чем ветвь логики, и соглашаются с ними, что математика больше, чем логика.

Платоники, как называют этот род математиков, считают, что отсутствующая компонента является реальностью. Математики-платоники являются горняками в забое, разрабатывающими залежи предсуществующих закономерностей и пробивающие свои штреки киркой интеллектуальной рефлексии о мире. Они добывают истину, а не вводят ее. Для них числа являются реальными сущностями, а отношения между числами являются утверждениями об существующих объектах. Для них прямые линии, треугольники и сферы реальны как скалы, а арифметические истины (которые, напомним, означают любой вид математической истины, а возможно, даже более того) являются комментариями к некоему роду существования. Таким образом, они отвергают стерильное равнодушие формализма и субъективную запутанность интуиционизма и считают, что они являются такими же учеными, как и все мы. Они извлекают вневременные истины и находясь в яростной оппозиции к установке интуиционистов, считают, что истины существуют даже в том случае, если их доказательство еще не сформулировано.