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      《開天辟地:宇宙演化理論》

      2022-09-21 12:48:12張?zhí)烊?/span>
      全國新書目 2022年7期
      關鍵詞:集合論羅素悖論

      本書作者善用源于日常生活的比喻闡釋復雜的宇宙物理問題,為讀者展示人類迄今所探知的宇宙誕生和演化的歷程,從日常的世界到微小的世界,再到巨大的世界,將一幅宇宙從起源到歸宿的宏大圖景在讀者的腦海中緩緩展開,讓不可思議的宇宙變得親切和美麗。

      數(shù)學的三次危機都可以說是與悖論聯(lián)系在一起的。第一次數(shù)學危機可追溯到古希臘時代的希帕索斯悖論,起因是研究某些三角形邊長比例時發(fā)現(xiàn)的無理數(shù),泄露這個“怪數(shù)”的學者希帕索斯(Hippasus,大約公元前500年)被他的同門弟子扔進大海處死。第二次危機則與芝諾悖論及貝克萊悖論有關,基于對無窮小量本質(zhì)的研究,它的解決為牛頓、萊布尼茨創(chuàng)建的微積分學奠定了基礎。畢達哥拉斯學派在淹死了希帕索斯之后,對錯誤有所認識,被迫承認了無理數(shù),并提出了“單子”,它有點類似“極小量”的概念。不過,這個做法卻遭到了詭辯數(shù)學家芝諾的嘲笑,他拋出了一個快跑運動員阿格里斯永遠也追不上烏龜?shù)摹爸ブZ悖論”,令歷代數(shù)學家反復糾結不已。牛頓發(fā)明微積分之后,雖然在實用上頗具優(yōu)勢,但理論基礎尚未完善,貝克萊等人便用悖論來質(zhì)疑牛頓的無窮小量,將其稱之為微積分中的“鬼魂”。

      因為前兩次數(shù)學危機的解決建立了實數(shù)理論和極限理論,后來又有了康托的集合論,數(shù)學家們十分興奮激動,認為數(shù)學第一次有了“基礎牢靠”的理論。

      然而,當初康托的集合論對“集合”的定義太原始了,以為把任何一堆東西放在一起,只要它們具有某種簡單定義的相同性質(zhì),再加以數(shù)學抽象后,就可以叫作“集合”了。沒想到如此“樸素”的想法也會導致許多悖論,羅素悖論就是其中之一。因此,在這些悖論解決之后,人們便將康托原來的理論稱為“樸素集合論”。

      實際上,集合可以分為在邏輯上不相同的兩大類,一類(A)可以包括集合自身,另一類(B)不能包括自身??梢园ㄗ陨淼?,比如說,圖書館的集合仍然是圖書館;不能包括自身的,比如說,全體自然數(shù)構成的集合并不是一個自然數(shù)。

      顯然一個集合不是(A)類就應該是(B)類,似乎沒有第三種可能。但是,羅素問:由所有(B)類集合組成的集合(X),是(A)類還是(B)類? 如果你說(X)是(A)類,則(X)應該包括其自身,但是(X)是由(B)類組成,不應該包括其自身。如果你說(X)是(B)類,則(X)不包括其自身,但按照(X)的定義(X)包括了所有的(B)類集合,當然也包括了其自身??傊?,無論把(X)分為哪一類都是自相矛盾的,這就是羅素悖論(Russell paradox),即理發(fā)師悖論的學術版。

      還有一個與樸素集合論有關的悖論,叫作“說謊者悖論”(Liar paradox),由它引申出了許多版本的小故事。它的典型語言表達為:“我說的話都是假話”。為什么說它是悖論?因為如果你判定這句話是真話,便否定了話中的結論,自相矛盾;如果你判定這句話是假話,那么引號中的結論又變成了一句真話,仍然產(chǎn)生矛盾。

      上述這兩個悖論導致了一種“左也不是,右也不是”的尷尬局面。說謊者悖論中的那句話,無論說它是真還是假,都有矛盾;而羅素悖論中的集合(X),包含自己或不包含自己,也都有矛盾。樸素集合論產(chǎn)生的另一個有趣悖論(柯里悖論)與上述兩個悖論有點不一樣,它導致的荒謬結論是“左也正確,右也正確”,永遠正確!

      我們也可以用自然語言來表述柯里悖論。比如我說:“如果這句話是真的,則馬云是外星人?!备鶕?jù)數(shù)學邏輯,似乎可以證明這句話永遠都是真的,為什么呢?因為這是一個條件語句,條件語句的形式為“如果A,則B”,其中包括了兩部分:條件A和結論B。在這個例子中,A=這句話是真的,B=馬云是外星人。

      如何證明一個條件語句成立?如果條件A滿足時,能夠?qū)С鼋Y論B,這個條件語句即為“真”。那么現(xiàn)在,將這個方法用于上面的那一句話,假設條件“這句話是真的”被滿足,“這句話”指的是引號中的整個敘述“如果A,則B”,也就是說,A被滿足意味著“如果 A,則B”被滿足,亦即B成立。也就得到了B“馬云是外星人”的結論。所以,上面的說法證明了此條件語句成立。

      但是,我們知道事實上馬云并不是外星人,所以構成了悖論。此悖論的有趣之處并不在于馬云是不是外星人,而是在于我們可以用任何荒謬結論來替代B。也就是說,通過這個悖論可以證明任何荒謬的結論都是“正確”的。如此看來,這個悖論實在太“?!绷?

      以上三個悖論都牽涉到“自我”指涉(selfreference)的問題。理發(fā)師不知道該不該給“自己”理發(fā),說謊者聲稱的是“我”說的話。柯里悖論產(chǎn)生的關鍵是“這句話”的語義表達中包括了條件和結論兩者。這樣看來,將自身包括在“集合”中不是好事,可能會產(chǎn)生許多意想不到的問題。那么,如果將自身排除在集合之外,悖論不就解決了嗎?也許問題并非那么簡單,但總而言之,這些悖論提醒數(shù)學家們重新考察集合的定義,并為它制定了一些“公理”作為條條框框,從而使得康托的樸素集合論走向了現(xiàn)代的“公理集合論”。

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