Математика. Утрата определенности. - Клайн Морис

V

Нелогичное развитие логичнейшей из наук

На протяжении двух тысячелетий математики были уверены в том, что весьма успешно открывают математические принципы, заложенные в фундаменте мироздания. Но в середине XIX в. они вынуждены были признать, что глубоко заблуждались, принимая математические законы за абсолютные истины. В течение двух тысячелетий математики не сомневались, что неукоснительно следуют предложенной древнегреческими мыслителями схеме постижения истины, выводя с помощью дедуктивных рассуждений из математических аксиом следствия, не уступающие по надежности самим исходным аксиомам. Поскольку математические законы естествознания отличались необычайной точностью, редкие расхождения по поводу корректности некоторых математических рассуждений от «метались как не заслуживающие внимания. Даже самые проницательные и дальновидные математики были убеждены, что любой пробел в математическом доказательстве, если таковой обнаружится, может быть легко восполнен. Но в XIX в. единодушие математиков по поводу безупречной доказательности математических рассуждений явно поколебалось.

Что же открыло математикам глаза? Как они смогли понять, что заблуждались, полагаясь на безупречность математических рассуждений? Некоторые математики еще в начале XIX в. выражали озабоченность в связи с критикой, которой подвергались основные положения математического анализа, но большинство считало эти нападки недостаточно обоснованными и просто игнорировало их. Лишь появление неевклидовой геометрии и кватернионов, которые заставили математику отказаться от многовековых претензий на владение абсолютной истиной, побудило большинство математиков обратить внимание на пробелы в логике математических исследований.

Работы в области неевклидовой геометрии, которые сопровождались постоянными и столь естественными ссылками на аналогичные теоремы и доказательства евклидовой геометрии, привели к поразительному открытию: выяснилось, что евклидова геометрия, которую на протяжении двух тысячелетий специалисты провозглашали неподражаемым образцом строгих доказательств, обладает серьезными логическими изъянами! Создание новых алгебр, начало которому было положено введением кватернионов (гл. IV), настолько обеспокоило математиков, что им захотелось подвергнуть критическому пересмотру логические основы арифметики и алгебры обычных вещественных и комплексных чисел. Такой пересмотр действительно был необходим — хотя бы для того, чтобы убедиться в надежности представлений о свойствах этих чисел. Открытие, которое ожидало математиков в, казалось бы, хорошо известной им области, было поистине удивительным: эти разделы математики, традиционно считавшиеся в высшей степени логичными, развивались алогично!

Если хочешь разобраться в настоящем, следует прежде всего заглянуть в прошлое! Обратившись к прошлому, математики, чье восприятие обострилось в результате последних открытий, наконец увидели то, что ускользало от их предшественников или мимо чего те равнодушно проходили в своем безудержном стремлении постичь истину. Разумеется, математики отнюдь не собирались безропотно отказываться от своей науки. Помимо того что математические методы продолжали оставаться весьма эффективным инструментом естественнонаучного исследования, математика сама по себе превратилась в область знания, которую многие математики вслед за Платоном считали особой «внечувственной реальностью». {60}Естественно, математики сочли, что им под силу по крайней мере пересмотреть логическую структуру математики и восполнить пробелы в ней или изменить те ее области, где обнаружатся изъяны.

Как нам уже известно, родоначальниками дедуктивной математики были древние греки и первым, казалось бы, совершенным математическим построением стали «Начала» Евклида. Начав с определений и аксиом, Евклид далее переходил к доказательству теорем. Повторим, однако, некоторые из определений Евклида:

1. Точка есть то, что не имеет частей.

2. Линия же — длина без ширины.

3. Прямая линия есть та, которая равно расположена по отношению к точкам на ней. ([25], кн. I-VI, с. 11.)

Аристотель учил, что определение должно описывать определяемое понятие через другие, уже известные понятия. А так как с чего-то необходимо начать, утверждал Аристотель, то в качестве исходных необходимо принять какие-то неопределяемые понятия. Хотя, судя по многим данным, Евклид, живший и работавший в Александрии примерно в III в. до н.э., хорошо знал о работах греческих авторов классической эпохи, в частности Аристотеля, он тем не менее дал определение всемгеометрическим понятиям.

Этот просчет Евклида принято объяснять двумя причинами. Либо Евклид был не согласен с Аристотелем в том, что исходные понятия должны быть неопределяемыми, либо, как утверждают некоторые защитники Евклида, он сознавал необходимость неопределяемых понятий, но своими первыми определениями намеревался дать лишь интуитивное представление о смысле определяемых понятий, позволяющее понять последующие аксиомы. Но если справедливо последнее, то в таком случае Евклид вряд ли стал бы включать определения в основной текст «Начал». Каковы бы ни были намерения самого Евклида, никто из математиков, следовавших дедуктивному методу Евклида на протяжении двух тысячелетий, не отметил необходимость неопределяемых понятий. На необходимость таких понятий обратил внимание в своем «Трактате о геометрическом духе» (1658) Паскаль, но это его напоминание просто не было никем замечено.

А как обстояло дело с аксиомами Евклида? Следуя, по-видимому, Аристотелю, Евклид сформулировал ряд общих понятий, применимых к любому рассуждению, и пять постулатов, применимых только к геометрии. Одно из общих понятий гласило: «И если к равным [вещам] прибавляются равные, то и целые будут равны» ([25], кн. I-VI, с. 15). Под словом «вещи» Евклид понимал длины, площади, объемы и целые числа. Разумеется, это слово допускает весьма широкое толкование. Но еще в большей степени может вводить в заблуждение общее утверждение, что фигуры, совпадающие при наложении, равны. С помощью этой аксиомы Евклид доказывал конгруэнтность двух треугольников, налагая один треугольник на другой и выводя из известных геометрических фактов заключение о равенстве углов. Но чтобы наложить один треугольник на другой, его необходимо передвинуть. Евклид предполагал, что перемещение не сказывается на свойствах треугольника. Таким образом, общее понятие, задающее «принцип наложения», по существу, выражает однородность пространства, т.е. независимость свойств геометрических фигур от их расположения в пространстве. Такого рода допущение вполне разумно, но все же является дополнительным допущением: определения в евклидовых «Началах» не затрагивают понятия движения. {61}

В своих доказательствах Евклид нередко прибегал к аксиомам, явно им не сформулированным. Еще Гаусс обратил внимание на то, что Евклид говорит о точках, лежащих междудругими точками, и о прямых, лежащих между другими прямыми, ни словом не обмолвившись о понятии «лежать между» и его свойствах. По-видимому, Евклид мысленно представлял геометрические фигуры и использовал в доказательствах теорем свойства реальных фигур, не отраженные в аксиомах. Наглядные геометрические представления могут оказаться весьма полезными и при доказательстве, и при запоминании теоремы, но роль их должна быть лишь вспомогательной. Лейбниц обратил внимание еще на одну аксиому, неявно использованную Евклидом, — аксиому о так называемой непрерывности. Действительно, Евклид широко пользовался тем, что прямая, соединяющая точку A,расположенную по одну сторону от  l(рис. 5.1), с точкой B,расположенной по другую сторону от прямой l, имеет с lобщую точку. Существование общей точки очевидно из чертежа — однако ни одна аксиома о прямых не гарантирует, что такая общая точка действительно имеется. Впрочем, можно ли говорить, что точки «находятся по разные стороны от прямой»? Подобное словоупотребление также основывается на неявно подразумеваемой, но неформулируемой аксиоме.