Призрак противоречия

Формализму свойственна строгая элегантность, представляющая интерес для таких людей, как Годфри Гарольд Харди, Антонин Скалиа и я сам, которые получают истинное удовольствие от красивой строгой теории, не допускающей никаких противоречий. Однако нелегко неизменно придерживаться принципов такого рода, да и не совсем понятно, целесообразно ли это. Даже судья Скалиа время от времени признавал, что, когда буква закона требует принятия абсурдных решений, от буквальных формулировок необходимо отказаться в пользу правдоподобного предположения по поводу того, что имел в виду Конгресс^{277}. Аналогичным образом ни один ученый не хочет быть строго ограниченным правилами статистической значимости, о каких бы принципах ни шла речь. Когда вы проводите два эксперимента, один из которых тестирует курс лечения, кажущийся теоретически многообещающим, а другой проверяет, демонстрирует ли дохлый лосось эмоциональную реакцию на показанные ему фотографии, и оба эксперимента дают успешный результат с р-значением 0,03, на самом деле вам не следует одинаково обращаться с этими двумя гипотезами. Вы должны оценивать абсурдные выводы с повышенным скептицизмом, и к черту правила.

Величайшим сторонником формализма в математике был немецкий математик Давид Гильберт; его список двадцати трех проблем, представленный в Париже, на Международном конгрессе математиков в 1900 году, определил направление развития математики на большую часть ХХ столетия. Гильберт – математик, вызывающий такое глубокое почтение, что любая работа, имеющая хотя бы косвенное отношение к его проблемам, приобретает особый блеск даже сто лет спустя. Однажды я познакомился с историком немецкой культуры из Колумбуса (штат Огайо), который рассказал мне, что именно склонность Гильберта носить сандалии с носками объясняет тот факт, что этот стиль до сих пор достаточно популярен среди математиков. Я не нашел никаких свидетельств, что это действительно так, но мне нравится так считать, поскольку это позволяет составить правильное представление о масштабе его влияния.

Значительное количество проблем Гильберта было вскоре решено; другие проблемы, например под номером восемнадцать – о максимально плотной упаковке сфер, – были решены только недавно. Некоторые проблемы до сих пор остаются нерешенными, и многие математики активно пытаются найти их решение. В частности, за решение проблемы под номером восемь (доказательство гипотезы Римана) Фонд Клэя выплатит вознаграждение в размере одного миллион долларов. Минимум в одном случае великий Гильберт ошибся. В проблеме под номером десять он предложил найти алгоритм, позволявший взять любое уравнение и определить, есть ли у него решение, при котором все переменные принимают целочисленные значения, но в 1960–1970-е годы математики Мартин Дэвис, Юрий Матиясевич, Хилари Патнэм и Джулия Робинсон опубликовали ряд работ, в которых было доказано, что такого алгоритма не существует. (Специалисты по теории чисел вздохнули с облегчением: было бы немного досадно, если оказалось бы, что некий формальный алгоритм способен автоматически решать задачи, на которые мы тратим столько лет.)

От всех остальных проблем Гильберта отличалась проблема под номером два. В ней был сформулирован не столько математический вопрос, сколько вопрос об отношении к самой математике. Свое описание этой задачи Гильберт начал с безоговорочной поддержки формалистского подхода к математике:

К тому времени, когда Гильберт выступал в Париже с докладом, он уже пересмотрел аксиомы Евклида и переписал их так, чтобы исключить любые следы неопределенности; при этом он неукоснительно придерживался принципа полного вытеснения геометрической интуиции. Его версия этих аксиом действительно сохраняет свой смысл даже в случае, если заменить точки и прямые лягушками и кумкватами. Сам Гильберт говорил об этом так: «Следует добиться того, чтобы с равным успехом можно было говорить вместо точек, прямых и плоскостей о столах, стульях и пивных кружках»^[311]{279}. Одним из первых приверженцев новой геометрии был молодой Абрахам Вальд, который еще во время учебы в Вене показал, что некоторые аксиомы Гильберта можно вывести из других, а значит, без них можно обойтись^[312].

