Вначале была аксиома. Гильберт. Основания математики

Так что неевклидовы геометрические модели, извлеченные на свет математиками XIX века, только вернули данный вопрос в рамки евклидовой геометрии. Если последняя раньше считалась единственно справедливой, теперь же странные неевклидовы геометрии рассматривались наравне с евклидовой геометрией (которая оказывалась их особым случаем), и возникал правомерный вопрос: в чем же справедливость евклидовой геометрии? Можно ли с уверенностью утверждать, что она не содержит никаких противоречий?

Важнейшим следствием из признания неевклидовых геометрий была необходимость рассмотреть проблему справедливости геометрии и всей математики с точки зрения оснований. До тех пор связность евклидовой геометрии обеспечивало то, что она соответствовала физическому пространству, в котором нет противоречий. Кроме интересных результатов, количество которых постоянно возрастало, внимание также привлекали и основополагающие вопросы. Аксиоматический подход последней трети XIX века, во главе которого стояли Мориц Паш (1843-1930) и Джузеппе Пеано (1858-1930), обозначил их особенно остро, и только Гильберт смог дать определенный ответ. Но прежде требовалось найти подходящую аксиоматику евклидовой геометрии, которая закрыла бы постепенно открывающиеся логические бреши.

АКСИОМАТИЧЕСКИЙ ПОДХОД ГИЛЬБЕРТА

Как это было с теорией инвариантов, настал день, когда Гильберт устал и оставил теорию чисел, переключившись на основы геометрии. Никто не ожидал такого, пусть даже он и вел два курса по этому предмету в Кёнигсберге. Эта новость застала врасплох всех его новых коллег по Гёттингену. Однако в своем «Отчете о числах» Гильберт подчеркивал, что современная математика развивается под знаком числа, и потому призывал к арифметизации геометрии, ориентированной на логический анализ последней. В этом угадываются зачатки его знаменитых Grundlagen der Geometrie («Основания геометрии»), публикация которых в 1899 году была приурочена к открытию в Гёттингене статуи Гаусса и Вебера в память об изобретении ими телеграфа. Эта работа сразу же обозначила новую парадигму исследования оснований и аксиоматическую практику в XX веке, как «Начала» за несколько веков до этого.

В книге излагалась аксиоматика геометрии, которая на голову превосходила аксиоматику не только Евклида, но и предложенные Пашем и Пеано. Гильберт заявил, что работа по установлению минимального числа гипотез, из которых можно вывести всю геометрию, осуществлена не полностью, и сформулировал 21 аксиому. Эти аксиомы возникли не из ниоткуда, их скрыто или открыто применяли еще в древности. Они были продуктом не чистой мысли, а скорее интуиции (это логично, учитывая, что книгу открывает цитата из Канта). В том виде, как ее задумывал Гильберт, геометрия была ближе к механике и физике, чем к алгебре и теории чисел.

Гильберт сформулировал свои аксиомы для трех систем неопределенных объектов. Объекты первой системы он назвал точками; второй — прямыми; а третьей — плоскостями. Но, в отличие от Евклида, он не дал определений элементарным геометрическим понятиям. Сами аксиомы определяют их, устанавливая внутренние отношения. В них самих содержатся утверждения о точках, прямых и плоскостях и о том, что с ними можно делать. По Гильберту, нужно избавиться от налета толкований элементарных объектов. Аксиомы, и только они (без каких-либо предварительных определений или рисунков), характеризуют элементарные объекты через их взаимоотношения. «Следует добиться того, чтобы с равным успехом можно было говорить вместо точек, прямых и плоскостей о столах, стульях и пивных кружках», — писал он. Аксиомы допускают множественные толкования, и в этом коренное различие материальной аксиоматики Евклида и новой формальной аксиоматики Гильберта.

