A HUMAN HISTORY OF MATHEMATICS凿构周期律 · 数学鑿構週期律 · 數學 · 15 / 25
The Set-Theoretic Crisis
集合论危机
集合論危機
A short contradiction struck a precise foundation. Its consequences were profound—but neither instantaneous nor uniform across mathematics.
一封信击中了一个明确的体系,却没有让全部数学停工;悖论、选择与危机需要分别定年。
一封信擊中了一個明確的體系,卻沒有讓全部數學停工;悖論、選擇與危機需要分別定年。
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1. The book was already at the printer
On June 16, 1902, a letter traveled from England to Jena. Its author had recently turned thirty. Its recipient was a German logician in his fifties. The letter began appreciatively, recognizing the importance of the recipient's work, before introducing a difficulty that occupied only a few lines. Bertrand Russell was writing to Gottlob Frege.
Frege had spent roughly two decades developing a project whose ambition can be stated simply, though its execution was anything but simple. Why do the laws of arithmetic hold? Counting objects may confirm a familiar calculation, but he wanted a justification that did not depend on fingers, visual experience, or a diagram. His logicist aim was to derive arithmetic from logical foundations.
That project produced much more than an argument about one plus one. Frege developed a formal language, an account of quantification, and a theory linking numbers with concepts and their extensions. The first volume of Basic Laws of Arithmetic appeared in 1893. The second was nearing the end of printing when Russell's letter arrived. Frege had few readers, but Russell was one who understood the significance of the undertaking.
Frege recognized the danger immediately. His reply of June 22 expressed profound surprise and dismay and began analyzing the difficulty. He then added an appendix to the forthcoming volume, publicly explaining that a foundational problem had emerged when the work was almost finished. The statement is not a later biographer's imagined emotion. It appeared in his own book. The Russell Archives catalogue dates the initiating letter precisely.
A later dramatic version says that one letter destroyed a man's life. The documented scene is both less absolute and more revealing: the book was already being printed, and its author inserted the bad news himself. Intellectual honesty did not remove the damage. It made the damage part of the published record rather than something future readers would have to reconstruct from rumor.
Did this letter ignite a crisis that shook the entire mathematical world? Part of that statement is defensible, and part is not. The foundations of a specific, carefully articulated system were indeed threatened. But the response across mathematics unfolded unevenly, through different disputes and over many years. A single date cannot contain the whole history.
Our earlier discussion of an alleged ancient crisis warned against reading later stories back into periods without contemporary evidence. Here contemporary evidence is abundant: letters, an appendix, articles, and new axiom systems. The lesson cannot be that no crisis occurred. It must be a more exact account of what was endangered, who was involved, and when the language of crisis entered the discussion.
2. Before Russell
Russell was not the first to encounter contradictions associated with unrestricted infinite totalities. At least three earlier or independent lines of work must be distinguished. They did not all possess the same argument, assign it the same meaning, or publish it at the same time. Priority becomes misleading when those differences disappear.
In 1897 Cesare Burali-Forti published a short paper on transfinite numbers in the Palermo mathematical society's journal. It contained material from which the paradox now bearing his name would be developed. His own interpretation was not simply that set theory as a whole had exploded. He distinguished forms of ordering and took the contradiction to refute a claim about the comparability of ordinals. A correction later that year further complicates the relation between the original paper and the textbook paradox.
Russell's 1903 Principles of Mathematics helped establish the later paradoxical formulation. Discussion expanded during 1905. It is therefore inaccurate to imagine the 1897 publication as an instantly recognized catastrophe across Europe. An argument can appear before the community agrees on what exactly it shows. The history of recognizing a paradox is not identical with the history of the first printed formulas associated with it.
Cantor also knew difficulties involving totalities of ordinals and cardinal numbers before Russell's letter to Frege. Correspondence from the later 1890s, especially the extensive 1899 exchange with Dedekind, distinguished consistent from inconsistent multiplicities. Some collections could be gathered into a completed unity; others could not be so treated without contradiction.
Cantor's response was not to declare his entire theory ruined. He took the contradictions to mark a boundary: not every intelligibly described multiplicity constitutes a set. That anticipates an important distinction, but it is not yet a full axiomatic criterion determining which collections exist as sets. His position retained room for interpretation because he had not committed the whole theory to a fixed formal system of unrestricted collection.
Much of this material remained in correspondence and became publicly available only later, notably through the collected works edited by Zermelo in 1932. A private exchange can establish what particular people knew without proving that the entire mathematical community knew it. Publication, discovery, and circulation remain separate questions.
