Евклид разделил свои аксиомы на две группы: к первой относятся постулаты, утверждения о конкретных геометрических объектах, а ко второй — так называемые «общие понятия», общие правила логики, которые можно применить к любой ситуации, не только в геометрии. Примером общего понятия является утверждение, что если два объекта равны третьему, это значит, что они равны между собой (см. рисунок).
Система аксиом Евклида относится не только к геометрическим объектам как таковым, а дает нам и более общие правила для объектов. Другими словами, система аксиом говорит не только о свойствах геометрических объектов, но и позволяет нам сделать выводы из этих свойств.
Теория множеств Кантора, на которую опирался и Дедекинд, не имела такой изящной логической структуры: в ней не было аксиом. В отличие от Евклида, Кантор не составил никакого списка фундаментальных свойств, на которых основывал свои доказательства. Он ограничивался тем, что давал определения (например, ординальных чисел), часто используя разговорный язык, и на их основе делал выводы, продиктованные ему более или менее интуитивной логикой. Для Фреге это было неприемлемо. Он считал, что теория множеств должна иметь евклидову структуру, то есть начинаться с четкого и ясного списка определений и аксиом (а также общих понятий), чтобы на их основе можно было строго вывести все утверждения теории.
Некоторые общие понятия Евклида и их перевод на язык современной математики.
Но Фреге пошел еще дальше: он сожалел, что в математике вообще, а не только в теории множеств, использовался разговорный язык и что в ней часто взывали к «практическому разуму», что он называл «психологизмом». Он считал, что у математики должен быть свой особый язык со специально созданными для него символами и правила логической дедукции (по которым, исходя из определенных посылок, мы можем прийти к неким выводам) должны выражаться с максимальной точностью, используя этот язык.
Как мы сказали, эта обеспокоенность Фреге «психологизмом» относилась к математике вообще, а не только к теории множеств, его первые предложения по созданию математического языка были сделаны еще до нее. Тем не менее, когда во второй половине 1880-х годов одновременно с Дедекиндом Фреге задумал обосновать всю математику теорией множеств, он сконцентрировался на применении созданного им языка именно к этой теории. Ученый посвятил годы разработке символов и правил четкого языка и впервые рассказал о нем в своей книге Begriffsschrift («Исчисление понятий») 1878 года. Язык Фреге отличается от привычного нам со всех точек зрения, в записи он больше похож на линейный рисунок, чем на текст. Возможно, так было задумано специально, чтобы как можно больше отдалить математический язык от разговорного. Тем не менее это имело негативное последствие, так как предложенную систему было чрезвычайно трудно понять, и сочинение Фреге не получило такого распространения у заинтересованной публики, какое могло бы.
В 1902 году Фреге только что отправил в печать второй том своих «Основ арифметики» (в этой работе он развивал идею основания математики на теории множеств), когда получил письмо от английского логика Бертрана Рассела (1872-1970). Оно было отправлено 16 июня 1902 года из Фрайдей Хилла (Хаслмир, Великобритания) и занимало чуть меньше страницы. Рассел писал, что прочитал первый том «Основ», хвалил его и заявлял, что полностью разделяет задумку Фреге. «И тем не менее, — добавлял Рассел, — я нашел небольшое осложнение».
В чем же оно состояло? Одна из аксиом, которую Фреге подводил под теорию множеств, заключалась в так называемом принципе выделения. Другими словами, согласно ей, каждому свойству соответствует множество, состоящее из всех объектов, которые обладают этим свойством. Например, свойство «быть книгой по математике» соответствует множеству, образованному всеми книгами по математике; свойству «быть рациональным числом» соответствует множество всех рациональных чисел и так далее. В письме Фреге Рассел сформулировал следующий вопрос: что произойдет, если мы рассмотрим свойство «быть множеством, которое не является членом самого себя?»
По аксиоме Фреге, говорит Рассел, этому свойству соответствует множество — назовем его F, — образованное всеми множествами, которые соблюдают параметр не быть членами самих себя. Таким образом, вопрос звучит так: «F — член самого себя?»
Если да, то, как и все члены, оно обладало бы свойством, определяющим множество, но F не должно быть членом самого себя. Мы приходим к противоречию, так как исходим из одного предположения, а получаем противоположный вывод. Таким образом, эта предпосылка не может быть верной. Тогда F не является членом самого себя.
Но в этом случае оно не соответствует свойству, определяющему F, так как должно быть членом самого себя. Мы сталкиваемся с еще одним противоречием (см. рисунок).
Резюмируем: F не может быть членом самого себя, но не может и не быть им. Это невозможно с точки зрения логики. Множество Fy существование которого гарантирует принцип выделения, не может существовать, потому что это порождает логическое противоречие. Принцип выделения, казавшийся таким невинным, ведет к парадоксу. Сегодня парадокс множеств, которые не являются членами самих себя, известен как парадокс Рассела.
Парадоксы Бурали-Форти и Кантора, конечно, вызвали обеспокоенность в научном сообществе, но это не было неподконтрольным волнением.
Действительно, проблема парадоксов требовала решения, но оба они относились к таким объектам, как множество всех ординальных чисел и универсальное множество, которые никогда не фигурировали в какой-либо другой области математики, использующей понятия теории множеств. С другой стороны, помимо предложенного Кантором решения, многие другие ученые полагали, что чтобы устранить парадоксы, достаточно внести в теорию множеств технические поправки, например в определение. В общем, хотя все и признавали наличие проблемы, казалось, что она касается очень ограниченной области теории множеств и, разумеется, имеет решение.
Схема парадокса Рассела. Стрелки указывают порядок логических выводов.
Парадокс Рассела, напротив, вызвал гораздо более глубокий кризис, так как аксиому, утверждающую, что каждому свойству соответствует множество, использовали на протяжении нескольких лет все ученые, применявшие понятия теории множеств. Доказав, что эта аксиома противоречива, Рассел не только обрушил всю систему Фреге, но и заставил усомниться во всех достижениях, основанных на теории множеств. В частности, была поставлена под вопрос верность исчисления. Более того, принцип выделения в действительности кажется очевидным, а если такое невинное на первый взгляд утверждение оказывается настолько противоречивым, какие опасности таятся в других аксиомах или предположениях, которые так или иначе математики доверчиво использовали в своих утверждениях?
Фридрих Людвиг Готлоб Фреге родился в Висмаре (Германия) 8 ноября 1848 года. В 1869 году он поступил на математический факультет Йенского университета, также в Германии, но в 1871 году перевелся в Геттинген, где кроме математики изучал физику, химию и философию. В 1872 году удостоился докторской степени, предложив новый логически точный геометрический язык. В 1902 году Фреге получил письмо от Рассела, в котором говорилось о парадоксе множеств, не являющихся членами самих себя, и впал в глубокое уныние. Он попытался перестроить всю систему и для этого изменил аксиому, порождавшую парадокс, но тогда она породила еще несколько — Фреге понадобился не один год, чтобы заметить их. Большая часть его работ по логике и философии на момент его смерти были еще не опубликованы. Фреге завещал их своему приемному сыну Альфреду с такими словами:
