Число, пришедшее с холода. Когда математика становится приключением - Рудольф Ташнер

Еще до 1900 г. Гильберт показал изумленному научному миру, как именно удается математике стать повелительницей реальности.

Книга по геометрии, которую Евклид написал в III в. до н. э., во времена Гильберта все еще оставалась учебником для высшей школы, и до конца XIX столетия все ученые были убеждены в том, что, говоря о «точках», «отрезках», «окружностях», «треугольниках» или «квадратах», они имеют в виду нечто раз и навсегда устоявшееся и установленное. Есть и инструмент, с помощью которого можно конструировать и строить эти предметы, а именно циркуль и линейка. Если в плоскости чертежа находятся две удаленные друг от друга точки, то надо приложить к ним линейку и провести прямую, которой будут принадлежать обе точки. Ясно также, как надо установить циркуль в одну из точек, раскрыть его так, чтобы его вторая ножка достигла второй точки, а затем провести окружность, центр которой расположен в первой точке, а сама окружность проходит через вторую точку.

Но как, имея данную окружность, построить с помощью циркуля и линейки квадрат, площадь которого была бы равна площади этого круга? Это знаменитый вопрос о «квадратуре круга», который в наше время воспринимают как метафору.

Гильберт «разрешает» квадратуру круга, при этом рассматривая проблему с двух точек зрения, и прежде всего — с точки зрения вспомогательных средств, имеющихся в нашем распоряжении. Здесь Гильберт мог опереться на работу своего бывшего учителя, профессора Кенигсбергского университета, перебравшегося позднее, в 1893 г., в Мюнхен, Фердинанда фон Линдемана, который раз и навсегда доказал: никогда не удастся с помощью циркуля и линейки разрешить проблему квадратуры круга.

Тем не менее утверждение фон Линдемана, несмотря на негативное выражение, ни в коей мере не противоречит лозунгу Гильберта о том, что математика не приемлет «ignorabimus». Это утверждение сообщает нам некоторое знание, а именно знание о том, что невозможно ни в коем случае. Так же невозможно, как, допустим, назвать 5 четным числом.

Кроме того, Гильберт рассматривает квадратуру круга с точки зрения объектов «круг» и «квадрат» как таковых. При таком подходе можно говорить о том, что для каждого круга существует квадрат равной ему площади. Еще в 1685 г. польский математик Адам Коханский изобрел изящное построение с помощью циркуля и линейки; Коханскому удалось построить на круге почти равный ему по площади квадрат. Толщина карандашной линии, шероховатость бумаги и несовершенство человеческого органа зрения не позволяли заметить разницу в площадях, настолько приблизился Коханский своим построением к идеалу. Приблизился почти вплотную. Пусть даже ему и не удалось в точности воспроизвести такой квадрат, все же в мыслях он существует.

Это была решающая идея, запавшая в душу Гильберта: геометрические объекты присутствуют не в своей чувственно воспринимаемой форме — они становятся для нас явными только потому, что мы можем их себе помыслить. Чувственно воспринимаемое изображение на листе бумаги есть лишь наглядное отражение этого мысленного образа. Так же думал когда-то Платон: не построенный на бумаге, а созданный в мыслях треугольник является по-настоящему «истинным», ибо только воображаемый умом треугольник может соответствовать своему идеалу.

Именно поэтому две не являющиеся параллельными прямые пересекаются даже в том случае, если точку пересечения не удается изобразить ввиду малости листа бумаги, на которую нанесены прямые. Мы в любом случае можем точно указать место точки их пересечения — только потому, что она существует в наших мыслях. Но что будет с параллельными прямыми? Можно ли говорить и в этом случае о точке пересечения? Очевидно, нет, потому что, если бы даже она и существовала, то находилась бы в бесконечности. Но допустимо ли представлять себе, что точка пересечения параллельных прямых находится в бесконечности? Как вообще помыслить себе бесконечность?

Размышления и вопросы такого рода заставили Гильберта систематически упорядочить законы геометрического мышления. Для этого он поступил приблизительно так же, как Евклид более чем за две тысячи лет до него: во главу угла своей геометрии Гильберт уложил «аксиомы», утверждения, которые надо принять безоговорочно для того, чтобы корректно заниматься геометрией. Первая из двадцати аксиом гласит: «Две не совпадающие между собой точки всегда определяют прямую», на которой они лежат. За первой следует вторая аксиома: «Любые две не совпадающие между собой точки прямой определяют эту прямую». В качестве третьей аксиомы Гильберт формулирует следующее утверждение: «На одной прямой всегда существуют по крайней мере две точки; на одной плоскости всегда существуют по крайней мере три точки, не лежащие на одной прямой».

Каждую аксиому Гильберт иллюстрирует грубым эскизом, наглядно сообщающим содержание аксиомы, — некоторые из этих эскизов и утверждений настолько банальны, что вызывают искреннее удивление: зачем вообще упоминать о таких очевидных вещах? Ответ самого Гильберта гласит: нельзя соблазняться чувственным впечатлением! В геометрии, какой представлял ее себе Гильберт, явное, чувственное впечатление играет второстепенную, поясняющую, но ни в коем случае не определяющую роль. Утверждения геометрии можно считать доказанными только в тех случаях, когда доказательство опирается на двадцать упомянутых аксиом. Все остальное не считается доказательством.

«Но вы все же описываете точки, прямые и плоскости таковыми, какие они есть; почему они не имеют никакой ценности в ваших глазах?» — может спросить Гильберта скептически настроенный читатель.

«Это прекрасно, — ответил бы Гильберт, — что вы воспринимаете точки, прямые и плоскости именно так, как я их описываю в аксиомах. Но я не требую ни от кого, кто занимается геометрией, правильного “восприятия” того, о чем идет речь, когда говорят о точке, прямой или плоскости. Все эти представления можно выражать как угодно, словами самого экзотического языка. Другими словами, меня вообще не интересует сущность точек, линий и плоскостей — меня интересует, чтобы все, что называют точкой, прямой или плоскостью, подчинялось моим аксиомам. Этого вполне достаточно».

Составляя список из двадцати аксиом, Гильберт хотел достичь и достиг двоякой цели.

Во-первых, ему удалось доказать, что эта система аксиом обладает полнотой. Под этим словом имеется в виду, что все истинные утверждения геометрии можно вывести из двадцати аксиом Гильберта. Фактически в геометрии отсутствует «ignorabimus»: то, что можно познать, соответствует тому, что можно вывести из аксиом.

Во-вторых, Гильберту удалось доказать, что эта система аксиом непротиворечива. Действительно, для системы аксиом стало бы катастрофой, если бы какие-либо два утверждения, выведенные из этих аксиом, противоречили бы друг другу. Тогда 5 превратилось бы в четное число, а вся система рухнула бы как карточный домик.

Гильберт достиг обеих целей, так как смог доказать: его система геометрических аксиом полна и непротиворечива, потому что полон и непротиворечив счет с помощью чисел с бесконечным десятичным представлением.