Эрик Белл - Магия чисел. Математическая мысль от Пифагора до наших дней
Такие сомнения не тревожат тех, кто полагает, что числа существуют сами по себе и люди лишь наблюдают и изучают идеальное царство, в котором числа продолжат существовать, когда человеческая раса прекратит загрязнять землю. Подобно правилам классической логики и теорем геометрии, они также «существуют» в запредельной для человечества сфере Вечной жизни.
Другие же, более приземленные, в попытках обнаружить любые присущие ограничения, которым подчинена определенная система дедуктивного умозаключения, достигают следующих неожиданных выводов. В любой дедуктивной системе, достаточно инклюзивной, чтобы принимать арифметику натуральных чисел, «неразрешимые» утверждения могут быть построены. Утверждение считается «неразрешимым» в отдельно взятой специфической системе, если ни его правдивость, ни его ошибочность не может быть доказана любым способом в пределах этой системы. Существование неразрешимых утверждений обосновывается их демонстрацией и доказательством, что они являются неразрешимыми. Это не вопрос неспособности доказать или опровергнуть некоторые утверждения из-за элементарного недостатка мастерства. Никто и никогда не сможет доказать или опровергнуть неразрешимое утверждение.
Этот конечный вид достоверности возникает из метода дедуктивного умозаключения, существовавшего приблизительно двадцать три столетия от Платона и Аристотеля к Гёделю, который первый выдвинул (1931) неразрешимое утверждение. Философы Античности и их традиционные последователи Средневековья, похоже, стремились ко всемогущей логике, которая в конечном счете разрешает любую проблему либо положительно, либо отрицательно. Математические логики ХХ столетия показали, что по крайней мере в математике цели древних недосягаемы. Но усилия всех математиков и логиков от Фалеса до ХХ столетия по достижению недосягаемого ни в коем случае не являлись пустой тратой времени и мысли. Возникнув из признания Фалесом, что дедуктивное умозаключение одновременно возможно и полезно, и продолжившись в успешных попытках греческих математиков (от Пифагора до Платона) дать последовательный счет как рациональных, так и иррациональных «величин», поиск универсальной достоверности многое выявил из того, что представляет непреходящий интерес для философии не меньше, чем для математики. Столетия позже часть всего, что было открыто во времена культивирования познания ради самого познания, оказалось непреложным и необходимым одиноким труженикам на заре новой эры науки. Можно привести классический пример. Кеплер, возможно, никогда не определил бы орбиты планет как эллипсы (с Солнцем в едином центре), если бы ему была недоступна греческая геометрия конических сечений. Не имея в качестве ориентира законов Кеплера, описывающих планетарные орбиты, Ньютон никогда не предложил бы миру свой закон всемирного тяготения; а без закона всемирного тяготения Ньютона развитие астрономии, физики и современной технологии шло бы совсем не так, как последние два с половиной столетия.
Потрясающее открытие пифагорейцев, что не все числа рациональны (то есть выражение a/b, где a, b – целые числа), знаменует основной поворотный момент в развитии дедуктивного умозаключения. Это оказалось началом возникновения математических теорий непрерывности и бесконечности. Это также послужило поводом для появления значительно иной эпистемологии и пересмотра некоторых старых теорий познания; а в направлении современной науки теория греков о непрерывности подготовила путь к пониманию движения. Эта эпохальная веха в развитии математической и философской мысли столь значительна, что кое-что из ее истории может быть интересным.
После открытия, что квадратный корень из двух не является рациональным числом, греческие геометры доказали подобное для многих других квадратных корней. Во времена Платона существование иррациональных чисел (как мы сейчас сформулировали бы) занимало философов, которые только от случая к случаю интересовались математикой. В диалоге Платона «Теэтет» Сократ пытается добиться от Теэтета объяснения понятия «знание».
«– Наберитесь храбрости и смело скажите, что вы считаете знанием:
Набравшись храбрости, Теэтет отвечает.
– Думаю, что науки, которые я изучаю у Феодора [Киренского, славившегося в 380 году до н. э.], – геометрия и те, что вы сейчас упомянули, и есть знание. Я бы еще прибавил мастерство сапожника и других ремесленников. Все это – знание».
Понятно, что Теэтет не поскупился и включил слишком много в свой перечень, дабы угодить столь непреклонному экзаменатору, как Сократ, и философ вынуждает свою жертву признать, что тот так и не сумел сформулировать, что такое «знание» как отвлеченное понятие, и затем пытается вытянуть из него, что такое глина. Сократ, видимо, мучительно пытается заставить Теэтета уловить и понять, что универсальная глина – не эта глина и не та глина, а глина как Вечная идея, Форма, в которой простые конкретные глины изготовителей кирпичей и очагов, гончары и другие ремесленники в некотором смысле «участвуют». Сократа не интересует ни одна из них. Он ищет нечто универсальное, абстракцию, идею, и Теэтет довольно оптимистично решает, будто постиг суть. В ответ на вежливую просьбу Сократа он делится с ним:
– Феодор выписал нам кое-что относительно [квадратных] корней, таких как 3 или 5, показывая, как в линейном измерении (то есть согласно сторонам квадратов) они несоизмеримы с единицей. [В нашей терминологии квадратные корни из 3 и 5 – иррациональные числа.] Он выбрал числа, которые являются корнями вплоть до 17, но дальше он не пошел. Поскольку имеются неисчислимые корни, мы задумали объединить их всех под одним названием.
