Бесчисленное поддается подсчету. Кантор. Бесконечность в математике. - Gustavo Pineiro

РИС.1

Аристотель первым стал исследовать различие между «потенциальным бытием» и «актуальным». Можно сказать, что ребенок — это потенциальный взрослый, а глыба мрамора — потенциальная скульптура. Когда ребенок вырастает, он становится «актуальным» взрослым; скульптор превращает мрамор в актуальную скульптуру. «Звание потенциального мудреца равно дается и тому, кто ничего не изучает», — утверждает Аристотель в книге IX своей «Метафизики», видимо с долей иронии. В том же труде он говорит о бесконечности: 

«Беспредельное же существует в возможности не в том смысле, что оно когда-то будет существовать отдельно в действительности». 

Таким образом, бесконечность всегда существует потенциально, в возможности, но никогда не бывает актуальной. На протяжении более двух тысяч лет, точнее до середины XIX века, аристотелевское отрицание актуальной бесконечности поддерживали почти все западные ученые — и философы, и математики. Поэтому стоит задержаться по крайней мере на двух аргументах, приведенных Аристотелем для обоснования своего утверждения.

Не следует, однако, понимать бытие [бесконечного] в возможности [в том смысле], что как вот этот [материал] есть статуя в возможности, поскольку он [на деле] может стать статуей, так же может стать актуально существующим какое-нибудь бесконечное.

Аристотель, «Физика»

В книге III «Физики» Аристотель говорит, что существование актуальной бесконечности недопустимо, поскольку во Вселенной нет ни одного тела с бесконечным объемом, ни одного промежутка времени с бесконечной длительностью, другими словами, нет актуально бесконечных величин. Аристотель подкрепляет это несуществование философскими рассуждениями. Однако не будем останавливаться на них, поскольку современная физика соглашается с древнегреческим ученым. Например, если объем Вселенной бесконечен только в потенции, в ней не может быть тела с актуально бесконечным объемом.

Поскольку не существует бесконечных величин, нет смысла говорить об «актуально бесконечных числах» или об «актуально бесконечном количестве», ведь они ничего бы не измеряли и были бы лишены всякого смысла.

Сопоставим рассуждения Аристотеля (определявшие европейскую науку тысячи лет) с процитированным в начале главы письмом, в котором Кантор сообщает Дедекинду, что он пришел к «самым удивительным, самым неожиданным идеям» в теории бесконечных чисел. Это противоречие является первой причиной такой революционности и такого количества противников. Второй аргумент, который мы прокомментируем, Аристотель приводит в книге VIII «Физики»: неверно, что отрезок состоит из бесконечного числа точек. Ученый приводит философское доказательство, но оно также может быть перенесено в область математики. Уточним, что говоря «точка», мы подразумеваем «математическую точку», то есть объект, не имеющий длины, ширины и высоты. «Орфографическая точка», которая ставится в конце предложения, не является математической — это просто очень маленькая окружность, точнее цилиндр, нарисованный чернилами, с очень маленьким, но не нулевым основанием и очень маленькой, но не нулевой высотой (см. рисунок 2). В случае с математической точкой ее длина по определению всегда равна нулю. Если мы соединим несколько точек, их общая длина будет равна 0 + 0 + 0 + 0 +... Не важно, сколько раз мы сложим нули — определенное число или бесконечное (даже если бы это было возможно), — сумма всегда будет равна нулю. Итак, если бы отрезок состоял из точек, он имел бы нулевую длину. Тем не менее мы знаем, что длина отрезков больше нуля, значит, они не могут состоять из точек. Мы вернемся к этому парадоксу в главе 3. Получается, что отрезок невозможно разделить на бесконечное количество частей. Возьмем отрезок длиной 10 см и разделим его на 10 одинаковых частей. Каждая из них будет равна 1 см. Если мы разобьем его на 100 равных частей, каждая будет равна 0,01 см. Если же мы разобьем его на бесконечное количество частей, каждая из них будет равна 0 см. Получится, что отрезок состоит из частей, равных нулю. Это невозможно, следовательно его нельзя разделить на бесконечное число частей.

