Множество, согласно определению Кантора, это «собрание целиком объектов действительности или нашей мысли». Например, числа 1, 2, 3, 4, 5,... мы можем объединить в совокупность, которую назовем множеством натуральных чисел. Числа — это элементы, или члены этой совокупности, и множество становится отдельным объектом, доступным для изучения. Мы можем также задумать множество, образованное только числом один, или днями недели, или людьми, родившимися 20 июля 1899 года. Следовательно, теория множеств — это изучение взаимных свойств и отношений множеств, или совокупностей.
Теория [бесконечных] множеств — это область, в которой ничто не очевидно; истинные высказывания ее часто парадоксальны, а предполагаемые высказывания ложны.
Феликс Хаусдорф, немецкий математик, 1914 год
Предложение Кантора заключалось в том, чтобы определить числа и операции с ними на основе множеств. Как это сделать? Например, число 0 может быть определено как количество элементов пустого множества (то есть множества, у которого нет членов). Число 1 может быть определено как количество элементов любого множества, в котором выполняется свойство «во множестве есть некоторый элемент, и, кроме того, если х и y — элементы множества, то х = y».
С другой стороны, в теории множеств существует операция под названием объединение. Если задано два множества, объединение состоит в том, чтобы собрать в новом множестве элементы их обоих. Например, объединение множества, содержащего в качестве элемента город Париж, и множества, содержащего город Рим, — это множество, содержащее оба города одновременно. Сумму чисел можно определить, согласно предложению Кантора, на основе этой операции теории множеств. Если п — это количество элементов одного множества, а т — количество элементов другого множества (которое не содержит общих элементов с первым), то п + т может быть определено как количество элементов результата объединения этих двух множеств.
Как можно было ожидать и, вероятно, как предвидел сам Кантор, теория множеств вызвала большое сопротивление. Его бывший учитель Леопольд Кронекер назвал Кантора совратителем молодежи и воспользовался своим немалым влиянием на немецкие научные журналы, чтобы те не публиковали его работы.
Однако со временем теория множеств и актуальная бесконечность получили признание. Почему это произошло? Может быть, Кантору удалось убедить Кронекера? Чтобы ответить на эти вопросы, стоит вспомнить утверждение Планка: «Новая научная истина побеждает не потому, что ее противники убеждаются в ее правильности и прозревают, а скорее потому, что ее противники постепенно вымирают, а новое поколение усваивает эту истину буквально с молоком матери».
Когда Планк писал эти слова, он думал о квантовой механике, но этот принцип можно применить и к теории множеств. В конце XIX века новое поколение математиков, среди которых был Давид Гильберт, начало видеть в теории Кантора важный вклад в науку. Обычно молодежь расположена разрушать традиции, так что, возможно, новое поколение было готово разбить аристотелевское видение бесконечности.
В 1890-м, за год до смерти Кронекера, Кантор был выбран председателем недавно созданного Немецкого математического общества, и его идея считать теорию множеств базой и основанием математики начинала набирать сторонников. Одним из них был немецкий логик Готлоб Фреге.
ФРЕГЕ И РАССЕЛ
Готлоб Фреге родился в 1848 году, то есть он принадлежал к тому же поколению, что и Кантор. Фреге принял теорию множеств с самого начала и стал одним из защитников идеи о том, что эта теория должна стать базой для остальной математики.
КОНЦЕПТОГРАФИЯ
Немецкое слово Begriffsschrift, которое Готлоб Фреге использовал для обозначения символической структуры, созданной им для логики и математики, обычно переводится как концептография, что дословно означает «рисунок концептов».
Как мы можем увидеть на изображении справа, символизм Фреге приближается скорее к линейному рисунку, чем к написанному тексту. Здесь показана теорема 71 из его книги «Исчисление понятий...», и ее перевод следующий: f — это процедура, a F — свойство, которое сохраняется при применении процедуры f. Если x обладает свойством, а y получен из х посредством применения процедуры f, то у также обладает этим свойством.