Используя все свое математическое умение, 21 аксиому евклидовой геометрии он классифицировал по пяти группам:

— аксиомы принадлежности, которые связывают между собой различные объекты, например позволяют утверждать, что «эта точка принадлежит этой прямой» или «эта прямая принадлежит этой плоскости»;

— аксиомы порядка, которые позволяют утверждать, что, например, «эта точка лежит между этими двумя» (как отметил Паш, данный тип аксиом полностью отсутствовал среди евклидовых постулатов);

— аксиомы конгруэнтности, определяющие соразмерность отрезков;

— аксиома параллельности имеет знаменитую формулировку о параллельных прямых;

— аксиомы непрерывности, их две: так называемая аксиома Архимеда, которая гласит, что если последовательно повторять любой из двух заданных произвольных отрезках, мы можем построить отрезок большего размера, чем первый, за конечное число шагов; и аксиома полноты линии, или непрерывности прямой, она гласит, что точки одной прямой образуют систему, неподверженную какому- либо расширению при условии сохранения линейного порядка и отсутствии противоречия аксиоме конгруэнтности и аксиоме Архимеда.

Без аксиомы непрерывности нельзя утверждать, что две окружности пересекутся в точке С и,следовательно, что можно построить равносторонний треугольник со стороной АВ (как это заявлено в Пропозиции I Книги I «Начал» Евклида).

Последней аксиомы в «Началах» не было, хотя необходимость в ней возникает даже при доказательстве Пропозиции I Книги I. То, что Гильберт извлек ее на свет, составляет один из важнейших его вкладов. Без нее Q² (то есть плоскость, в которой у точек есть только рациональные координаты) было бы моделью евклидовой геометрии, поскольку она бы удовлетворяла всем предыдущим аксиомам. Однако, как подчеркнул Рихард Дедекинд (1831-1916), в этой дырявой плоскости две окружности, каждая из которых проходит через центр другой, необязательно должны пересекаться (что предполагалось в Пропозиции I), потому что это возможно в точке с иррациональными координатами (в дырке). Аксиома полноты линии, или непрерывности прямой, позволяет определить любую прямую с действительными числами R и, следовательно, плоскость R² (то есть полную плоскость со всеми точками с рациональными и иррациональными координатами), где две окружности гарантированно пересекутся (см. рисунок). Это мост между синтетической геометрией, основанной на диаграммах и чертежах, и аналитической, выстраиваемой на вычислениях.

АКСИОМЫ, ДОКАЗАТЕЛЬСТВА, ТЕОРЕМЫ И ТЕОРИИ

С аксиоматической точки зрения аксиома — это высказывание, по той или иной причине (обычно из-за ее плодотворности) помещенное в основание математической теории, чтобы из него в дальнейшем можно было вывести теоремы. Но чтобы вывести теоремы, необходим свод правил выведения. Математики обычно оперируют двумя классическими правилами. Первое, modus ponens, заключается в том, чтобы из импликации «Если Р, то Q» и из истинности Р вывести, что истинно также Q. Второе, modus tollens, состоит в том, чтобы из импликации «Если Р, то Q» и из того, что Q ложно, вывести, что Ртакже ложно. Таким образом, формально доказательство — это цепочка рассуждений, которая позволяет получить новые результаты с применением аксиом и правил выведения. Конечным результатом доказательства называется теорема. Если на основе множества аксиом S мы смогли вывести теорему T, обычно это записывается как S + T («T доказуемо на основе S»), где знак + обозначает синтаксическое отношение выведения или доказательства. Теорией называют множество всех теорем, которые могут быть доказаны. Модель теории — математическая структура, в которой аксиомы истинны, они выполняются. Если М — это модель множества аксиом S, это записывается как М S («М выполняет S», то есть «аксиомы S истинны в М»). Знак обозначает семантическое отношение истинности или выполнения. Один из главных вопросов, которые поставил Гильберт, состоит в том, какое математическое отношение существует между отношением доказательства и отношением истинности (между + и ): истинно ли все доказуемое? Доказуемо ли все истинное?