Аристотель говорит, что этот второй аргумент доказывает существование бесконечности по делению (нельзя разделить объект на бесконечное количество частей), а первый аргумент — по сложению (не существует бесконечно больших величин). В любом случае, заключает он, актуальной бесконечности не существует.

РИС. 2

Начиная со Средневековья положение Аристотеля о бесконечности стало практически религиозной догмой. Например, в V веке Святой Августин (354-430) в самом знаменитом своем труде «О граде Божием» писал: «Неужели Бог не знает всех чисел вследствие их бесконечности», не следует «признавать их не подлежащими божественному ведению, [...] мы не должны сомневаться в том, что Ему известно всякое число», хотя бы потому, что «разум Его неизмерим». Таким образом, актуальная бесконечность существует, но ее знание подвластно только безграничному разуму Бога. Требовать от человеческого разума понимания бесконечности — означает поставить его в один ряд с божественным, что является ересью. Георг Кантор был религиозным человеком и отдавал себе отчет в том, что касается этой стороны вопроса. Как мы увидим, развитие собственной математической теории актуальной бесконечности стоило ему немалых душевных усилий.

Теперь перенесемся во времени и рассмотрим работу Галилео Галилея (1564-1642) «Беседы и математические доказательства относительно двух новых наук» (1638). Как видно из названия, она написана в форме дискуссий. В них участвуют три персонажа: Сальвиати, выражающий точку зрения Галилея, Сагредо, образованный человек той эпохи, и Симплицио, представитель традиционной науки, основывающейся в том числе на трудах Аристотеля.

Гипотеза — это утверждение, ложность или истинность которого еще не доказана. Многие из них касаются бесконечности, например гипотеза о совершенных числах. Совершенное число равно сумме собственных делителей (включая 1, но не считая само число). Например, 6 — совершенное число, поскольку его делителями являются 1,2,3, а 6 = 1 + 2 + 3. Еще один пример — число 28 = 1 + 2 + 4 + 7 +14. Согласно пока не подтвержденной гипотезе, количество совершенных чисел бесконечно.

Две новые науки, упомянутые в заголовке этого труда, — статика и динамика, а вся книга в целом представляет собой критику аристотелевских законов физики. Хотя Галилей и разрушает большую часть постулатов древнегреческого ученого, он разделяет его настороженность в отношении актуальной бесконечности. Рассмотрим аргументы, предвосхищающие рассуждения Кантора.

Для начала вообразим себе огромный бальный зал, в котором находится большое, но конечное количество мужчин и женщин (см. рисунок 3). Предположим, что мы хотим узнать, кого из присутствующих больше: женщин, мужчин или же тех и других поровну. Один из способов ответить на этот вопрос состоит в том, чтобы пересчитать всех собравшихся женщин, потом мужчин и сравнить полученные данные. Поскольку это количество конечное, подсчет производится без проблем. Но есть и более изобретательный метод: когда заиграет музыка, можно попросить всех разделиться на пары (см. рисунок 4). В каждой паре должен быть один мужчина и одна женщина.

Если партнеров хватает всем и ни один мужчина и ни одна женщина не остаются без пары, то в зале одинаковое количество мужчин и женщин. Если же у всех женщин есть пара, но несколько мужчин остались одни, значит мужчин больше. Наконец, если пара есть у всех мужчин, но не у всех женщин, то в зале больше женщин.

Таким образом, если у нас имеются две законченные группы и каждый член одной из них соотносится с членом из противоположной группы так, что не остается «лишних», мы можем быть уверены, что в этих группах одинаковое количество членов. Можно ли перенести этот принцип на бесконечные группы?

От лица персонажа Сальвиати Галилей рассмотрел две конкретные группы: состоящую из натуральных чисел 0,1,2,3, 4,5,... и из квадратов чисел, получаемых при умножении числа на само себя, 0,1,4,9,16, 25,... Очевидно, считает Галилей, что если мы объединим группы квадратов чисел и не квадратов, то этих последних будет больше.

РИС.З

РИС. 4

Следовательно, в первой группе больше членов, чем во второй. На самом деле Галилей начинал считать с 1, а не с 0, как мы, но это не меняет сути.

С другой стороны, продолжает ученый, каждому числу из первой группы можно подобрать число из второй. Достаточно взять натуральное число и его квадрат.