他的不完备定理让全世界开始反思

百科   2024-10-10 07:21   四川  

罗素悖论的出现,让人们意识到生活中充满了自我指涉带来的矛盾。

罗素悖论有一个通俗版本,那就是理发师悖论

正如黑格尔所说:人类从历史中学到的唯一的教训,就是没有从历史中吸取到任何教训。

那人类究竟有没有从历史中吸取到教训?

大哲学家黑格尔的名言就是一种自我指涉

罗素悖论在数学界引发的地震,直接导致了第三次数学危机

于是数学家们八仙过海,各显神通,分为三派试图改造数学,走的最远的要数希尔伯特

他设想将数学符号化,然后引入公理体系,像搭积木一样,搭建出整座数学大厦。按他的设想,这座大厦将坚实无比且毫无死角。

他对此(希尔伯特纲领)充满信心,并于1930年9月8日在科尼斯堡的大会上发表了演讲,说出了那句名言“我们必须知道,我们必将知道”。

可他不知道的是,就在他发表演说的前一天,在另一个规格不高的数学基础研讨会上,一位年轻人发表了一项声明,而台下正巧坐着希尔伯特的学生冯·诺依曼,他听完这个讲话后就意识到,老师宏伟的设想不可能实现了。

冯·诺依曼是当时台下唯一意识到这个声明的划时代意义的人

发表讲话的年轻人名叫哥德尔Kurt Friedrich Gödel),当时才24岁。第二年(1931年),他发表论文,正式提出了哥德尔第一不完备定理

哥德尔证明了一件事情,按照希尔伯特构想下的数学大厦,将不具有完备性,也就是说无法从几条公理推导出所有的命题来。

让我们来看看这位天才是如何做到的。

他的证明仅仅只用了两步。

第一步,哥德尔配数

他将所有的数字、符号和命题都变成唯一的数字哥德尔数

比如他规定最基本的固定符号和数字变量对应于前几个自然数。

这样就能表达所有的命题,比如:这个等式x=5,自然数都可以表示为0的后继,于是每个符号对应的哥德尔数是这样的。

然后将质数从小到大排列,将各个符号的哥德尔数按顺序放到指数位置,整体相乘得到的数字就是整个等式的哥德尔数。

因为一个数字的分解质因数是唯一的,因此可以把所有的等式、命题和证明都写成哥德尔数的形式。而且已知一个哥德尔数,还能通过分解质因数,反过来知道对应的等式或者命题。

第二步,构造自指命题。

定义这样一个命题:无法证明哥德尔数为k的命题

符号形式:∀a¬R(k,a)

那么这个命题会存在一个哥德尔数,展开形式是这样的,必定有某个质数的指数为k,来对应命题中出现的k这个数字,这个哥德尔数很大,我们假定它为:n

们将n替换原命题的k,那么原来这个哥德尔数展开式中的数字k将被数字n所替代。

注意我们要进行无尽地替换,因为将n再展开,还有k,将其中包含的k再用数字n所替代,以至无穷。

这个新的哥德尔数我们定为G,那么G对应的是一个什么命题?

恰好对应的就是:无法证明哥德尔数为“将n的展开式中的k都换成n”的命题。

“将数字n的展开式中的k都替换成n”的新哥德尔数恰恰就是G。

所以到此为止,我们构造了一个不可思议的“无法证明哥德尔数是G的命题,这个命题的哥德尔数恰好就是G!

接下来就是我们熟悉的悖论环节了:

如果这个命题“无法证明哥德尔数是G的命题”是假的

那么就说明可以证明哥德尔数是G的命题

而哥德尔数是G的命题就是“无法证明哥德尔数是G的命题

那么就可以推出“无法证明哥德尔数是G的命题”为真

与假设矛盾

所以这个不可思议的命题为真

若这个命题为真,则说明系统中存在真却无法被证明的命题

也就意味着这个数学系统的完备性不存在。

希尔伯特为了解决罗素悖论而构想的纲领,竟然还是被反身自指所击溃,看来罗素悖论比想象中要强大。

更令人沮丧的是,哥德尔不久又发表了第二不完备定理,就是通过之前的结论,顺理成章地推导出,系统的一致性也无法被证明

哥德尔以一己之力推翻了希尔伯特的宏大设想,彻底改变了数理逻辑的发展方向。

他虽然成了数理逻辑的“终结者”,但他的研究大大促进了计算机的发展。多年后,图灵找到了另一种证明哥德尔不完备定理的方法,原来一切都是殊途同归。

图灵的“停机问题”与哥德尔不完备定理殊途同归

哥德尔的发现为数学划出了边界,在数学王国里,终究有一些人力所不能及的地方。数学大厦也许并不完美,但经此一役,恰恰说明了它的绝大部分依然坚固无比。

不完备性背后的本质,是自我指涉带来的矛盾。认识自己,一直是世上最深刻的、最终极的问题之一。

哥德尔的横空出世让人们再次回想起,两千年前苏格拉底的那个灵魂发问:我是谁?

虽然哥德尔将数学王国从理想世界里拉了回来;但也许正是自我指涉,才让这个真实的世界变得更加有趣。

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