Турчин Фёдорович - Феномен науки. Кибернетический подход к эволюции
12.9. Аксиоматический метод
Для древних греков объекты математики имели реальное существование в «мире идей». Некоторые свойства этих объектов представлялись умственному взору совершенно неоспоримыми и объявлялись аксиомами, другие — неочевидные — следовало доказывать, опираясь на аксиомы. При таком подходе не было большой необходимости в точной формулировке и полном перечне всех аксиом: если в доказательстве используется какое-то неоспоримое свойство объектов, то не так уж важно, занесено оно в список аксиом или нет — истинность доказываемого свойства от этого не страдает. Хотя Евклид в своих «Началах» и приводит список определений и аксиом (включая постулаты), он, как мы видели в главе 10, сплошь и рядом использует положения, интуитивно совершенно очевидные, но не входящие в число аксиом. Что же касается его определений, то число их больше, чем число определяемых объектов, и они совершенно непригодны для использования в процессе доказательства. Список определений в первой книге «Начал» начинается следующим образом.
1. Точка есть то, что не имеет частей.
2. Линия есть длина без ширины.
3. Концы линий суть точки.
4. Прямая линия есть та, которая одинаково лежит относительно всех своих точек.
И так далее, всего 34 определения. Швейцарский геометр Ж. Ламберт (1728–1777) заметил по этому поводу: «То, что Евклид предпосылает в таком изобилии опеределения, есть нечто вроде номенклатуры. Он, собственно говоря, поступает так, как поступает, например, часовщик или другой ремесленник, начиная знакомить учеников с названиями орудий своего мастерства».
Тенденция к формализации математики породила тенденцию к уточнению определений и аксиом. Уже Лейбниц обратил внимание на то, что построение Евклидом равностороннего треугольника опирается на положение, которое из определений и аксиом не вытекает (мы разбирали это построение в главе 10). Однако лишь создание неевклидовой геометрии Н. Лобачевским (1792–1856), И. Больяи (1802–1860) и К. Гауссом (1777–1855) повлекло за собой всеобщее признание аксиоматического подхода к математическим теориям как основного метода математики. Первоначально «воображаемая» геометрия Лобачевского, как и все «воображаемые» явления в математике, была встречена с недоверием и враждебностью. Но вскоре неопровержимый факт существования этой геометрии стал менять точку зрения математиков на отношение между математической теорией и действительностью. Математик не мог отказать геометрии Лобачевского в праве на существование, ибо была доказана ее непротиворечивость. Правда, геометрия Лобачевского противоречила нашей геометрической интуиции, но при достаточно малом параметре кривизны пространства она в малых объемах пространства была неотличима от геометрии Евклида. Что же касается космических масштабов, то совершенно не очевидно, что мы можем и здесь довериться нашей интуиции, сформировавшейся под воздействием опыта, ограниченного малыми объектами. Итак, мы имеем перед собой две конкурирующие геометрии, и возникает вопрос, какая же из них «истинная»?
Стоит задуматься над этим вопросом, как становится ясным, что слово «истинная» не зря взято в кавычки. Строго говоря, эксперимент может дать ответ не на вопрос об истинности или ложности геометрии, а лишь на вопрос о ее полезности или бесполезности, а точнее, о степени полезности, ибо совсем бесполезных теорий, пожалуй, не существует. Эксперимент имеет дело не с геометрическими, а с физическими понятиями. При обращении к эксперименту мы вынуждены как-то интерпретировать геометрические объекты, например, считать, что прямые линии реализуются световыми лучами. Если мы обнаружим, что сумма углов треугольника, образованного световыми лучами, меньше 180, то это вовсе не значит, что геометрия Евклида «ложна». Быть может, она «истинна», но свет распространяется не по прямым, а по дугам окружностей или каким-либо другим кривым линиям. Выражаясь более точно, эксперимент этот покажет, что лучи света нельзя рассматривать как евклидовы прямые. Сама евклидова геометрия этим опровергнута не будет. То же относится, конечно, и к неевклидовой геометрии. Эксперимент может дать ответ на вопрос, является ли луч света воплощением прямой Евклида или прямой Лобачевского, и это, конечно, важный аргумент при выборе той или другой геометрии в качестве основы для физических теорий, но права на существование у той геометрии, которой «не повезло», он не отнимает. Быть может, ей повезет в следующий раз, и она окажется весьма удобной для описания какого-то другого аспекта действительности.