Гильберт не хотел ограничиваться геометрией. Он мечтал создать сугубо формальную математику, в которой заявление, что утверждение истинно, было бы равноценно заявлению, что это утверждение подчиняется изначально установленным правилам – ни больше, ни меньше. Такая математика понравилась бы Антонину Скалиа. Аксиомы, которые Гильберт планировал использовать в арифметике и которые впервые сформулировал итальянский математик Джузеппе Пеано, на первый взгляд не кажутся тем, в отношении чего могут возникать интересные вопросы или разногласия. Эти аксиомы содержат утверждения такого рода: «Ноль – это число», «Если x равно y, а y равно z, тогда х равно z» и «Если число, непосредственно следующее за числом x, тождественно числу, непосредственно следующему за числом y, тогда числа x и y тождественны». Все эти истины мы считаем самоочевидными.

Аксиомы Пеано интересны тем, что на основании этих малейших отправных точек можно создать серьезные математические построения. На первый взгляд сами аксиомы касаются только целых чисел, но даже Пеано показал, что, начав с аксиом и двигаясь дальше посредством определения и логической дедукции, можно определить рациональные числа и их основные свойства^[313]. После того как в XIX столетии было обнаружено, что общепринятые определения в математическом анализе и геометрии логически неполноценны, мир математики охватил кризис и смятение. Гильберт воспринимал формализм как способ начать все с чистого листа, опираясь при этом на фундаментальную, абсолютно непреложную основу.

Однако программу Гильберта преследовал призрак – призрак противоречия. Представьте себе такой кошмарный сценарий. Члены математического сообщества, работая в тесном сотрудничестве друг с другом, перестраивают весь аппарат теории чисел, геометрии и исчисления, начиная с фундаментальных аксиом, и кирпичик за кирпичиком выстраивают новые теоремы, прикрепляя каждый новый уровень к предыдущему с помощью правил дедукции. А затем однажды математик из Амстердама приводит доказательство того, что определенное математическое утверждение истинно, тогда как другой математик из Киото приводит доказательство того, что это не так.

Что теперь? Начав с утверждений, которые невозможно поставить под сомнение, мы пришли к противоречию. Следует ли из этого вывод, что аксиомы ошибочны? Или что ошибка содержится в структуре самого логического вывода? А что делать с десятилетиями работы, основанной на этих аксиомах^[314]?

Таким образом, вторая проблема в списке проблем, которые Гильберт представил перед собравшимися в Париже математиками, была сформулирована так:

У кого-то возникнет искушение заявить, что подобное просто не может произойти. Разве это возможно? Ведь очевидно, что аксиомы истинны. Однако для древних греков было не менее очевидным, что геометрическая величина должна представлять собой соотношение двух целых чисел: такими были их представления о математике до тех пор, пока теорема Пифагора и упорно иррациональный квадратный корень из двух не разрушили эту систему понятий. Математике свойственна скверная привычка демонстрировать, что время от времени то, что кажется очевидно истинным, оказывается абсолютно ошибочным. Возьмем в качестве примера хотя бы Готлоба Фреге – немецкого логика, который, подобно Гильберту, не покладая рук трудился над укреплением логических основ математики. В центре внимания Фреге была не теория чисел, а теория множеств. Он также начал с последовательности аксиом, которые казались настолько очевидными, что их вряд ли нужно было формулировать. В теории множеств Фреге множество представляло собой не что иное, как совокупность объектов, называемых элементами. Для обозначения множеств, в которые входят определенные элементы, обычно используются фигурные скобки {}. Так, {1, 2, поросенок} – это множество, элементами которого являются число 1, число 2 и поросенок.

Когда некоторые элементы множества обладают определенным свойством, а другие нет, такое множество представляет собой совокупность элементов с указанным свойством. Давайте сформулируем это немного проще: существует множество поросят, и среди них есть желтые поросята, которые образуют множество желтых поросят. Здесь трудно с чем-то не согласиться. Однако эти определения носят весьма обобщенный характер. В качестве множества может выступать совокупность поросят, действительных чисел, идей, возможных вселенных или других множеств. И именно последний случай создает множество проблем. Существует ли множество множеств? Безусловно. А множество всех бесконечных множеств? Почему бы нет? На самом деле оба эти множества обладают любопытным свойством: они являются элементами самих себя. В частности, множество бесконечных множеств – это, разумеется, само по себе бесконечное множество, элементы которого содержат множества такого типа:

{целые числа}

{целые числа, а также поросенок}

{целые числа, а также Эйфелева башня}

и так далее, и тому подобное. Очевидно, что этому нет конца.