Помимо формулировки аксиом, Гильберт стал первым, кто с чисто математического уровня в основе геометрии поднялся на метаматематический, или метагеометрический, уровень, где рассматриваются свойства любой аксиоматической системы, в частности той, которую он определил для геометрии. Какими свойствами должна обладать аксиома? Гильберт выделил три характеристики: независимость, непротиворечивость и полнота.

Аксиоматическая система является независимой, если ни одна аксиома не может быть выведена из другой, то есть если система максимально экономична, не избыточна. И пусть не все сформулированные им аксиомы оказались независимыми (как выяснилось позже), Гильберт доказал независимость между различными группами аксиом. Он утверждал, что аксиома параллельных прямых независима от прочих аксиом, то есть она не может быть выведена на их основе, чем закрыл вопрос, остававшийся открытым несколько столетий. Это стало возможным с применением метода, ставшего вскоре классическим: построить модели геометрий, которые выполняют все желаемые аксиомы, кроме той, независимость которой проверяется, и тогда последняя не может быть следствием из других (поскольку если бы это было так, мы получили бы противоречие — аксиому и ее отрицание). Для доказательства независимости аксиомы параллельных прямых Гильберт создал модель неевклидовой геометрии. А для доказательства независимости аксиомы Архимеда он построил модель неархимедовой геометрии, в которой существуют бесконечно малые величины. Так Гильберт, по примеру Джузеппе Веронезе (1845-1917), распахнул двери для исследования геометрии нового типа.

Давид Гильберт, 1886 год.

Скульптурная группа, воздвигнутая в память о Гауссе и Вебере в Гёттингене. Гильберт опубликовал свои«Основания геометрии» (1899) по случаю ее торжественного открытия.

Кёнигсбергский университет, около 1890 года. Гильберт поступил сюда десятью годами ранее.

Вторым требованием, которое Гильберт предъявлял к своей аксиоматической системе, была непротиворечивость. Система аксиом является непротиворечивой, если не порождает разногласий, если нельзя вывести никакого противоречия на ее основе. Такую систему аксиом называют когерентной, или совместимой. Модели Бельтрами, Клейна, Пуанкаре и Римана доказали относительную непротиворечивость неевклидовых геометрий в отношении к евклидовой, поскольку эти неевклидовы модели содержались внутри собственно евклидова пространства. Но была ли непротиворечивой евклидова геометрия? Гильберт доказал непротиворечивость евклидовой геометрии относительно арифметики, впервые предложив чисто числовую модель. Он вывел числовое множество, в котором выполняются все геометрические аксиомы, в котором точки — это некоторые пары алгебраических чисел, а прямые — некоторые тройки этих чисел, в котором принадлежность какой-то точки прямой означает, что соблюдается некое числовое уравнение, и так далее. Таким образом, любая противоречивость его аксиоматической системы геометрии привела бы к противоречивости арифметики. Любое противоречие в выводах, cделанных на основе геометрических аксиом, было бы признано арифметическим (например, 0=1).

ВЛИЯНИЕ ГЕРЦА

Не исключено, что Гильберт не был близко знаком с аксиоматическими работами итальянской школы Пеано, зато он знал о достижениях немецкой школы — как в области геометрии (Паш), так и в области механики. Генрих Рудольф Герц (1857-1894) скончался в возрасте 37 лет, но за свою короткую жизнь он успел удивить современников как физик-экспериментатор (он открыл электромагнитные волны и фотоэлектрический эффект) и физик-теоретик. В 1894 году он опубликовал работу «Принципы механики, изложенные в новой связи», в которой аксиоматически изложил знания в этой области. К собственной аксиоматической системе у него имелось два требования: допустимость и корректность. Допустимость совпадает с непротиворечивостью, с отсутствием противоречий. А корректность — с полнотой, с возможностью доказать в рамках этой теории все, что является истинным в мире. Эти два понятия перекликаются с введенными Давидом Гильбертом.