Хавьер Фресан - Том. 22. Сон разума. Математическая логика и ее парадоксы

Читатель уже наверняка понял, что наиболее трудоемкая часть работы Гёделя состояла в том, чтобы доказать, что механизм, обладающий описанными выше свойствами, действительно существует. Для этого Гёделю потребовалось 46 этапов, которые мы опишем лишь вкратце. Допустим, что дано некоторое натуральное число z, кодирующее некую последовательность формул. По основной теореме арифметики мы можем разложить z на простые множители:

z = pk1·pk2·pk3·…·рkn.

Итак, мы разложили число z на простые множители, возведенные в различные степени. Так как z соответствует последовательности формул, то каждый показатель степени будет числом Гёделя для одной из этих формул. Таким образом, мы можем определить числа Гёделя для всех формул последовательности, которые обозначим

k1, k2, k3… kn.

Вновь повторим одно из основных утверждений этой книги: доказательство — это конечная последовательность формул, каждая из которых является либо аксиомой, либо получена из предыдущих формул с помощью правил вывода. Следовательно, нужно подтвердить следующее:

— первый шаг: последовательность формул с числами Гёделя k1, k2, k3… kn является доказательством, то есть каждому из этих чисел соответствует либо аксиома, либо высказывание, которое получено из предыдущих с помощью правил вывода;

— второй шаг: последняя формула последовательности — это формула, которую мы хотим доказать.

Начнем с последнего шага, который является наиболее простым: нам дана формула, которой соответствует число Гёделя х, и мы хотим узнать, оканчивается ли последовательность высказываний этой формулой, — простейшее требование, которое должно выполняться, если речь действительно идет о доказательстве. Вышеприведенные расчеты позволяют определить числа Гёделя для каждой формулы последовательности. Последней формуле соответствует число kn, поэтому достаточно проверить, что числа х и kn равны. Никто не усомнится в том, что проверить равенство чисел очень просто.

Теперь перейдем к первому этапу нашей гонки с препятствиями и рассмотрим формулы, которым соответствуют числа Гёделя k1, k2,… kn . Именно здесь обязательно должно выполняться условие рекурсивной перечислимости системы аксиом арифметики — ранее это условие казалось не более чем причудой. Напомним, что множество аксиом S является рекурсивно перечислимым, когда за конечное число шагов можно показать, является некоторое высказывание аксиомой или нет. Следовательно, в нашем распоряжении находится формула А(х) (А — по первой букве слова «аксиома»), которая для любого числа х позволяет определить, является ли соответствующее ему высказывание аксиомой. Достаточно вычислить А(k1), А(k2)… А(kn), и мы узнаем, какие из высказываний предполагаемого доказательства являются аксиомами. Первая формула, которой соответствует число Гёделя обязательно должна быть аксиомой, так как ей не предшествуют формулы, из которых ее можно было бы вывести. Следовательно, если результат А(k1) случайно окажется ложным, дальнейшие действия не потребуются: z не является числом Гёделя, соответствующим доказательству. Предположим, что этого не произошло.

Некоторые из следующих формул, которым соответствуют числа k2, k3,… kn  будут аксиомами, другие — нет. Для тех, что не являются аксиомами, нужно показать, что они выводятся из предыдущих высказываний по допустимым правилам вывода. В своей скрупулезно выполненной работе Гёдель доказывает, что для каждого правила вывода существует формула I, которая для первых s чисел k1, k2,… ks возвращает результат «истина», если формула, обозначаемая числом Гёделя ks, выводится из формул, обозначаемых числами Гёделя k1, k2,… ks -1 (предшествующей формулы), по соответствующему правилу вывода. Например, I(k1, k2, k3, k4) будет истинной, если четвертая формула последовательности выводится из трех предыдущих по правилу вывода, обозначаемому формулой I. Таким образом, этот процесс можно выполнить для формул, которые не являются аксиомами, и если для каждой из них формула, обозначающая хотя бы одно из правил вывода, вернет значение «истина», то первый этап будет успешно завершен, и z будет числом Гёделя, обозначающим доказательство. Так как здесь нетрудно запутаться в технических деталях, выделим главное: нужно запомнить, что мы доказали существование процесса D(х, z), определяющего, является ли последовательность формул, обозначаемая числом z, доказательством высказывания, которому соответствует число Гёделя х.