Теэтет рассказывает Сократу, что они нашли желаемую классификацию, но признает, что не способен дать Сократу столь же удовлетворительный ответ по поводу знания, таким образом подтверждая постулат Платона (повторяемый в различных формах повсюду в его трудах), что философия является более основательной и сложной наукой в сравнении с математикой.
Кстати, в этом рассказе Теэтета нет ничего, что подтверждало бы вывод некоторых историков математики, будто Феодор Киренский первым доказал, что квадратный корень из 2 является иррациональным числом. Полугеометрическое доказательство Евклида (III век до н. э.) дается в книге 10, суждении 27 его «Элементов». Хотя и менее понятное, нежели современное строго арифметическое доказательство, исторически оно более значимо. Оно иллюстрирует радикальное преобразование греческой математической мысли как следствие появления иррациональных чисел. Евклид формулирует теорему: «Сторона квадрата и его диагональ не имеют никакой общей меры». «Мера» здесь самое важное слово. Если диагональ квадрата, длина стороны которого равна единице, не измерима числом (имеется в виду рациональным числом), то чем же она «измеряется»? Греческие геометры назвали это измерение «величиной» и построили теорию «измерения» величин, в которых вместо обращения за поддержкой к знакомым натуральным числам они призвали на помощь пространственную интуицию. В отличие от декларации Пифагора, что «пространство является числом», новое кредо могло бы утверждать, что «число есть пространство».
Как было упомянуто раньше, геометрия должна отталкиваться от некоторых, не поддающихся анализу, но общепринятых исходных концепций, таких как «точка» и «линия». Хотя греческий геометр и пытался объяснить, что он подразумевает под «величиной», создавать геометрию он начал как раз с примитивных исходных понятий. Он принял без доказательства, хотя и не слишком детально, что величины «одного и того же вида», например длины линий, или площади плоских фигур, или объемы твердых тел, ограниченных плоскостями, могут сравниваться с точки зрения равенства или неравенства. Таким образом, имело смысл отмечать, что одна величина больше, равна или меньше другой величины того же самого вида. Величина, содержащаяся целое число раз в другой «величине», называлась «мерой» той другой. Например, если измеряемые величины являются долями прямых линий, или, кратко, линий, линия А – мера линии В, если А можно уложить некоторое точное число раз на линию B. Если А – мера и В и C, А считается «общей мерой» для В и C. Если две величины имеют одну общую меру, они имеют любое требуемое конечное число общих мер, все из которых производные из первого. Так, например, линии длиной 10 и 12 футов имеют общую меру длиной 2 фута, и любая доля линии длиной 2 фута также является общей мерой. Но сторона и диагональ квадрата не имеют никакой общей меры. Греческие геометры говорили, что диагональ является «несоизмеримой» со стороной. Любые величины называются «несоизмеримыми», если они не имеют общей меры. Известная пара – диаметр и длина окружности круга.
Греческое решение проблемы измерения опиралось на стержневое определение «пропорции», приписываемое Евдоксу. В «Элементах» Евклида это знаменитое определение приводится пятым в пятой книге. Мы процитируем его в классическом варианте, чтобы иллюстрировать раннее свидетельство, как смутные предположения проникают незамеченными в математику, несмотря на предельную осторожность и желание не допустить этого. Сначала мы обращаем внимание, что «многократная» величина – вполне признанная и законная концепция: если «множитель» натуральное число m, m-кратное величины A получается, если отмерить число A m раз на линии достаточной длины. Если линия недостаточно длинна, ее можно увеличить – удлинить, пока ее длина не станет достаточной. Греческие геометры заметили необходимость включения (в качестве постулата) возможности удлинения линии до любой конечной длины и сделали это. Немного удивляет, что они упустили бесконечно большую нужду в объяснении понятия «то же самое отношение». «Первая из четырех величин считается имеющей «то же самое отношение» ко второй, что и третья к четвертой, когда берутся любые множители первой и третьей величины, и любые множители второй или четвертой величины, то кратная величина третьей величины больше, равна или меньше, чем кратная величина четвертой, соответственно, как и кратная величина первой больше, равна или меньше кратной величины второй величины». Это объясняет значение словосочетания «то же самое отношение» или «пропорционально», из чего появляется «пропорция» как простое вербальное определение. «Если первая из четырех величин имеет то же самое отношение ко второй, что и третья к четвертой, все четыре величины называются пропорциональными, или членами пропорции».