Мы могли бы назвать такое множество уроборическим, по имени мифического змея, который кусает себя за хвост и пожирает сам себя. Следовательно, множество бесконечных множеств является уроборическим, но множество {1, 2, поросенок} нет, поскольку ни один из его элементов не является множеством {1, 2, поросенок}: все его элементы – это либо числа, либо животные, но не множества.

Теперь наступает кульминационный момент. Путь NO – это множество всех неуроборических множеств. NO – достаточно странная концепция, чтобы представить ее себе, но, если определение Фреге допускает это в мире множеств, мы тоже должны сделать это.

Является ли NO уроборическим множеством или нет? Другими словами, является ли NO элементом NO? Согласно определению, если NO – это уроборическое множество, тогда NO не может входить в состав NO, которое состоит только из неуроборических множеств. Но утверждать, что NO не является элементом NO, – это равносильно утверждению о том, что NO – это неуроборическое множество, то есть оно не содержит себя.

Но подождите-ка: если NO – это неуроборическое множество, тогда это элемент множества NO, которое является множеством всех неуроборических множеств. Выходит, что NO – это все же элемент NO, то есть NO – уроборическое множество.

Если NO – уроборическое множество, оно таковым не является, а если это не уроборическое множество, то оно является таковым.

Примерно таким было содержание письма, которое молодой Бертран Рассел написал Фреге в июне 1902 года. Рассел познакомился с Пеано в Париже на Международном конгрессе. Неизвестно, присутствовал ли он на докладе Гильберта, но он безусловно был сторонником программы сведения всей математики к чистой последовательности выводов из базовых аксиом^[315]. Письмо Рассела начинается как письмо молодого почитателя к старшему логику: «Я согласен с вами по всем основным моментам, особенно с вашим неприятием психологического элемента в логике и с тем значением, которое вы придаете концептуальному обозначению основ математики и формальной логике, которую, кстати говоря, трудно распознать».

Но затем Рассел пишет следующее: «У меня возникла трудность только с одним вопросом».

Далее он объясняет в письме, в чем состоит проблема с множеством NO, которая известна теперь как парадокс Рассела^[316].

В конце письма Рассел выражает свое сожаление по поводу того, что Фреге еще не опубликовал второй том своего труда «Grundgesetze der Arithmetik» («Основные законы арифметики»). На самом деле эта книга была завершена и уже находилась в печати, когда Фреге получил письмо Рассела. Несмотря на уважительный тон («У меня возникла трудность» вместо «Я только что испортил труд всей вашей жизни»), Фреге сразу же понял, что означает парадокс Рассела для его версии теории множеств. Менять что-то в книге было слишком поздно, но Фреге поспешно добавил эпилог с объяснением губительного озарения Рассела. Пожалуй, это объяснение Фреге можно считать самым грустным предложением о математике из всех, которые когда-либо были написаны: «Einem wissenschaftlichen Schriftsteller kann kaum etwas Unerw"unschteres begegnen, als dass ihm nach Vollendung einer Arbeit eine der Grundlagen seines Baues ersch"uttert wird». Что означает: «Вряд ли ученый может столкнуться с чем-либо более нежелательным, чем разрушение самой основы только что законченной работы».

Гильберт и другие формалисты не хотели оставлять открытой возможность противоречия, встроенного в аксиомы подобно часовой бомбе; он стремился разработать математическую систему, в которой непротиворечивость была бы гарантирована. Нельзя сказать, что Гильберт на самом деле считал, будто в арифметике может быть скрыто противоречие. Подобно большинству математиков и даже большинству обычных людей, он был убежден, что стандартные правила арифметики – это истинные утверждения о целых числах, а значит, они не могут противоречить друг другу. Однако этого было недостаточно, поскольку в основе такого подхода лежало предположение о том, что множество целых чисел действительно существует. Для многих это было камнем преткновения. За несколько десятилетий до этого Георг Кантор впервые поставил концепцию бесконечности на твердую математическую основу. Однако его работа не получила широкого принятия и распространения; кроме того, была довольно большая группа математиков, которые считали, что любое доказательство, основанное на существовании бесконечных множеств, должно считаться сомнительным. Все готовы были принять тот факт, что существует число 7. Однако существование множества всех чисел оставалось спорным вопросом. Гильберт прекрасно знал, что сделал Рассел с Фреге, и осознавал, какие опасности таят в себе поверхностные рассуждения о бесконечных множествах. «Внимательный читатель, – писал он в 1926 году, – обнаружит, что в книгах по математике полно глупости и абсурда, источником которых является бесконечность»^{280}. (Тон этого высказывания был бы вполне уместным в каком-нибудь из наиболее яростных мнений судьи Антонина Скалиа.) Гильберт искал финитное доказательство непротиворечивости, то есть доказательство, в котором не было бы никаких ссылок на бесконечные множества и в которое рациональный ум не мог бы не поверить.