Для этого достаточно выразить в виде отношений между числами правила, которым должно удовлетворять доказательство, что мы уже не раз повторили.

Отлично: в рамках арифметики мы сформулировали высказывание Dem (х), которое гласит: «формула, выражаемая числом Гёделя х, доказуема». Отрицанием этой формулы будет ¬ Dem (х), которая звучит так: «формула, выражаемая числом Гёделя х, недоказуема». Пока что все абсолютно понятно, но мы постепенно приближаемся к тому, чтобы совершить своеобразное сальто-мортале. Сначала следует напомнить, что высказывание «арифметика является непротиворечивой», которое фигурирует во второй теореме о неполноте, равносильно высказыванию «формула 0 = 1 недоказуема». Напомним также, что 1 является числом, следующим за нулем, то есть 1 = s0. Предлагаем читателю убедиться, что число Гёделя для формулы 0 = 1 равно 255150. Следовательно, высказывание ¬ Dem (255150), переведенное на язык арифметики, гласит, что «формула, обозначаемая числом Гёделя 255150, недоказуема», то есть «формула 0 = 1 недоказуема», что равносильно высказыванию «арифметика непротиворечива». Высказывание ¬ Dem (х) позволяет убить сразу двух зайцев.

Важность выражения ¬ Dem (х) заключается в том, что это уже не высказывание на повседневном языке, а арифметическая формула, в которой используются только символы 0, s, ¬, V, =, (, ) и некоторые переменные. Буквы «Dem» — это лишь сокращенный способ записи этого выражения, так как его полная запись очень сложна и занимает не одну страницу. Однако если мы захотим найти его полную запись, то сможем сделать это, используя исключительно символы алфавита арифметики. И ради этого мы потратили столько сил! У нас нет никаких сомнений, что теперь читатель знает, что нужно сделать всякий раз, когда ему встретится записанная в таком виде формула: ее нужно записать согласно гёделевской нумерации. Сопоставим выражению ¬ Dem (х) число Гёделя, которое обозначим d. Возможно, это число будет настолько большим, что во всем мире не хватит чернил, чтобы записать его, однако его размер совершенно не важен — главное, что это число будет конечным.

Вся структура высказывания «формула, обозначаемая числом Гёделя х, недоказуема», содержится в единственном числе d. Параметр х не фиксирован, он не равняется, например, 14 451937 500, а может принимать любые значения. Но если этот параметр может принимать любые значения, почему бы умышленно не принять х равным d? В этом случае мы получим высказывание ¬ Dem (d), которое гласит, что «формула, выражаемая числом Гёделя d, недоказуема», но так как d, в свою очередь, является числом Гёделя, обозначающим высказывание «формула, выражаемая числом Гёделя х, недоказуема», ¬ Dem (d) преобразуется в высказывание «формула „формула, выражаемая числом Геделя х, недоказуема" недоказуема». Нетрудно видеть, что это высказывание означает не что иное, как «я недоказуемо»[4].

* * *

НЕПОЛНОТА ЗАМОЩЕНИЙ

Замощение плоскости — это покрытие ее «облицовочной плиткой» определенной формы без промежутков и наложений. Исламское искусство содержит прекраснейшие образцы замощений, но они встречаются и в природе: так, пчелиные соты представляют собой оптимальное замощение плоскости шестиугольниками. Оно необязательно должно быть правильным: возможно, существуют другие, непериодические замощения, не обладающие какой-либо симметрией.