Хотя Фреге был согласен с Кантором в целом, у него было много формальных критических замечаний. По мнению Фреге, статьи Кантора были написаны недостаточно научным языком, без четкого разграничения аксиом (утверждений, которые принимаются без доказательств) и теорем (утверждений, которые доказываются на основе аксиом). Кантор все время взывал к интуиции читателя, что Фреге критиковал и называл психологизмом. Математика, по его мнению, должна пользоваться строгим языком со специально созданными символами. Все рассуждения должны быть выражены ясно, лишены двусмысленностей и взывания к интуиции. Фреге посвятил почти всю свою жизнь развитию этой идеи. В одной из своих основополагающих работ, «Исчисление понятий, или подражающий арифметике формальный язык чистого мышления» (1879), Фреге объясняет свой символический язык, очень отличающийся от нашего обычного письма (он похож скорее на линейный рисунок, чем на текст). Это вызывало сложности в понимании и у современников ученого, и даже сегодня. Возможно, Фреге намеренно хотел дистанцировать символическую запись от естественного языка, но стратегически это было ошибкой, поскольку затруднило понимание работы широкой аудиторией.
В 1893 году Фреге опубликовал первый том «Основных законов арифметики», первую часть работы всей своей жизни, в которой изложил строгое определение натуральных чисел на основе логики и теории множеств. Почти через десять лет, 16 июня 1902 года (за четыре года до рождения Гёделя), когда Фреге уже отправил в печать второй том «Основных законов...», он получил письмо от Бертрана Рассела, отправленное из Фрайдиз Хилл, Хаслмир (Великобритания). Письмо занимало одну страницу, однако этого было достаточно для того, чтобы развязать кризис оснований. Рассел начал с похвалы работы Фреге и выразил свою абсолютную поддержку автору. «Но я нашел небольшую сложность», — пишет Рассел.
Этой небольшой сложностью была одна из аксиом, на которых Фреге основывал теорию множеств, — так называемая аксиома выделения. В ней говорится, что каждому свойству назначается множество (множество объектов, которые обладают этим свойством). Например, свойству «быть четным числом» соответствует множество, образованное всеми четными числами; свойству «быть планетой Солнечной системы» соответствует множество всех планет Солнечной системы, и так далее. На первый взгляд эта аксиома кажется абсолютно невинным утверждением, неспособным породить какую-либо проблему. Однако Рассел задал свойство «быть множеством, которое не является членом самого себя».
Поразмышляем об этой идее.
Множества образованы членами (также существует пустое множество, не имеющее членов, но мы можем оставить его за рамками нашего анализа). Например, множество планет Солнечной системы состоит из (насколько мы знаем) восьми членов: Меркурия, Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Объект «множество планет Солнечной системы» — это абстрактная сущность, существующая только как идея и собирающая под одним названием восемь планет. Каждый из членов этого множества — наоборот, конкретная планета, а не абстракция. Множество планет Солнечной системы не входит в список самих членов: оно не является членом самого себя. Рассел выражал эту идею следующим образом: «Множество, образованное лошадьми, — не лошадь» (мы можем сесть на лошадь, но не на абстрактную сущность). Но некоторые множества действительно являются членами самих себя. Например, подумаем о множестве всех абстрактных сущностей. Оно само является абстрактной сущностью и, следовательно, членом самого себя.
Теперь вернемся к аксиоме выделения. Возьмем множество, связанное со свойством «быть множеством, не являющимся членом самого себя». Пусть множество R образовано всеми множествами, не являющимися членами самого себя. Сформулируем следующий вопрос: является ли R элементом самого себя? Если R является членом самого себя, то выполняется свойство, определяющее R. По нему R не является членом самого себя. Это противоречие. Но если R не является членом самого себя, то не выполняется свойство, определяющее R. Следовательно, если не выполняется свойство, R все-таки является членом самого себя. Получается другое противоречие.
То есть R не может быть членом самого себя, но также не может и не быть им. Это логический парадокс. Множество R (существование которого обусловлено аксиомой выделения) не может существовать, потому что это порождает логическое противоречие. Итак, аксиома выделения, которая казалась такой невинной, на самом деле противоречит самой себе. Это открытие сегодня известно как парадокс Рассела.
