Чтение онлайн

Фон Нейман понимал, что логика, описывающая явления квантовой физики, значительно отличается от той, к которой все привыкли. В логике высказываний существует конъюнкция, обозначаемая символом ^, она соответствует сочинительному союзу «и». Два высказывания A и В, соединенные конъюнкцией, записываются как А ^ В. Например, высказыванием А может быть «Луиджи 34 года», а В — «Луиджи брюнет», так что А ^ В читалось бы как «Луиджи 34 года, и он брюнет». Это утверждение будет верным, только если верны оба высказывания. Для конъюнкции соблюдается коммутативный закон, то есть порядок высказываний не влияет на их истинность или ложность. Сказать «Луиджи 34 года, и он брюнет» — то же самое, что «Луиджи брюнет, и ему 34 года». Но в квантовой физике все иначе.

Свет — это электромагнитная поперечная волна с двумя перпендикулярными плоскостями колебаний. Когда мы ставим поляризационный фильтр (такой, как в поляризационных очках) на пути луча света, то препятствуем прохождению одного из двух планов колебаний. Если же мы поставим два перпендикулярных поляризационных фильтра, свет не сможет пройти сквозь них.

Теперь возьмем третий фильтр, поляризованный по диагонали. Опытным путем было установлено, что если поставить его между двумя предыдущими, то свет сможет пройти. Разумеется, если мы поставим его после второго, свет не пройдет, так как ему помешают первые два. Назовем второй фильтр А, а третий — В и поставим за фильтрами экран. Условимся, что когда на экран падает свет, это означает «истина», когда экран остается темным — «ложь». В таком случае В^А было бы «истиной», так как при таком расположении фильтров экран загорается. Напротив, А л В было бы «ложь», так как свет не смог бы пройти. Таким образом, А ^ В /= В ^ А.

Все свои открытия в области логики, описывающей явления квантовой механики, Нейман изложил во втором издании «Математических оснований квантовой механики», опубликованном в 1936 году.

КРУШЕНИЕ ОСНОВ

Описанная выше логическая система предполагает некую механичность — в том смысле, что все операции с высказываниями следуют определенным правилам. Проще говоря, хоть это и не совсем правильно, важно следить за тем, что ты делаешь, но можно не думать о том, что ты делаешь. Можно создавать геометрические теоремы исключительно по правилам логики, не думая ни о прямых и плоскостях, ни о том, как они пересекаются и расходятся в пространстве. Мы могли бы «включить тумблер» и автоматически создать все возможные геометрические теоремы. Это сделало бы математику не только точной, но и совершенной наукой — наукой наук.

На протяжении 2000 лет аксиоматический метод в геометрии давал довольно хорошие результаты. Полагалось, что этот же метод можно применить и к другим областям науки. В конце XIX века арифметика уже обладала собственной системой аксиом, из которых можно было бы вывести целый ряд предложений, возводимых в ранг теорем. Этим и занимался Давид Гильберт, когда Гёдель сформулировал свою теорему, значительно ускорившую весь процесс.

В 1930 году Гёдель защитил докторскую диссертацию, написанную под руководством Ханса Хана (1879-1934). Она называлась «Полнота аксиом логического функционального исчисления» и была посвящена теме, тесно связанной с формалистской программой Гильберта. В начале сентября того же года Гёдель принял участие в конгрессе «Эпистемология точных наук», на котором также выступали Рудольф Карнап, Аренд Гейтинг, Джон фон Нейман и Фридрих Вайсман. Гёдель четко заявил о своих сомнениях в выполнимости программы Гильберта и изложил некоторые свои результаты, демонстрирующие неполноту арифметики. Немногим позже, в 1931 году, когда ему было всего 25 лет, Гёдель опубликовал знаменитую теорему о неполноте, которая подрывала сами основы математики. Несмотря на то что в теореме говорилось о сугубо специализированных вещах, она очень быстро получила широкий международный резонанс. Благодаря этому в 1933 году ученый получил звание приват-доцента Венского университета.

ТЕОРЕМЫ ГЁДЕЛЯ

Теория состоит из совокупности аксиом и правил логического вывода, которые позволяют установить ряд теорем исходя из этих аксиом. Теория считается противоречивой, когда в ее рамках можно доказать и некое утверждение, и противоположное ему. Если теория не противоречива, то говорят, что она последовательна. С другой стороны, в рамках теории должна быть возможность доказать любое утверждение, если оно истинное. В этом случае теория считается полной.

Первая теорема Гёделя гласит, что в любой системе аксиом, к которой можно отнести арифметику целых чисел, существуют верные предложения, которые невозможно доказать в рамках этой системы. То есть если арифметическая теория непротиворечива, то она неполная. Это равноценно утверждению, что совершенной системы аксиом, включающей арифметику натуральных чисел, не существует, так как она либо противоречивая, либо неполная.

Фон Нейман, принимавший участие в знаменитом конгрессе в Кёнигсберге, сразу же заинтересовался идеями Гёделя. Сам фон Нейман установил систему аксиом для теории множеств и считал, что тема закрыта. Но ученому пришлось признать, что его система была неполной: не потому, что в ней были недостатки, а потому что любая такая система является неполной по определению. Фон Нейман не только согласился с этим, но и за рекордно короткий срок, всего за месяц, подготовил для Гёделя следствие его теоремы, которое стало известно как вторая теорема Гёделя. Согласно ей если арифметическая теория непротиворечива, то в ее рамках нет ни одного доказательства, что она таковой является. Эта вторая теорема немного запутанная, и из нее следует, что если теория вмещает в себя арифметику натуральных чисел, она не может подтвердить сама себя, то есть утверждать «теория Т непротиворечива». Для этой теории было разработано несколько символов; чтобы выразить утверждение «теория Т непротиворечива», можно записать, например, С(Т). Согласно второй теореме Гёделя, если Т непротиворечива, то С(Т) нельзя доказать на основе Т.