Подобные соображения привели к переоценке относительной важности природы математических объектов и их свойств (включая отношения как свойства пар, троек и т. д. объектов). Если прежде объекты представлялись имеющими независимое реальное существование, а их свойства — чем-то вторичным и производным от природы, то теперь именно свойства объектов, зафиксированные в аксиомах, стали той основой, которая определяет специфику данной математической теории, а объекты утратили всякую специфику и вообще утратили свою «природу», т. е. связываемые с ними в обязательном порядке интуитивные представления; в аксиоматической теории объект это нечто, удовлетворяющее аксиомам. Аксиоматический подход окончательно утвердился на рубеже XIX и XX вв. Интуиция, конечно, сохранила свое значение основного (и, пожалуй, единственного) инструмента математического творчества, но окончательным результатом творчества стала считаться полностью формализованная аксиоматическая теория, которая путем интерпретации может применяться к другим математическим теориям или к неязыковой действительности.
12.10. Метаматематика
Формализация логики была начата (если не считать первых попыток Лейбница) в середине XIX в. работами Дж. Буля (1815–1864) и закончена к началу XX в. главным образом благодаря работам Шредера, К. С. Пирса, Фреге и Пеано. В фундаментальном труде Рассела и Уайтхеда «Principia Mathematica» (вышел в 1910 г.) уже используется формализованный язык, который, если не считать несущественных вариаций, является общепринятым по настоящее время. Этот язык мы описали в главе 6, теперь мы дадим краткий набросок формализации логического вывода.
Существует несколько эквивалентных друг другу формальных систем логического вывода. Мы остановимся на самой компактной. Она использует всего одну логическую связку — импликацию ⊃ и один квантор — квантор общности ∀. Зато она включает логическую константу, которая изображается символом 0 и обозначает тождественно ложное высказывание. Используя эту константу, можно описать отрицание высказывания p как p ⊃ 0, а из отрицания и импликации легко построить и остальные логические связки. Квантор существования выражается через отрицание и квантор общности, таким образом, наш сжатый язык эквивалентен полному языку, рассмотренному в главе 6.
Формальная система (языковая машина) содержит пять схем аксиом и два правила вывода. Схемы аксиом таковы:
A1. p ⊃ (q ⊃ p).
A2. [p ⊃ (q ⊃ r)] ⊃ [(p ⊃ q) ⊃ (p ⊃ r)].
A3. [(p ⊃ 0) ⊃ 0] ⊃ p.
A4. (∀x)[p ⊃ q(x)] ⊃ [p ⊃ (∀x)q(x)].
A5. (∀x)q(x) ⊃ q(t).
Здесь р, q, r — произвольные высказывания: в схемах А4 и А5 запись q(x) означает, что выделена одна из свободных переменных, от которых зависит высказывание q; запись q(t) означает, что вместо этой переменной подставлен произвольный терм t; наконец, в схеме А4 предполагается, что переменная х не входит свободно в высказывание р.
Выражение «схема аксиом» означает, что высказывание, имеющее вид одной из формул А1 — А5, рассматривается как логическая аксиома. Легко убедиться, что эти аксиомы соответствуют нашей интуиции. Схемы А1 — A3 затрагивают только исчисление высказываний, и их истинность можно проверить по таблицам истинности логических связок. Оказывается, что они истинны всегда независимо от того, какие истинностные значения принимают высказывания р, q и r. Схема А4 гласит, что если q(x) следует при любом х из высказывания р, которое от х не зависит, то из р следует справедливость q(x) при любом х. Схема А5 — это фактически определение квантора общности: если q(x) верно для всех х, то оно верно и для любого t.