Однако Гильберта ждало разочарование. В 1931 году Курт Гёдель доказал свою знаменитую вторую теорему о неполноте, которая гласила, что не существует финитного доказательства непротиворечивости арифметики. Он погубил программу Гильберта одним ударом.

Так следует ли вам беспокоиться по поводу того, что завтра после обеда может наступить коллапс всей математики? Как бы там ни было, меня это не беспокоит. Я действительно верю в бесконечные множества и считаю доказательства непротиворечивости, в которых используются бесконечные множества, достаточно убедительными, чтобы спокойно спать по ночам.

Большинство математиков считают так же, как и я, но есть и те, кто придерживается другого мнения. В 2011 году логик из Принстонского университета Эдвард Нельсон представил доказательство непротиворечивости арифметики. (К счастью для нас, через несколько дней Терри Тао обнаружил в этом доказательстве ошибку^{281}.) Владимир Воеводский, лауреат Филдсовской премии, который работает сейчас в Институте перспективных исследований в Принстоне, произвел в 2010 году сенсацию, заявив, что не видит никаких оснований для того, чтобы считать арифметику непротиворечивой. Вместе с большой группой коллег со всего мира Воеводский предложил новое обоснование математики. Гильберт начинал с геометрии, но быстро пришел к пониманию того, что непротиворечивость арифметики – это более фундаментальная проблема. Напротив, группа Воеводского утверждает, что по большому счету именно геометрия имеет фундаментальное значение – не такая геометрия, которая была бы привычной для Евклида, а современная геометрия, называемая «теория гомотопий». Смогут ли эти основы устоять перед скептицизмом и противоречиями? Спросите меня об этом через двадцать лет. Такие вещи требуют времени.

Модель математики Гильберта уцелела после кончины его формалистской программы. Еще до публикации работы Гёделя Гильберт ясно дал понять, что в его намерения не входит создание математики сугубо формалистским способом. Это было бы слишком трудно! Даже если геометрию можно представить в виде осуществления манипуляций с бессмысленными последовательностями символов, ни один человек не в состоянии генерировать геометрические идеи, не рисуя при этом картинки, не представляя себе фигуры и не размышляя о геометрических объектах как о реальных вещах. Как правило, мои друзья философы считают эту точку зрения, обычно называемую платонизмом, довольно сомнительной: разве может быть реальным пятнадцатимерный гиперкуб? Я могу сказать только то, что для меня такие вещи так же реальны, как, например, горы. В конце концов, я могу определить пятнадцатимерный гиперкуб. А можете ли вы определить гору?

Однако все мы отпрыски Гильберта; когда по выходным мы пьем пиво вместе с философами и философы начинают атаковать нас вопросами по поводу статуса объектов, которые мы изучаем^[317], мы возражаем им, укрываясь в своей формалистской цитадели: безусловно, мы прибегаем к геометрической интуиции, для того чтобы понять, что происходит, однако наш окончательный вывод по поводу истинности того, о чем мы говорим, опирается на формальное доказательство, лежащее в основе происходящего. Согласно известной формулировке Филипа Дэвиса и Рубена Херша, «типичный практикующий математик – платонист по будним дням и формалист по воскресеньям»^{282}.

Гильберт не стремился разрушить платонизм; он хотел сделать мир безопасным для платонизма, водрузив такие объекты, как геометрия, на столь незыблемую основу, что мы могли бы чувствовать себя на протяжении недели такими же морально сильными, как и в воскресенье.