КУРТ ГЁДЕЛЬ

Австрийско-американский математик, логик и философ Курт Гёдель (1906- 1978) был младшим из двух сыновей Рудольфа и Марианны Гёделей, немецких иммигрантов, работавших в текстильной промышленности. После окончания учебы в Королевской гимназии Брно Курт в 1924 году уехал учиться в Венский университет. Он поступал туда с четкой целью изучать физику, но под влиянием преподавателей Филиппа Фуртвенглера и Ханса Хана занялся математикой. Уже в то время Гёдель страдал ревматической лихорадкой, и эта болезнь наложила свой отпечаток на характер ученого: он испытывал маниакальное волнение за свое здоровье и главным образом за все, что касалось питания. В 1920-е годы, несмотря на глубокий экономический кризис, Венский университет был культурным и научным центром страны. В 1926 году Гёдель был приглашен на философский семинар в кружок Морица Шлика (1882-1936), который посещали такие физики и математики, как Рудольф Карнап (1891-1970), Ханс Хан (1879-1934), Фридрих Вайсман (1896-1959) и Отто Нейрат (1882-1945). Они впоследствии и составили знаменитый Венский кружок. Философ Карнап и математик Карл Менгер ввели Гёделя в математическую логику. В то время кружок пристально следил за работами Людвига Витгенштейна (1889-1951) о языке для описания языка (метаязыке), и этот подход Гёдель хотел применить к математике. Но ученый не полностью разделял научные воззрения в духе логического позитивизма, царившие в кружке. Он придерживался скорее обратной позиции — чистого платонизма. Гёдель считал, что истина существует независимо оттого, известна она нам или нет. В математике это означало, что теоремы не создаются, а открываются. Гёдель неоднократно подчеркивал, что к своим результатам он пришел, будучи вдохновленным этой платоновской метафизикой. В 1952 году Гарвардский университет наградил Гёделя степенью почетного доктора наук и назвал его «первооткрывателем самых важных математических истин этого столетия».

Курт Гёдель в период работы в Институте перспективных исследований в Принстоне (Нью- Джерси, США) в 1940-е годы.

Именно вторая теорема, которой сам Гёдель не придал большого значения и считал следствием первой, оказала наибольшее влияние на математическое научное сообщество. Ее всегда называли второй теоремой Іеделя, никогда не упоминая вклад фон Неймана.

Сегодня теории Гёделя обобщены и перенесены в самые разные области. Они применяются в информатике, особенно в случае невозможности решить проблему остановки. Эта проблема заключается в том, чтобы найти способ определить, может какой-либо компьютер с произвольным набором установленных программ остановиться после выполнения алгоритма или он зависнет. Еще одно следствие теоремы Гёделя для информатики относится к вирусам, так как доказывает, что «ни одна программа, которая не меняет операционную систему компьютера, не сможет определить все программы, которые ее меняют».

Гильберт довольно пессимистически отнесся к следствиям из теоремы Гёделя, так как очень надеялся на возможность установить такие основания математики, которые запустят самосозидательный процесс, и при помощи него, исходя из простых предложений, сформулированных в непротиворечивой логической системе, можно будет вывести сложные результаты. Гёдель не разделял этого пессимизма, так как не считал, что его теорема неполноты подразумевает ошибочность аксиоматического метода для развития теории математики. По его мнению, это был этап эволюции, на котором главную роль вновь начинала играть научная интуиция, как это и должно быть. Такой взгляд полностью соответствовал философии Гёделя, более близкой к платонизму, чем к логическому позитивизму «Разрушающее» значение его теорем заключалось в том, что механический, точный аспект математики уходил на второй план, выдвигая на первый воображение и интуицию, возвращая математике место духовных наук, которое принадлежало ей по праву, как музыке и философии.

ВЫВОДЫ

Программа Гильберта потерпела неудачу, но фон Нейман не разделял его пессимизма по поводу будущего математики. С практической точки зрения он считал аксиоматизацию множеств, освободившую математику от странных элементов, и последующую аксиоматизацию квантовой механики вполне успешными. Фон Нейман никогда не отказывался от идеи создания логических моделей и стремился как можно больше абстрагировать задачи даже в областях, далеких от математики, что он впоследствии применил в теории игр. Так что, хотя план и провалился, хотя аксиоматизация и не позволяла уничтожить все противоречия и странности, она, тем не менее, помогала их выявить и в какой-то мере контролировать.

Математика всегда давала свои плоды, и фон Нейман не видел причин для изменения ситуации. Несмотря на то что внутренняя правильность логической системы математики была поставлена под вопрос, в истории этой науки начиная с ее появления существовало великое множество доказательств ее эффективности. Фон Нейман утверждал, что в классической математике совершались полезные и одновременно изящные открытия, а ее основания были такими же твердыми и точными, как, например, существование электрона. Уж если, по его мнению, можно было принять правомочность такой науки, как физика, то не стоило сомневаться и в классической математике.