Zermelo independently encountered a version of the self-membership contradiction. The frequently given date of 1899 relies substantially on later recollection and should not be treated as a securely dated original proof. A note in Husserl's papers from 1902, recovered by later scholarship, records Zermelo's argument and establishes circulation before Russell's published account of 1903. The precise earlier date remains less certain than the fact of independence.
This is an example of the semi-public mathematical world explored in the previous chapter. An argument moved through conversation and notebooks without immediately entering a citable publication. Such networks could carry knowledge efficiently among insiders while leaving the public history of naming and priority comparatively thin. A philosopher's notebook eventually became important evidence for a mathematician's contribution.
Russell's own discovery belongs to the spring of 1901, with May supported by manuscript evidence; his letter to Frege belongs to June 1902. These should not be collapsed into a single event. His decisive contribution was not being first to notice any set-theoretic difficulty. He isolated a remarkably economical contradiction and showed that it could be derived inside a foundational program whose author had made precise commitments.
3. The few lines
A modern version begins with unrestricted comprehension: for every suitable condition, there is a set containing exactly the objects satisfying it. Informally this can seem almost empty of content. Gather the integers greater than three. Gather the objects having a particular property. Why should saying exactly what qualifies not be enough to collect the qualifying things?
The difficulty appears when the condition concerns self-membership. Suppose we may form the set R of all sets that are not members of themselves. We do not need to exhibit an actual self-membered set first, or rely on everyday examples involving red objects or things describable in a language. Those examples can obscure the distinction between sets, classes, and descriptions. The proposed comprehension principle alone licenses R.
Now ask whether R belongs to itself. If it does, then it fails the condition for membership in R, so it does not. If it does not, then it satisfies that condition, so it does. In symbols, R ∈ R if and only if R ∉ R. The proposed definition turns each answer into its negation.
This is not a merely surprising theorem. It is an actual contradiction produced by the rule that allowed the collection to be formed. Calling R an eccentric object does not repair the rule: as long as unrestricted comprehension remains available in this setting, the same definition can be written again.
The economy of the argument made it difficult to dismiss as a specialized technical mistake. Burali-Forti's difficulty involved the theory of ordinals. Cantor's related difficulties could involve the theorem that a power set is larger than its source. Russell's familiar formulation needs only membership, negation, and an unrestricted collection principle.
Frege's own system must nevertheless be described more exactly than this modern paraphrase. His Basic Law V governed equality of value-ranges, linking it with agreement of the corresponding functions. It was not literally the modern unrestricted set-comprehension schema. In combination with the system's logical resources and concept formation, however, it allowed a corresponding contradiction to be derived.
That difference matters historically and mathematically. Frege's concepts, extensions, and value-ranges are not simply present-day sets under older names. The set version is an accessible reconstruction of the danger; the failure of Frege's actual system requires following how his explicit principles permit the relevant construction. He could not merely announce that an offending totality had never been intended once his formal commitments licensed its counterpart.
Cantor's informal distinction between sets and inconsistent multiplicities gave him room to exclude overlarge collections. Frege needed to alter an explicit law and examine what could still be derived. Neither response was automatically an evasion: an axiom system can be revised. But revision carries a mathematical obligation to show what the new rules permit and what useful theory survives.
Much of the following thirty years would concern that obligation. How can one restrict formation of collections or expressions enough to block contradictions without throwing away the mathematics for which the foundations were being built? A slogan that everything clearly describable forms a set had become unsafe. Replacing it was a program, not a single sentence.
4. Frege continued
The technical damage was severe. Frege immediately attempted a repair in the appendix to the second volume, but the proposed modification did not successfully rescue the original system. His published route from those foundational laws to arithmetic had failed. It is important not to minimize that result merely because later biographies exaggerate its personal consequences.
The claim that he mentally collapsed and produced nothing afterward is not supported by his subsequent work. He continued teaching at Jena. Articles after 1903 addressed functions and the foundations of geometry, including further engagement with Hilbert's approach. Retirement did not end his philosophical writing. The Thought appeared in 1918, followed by Negation and Compound Thoughts, works still central to logic and the philosophy of language.
His foundational position did change. Unpublished writings from the 1920s show him reconsidering sources of mathematical knowledge and investigating a geometrical or intuitive basis for arithmetic. Brief surviving drafts should not be inflated into a perfectly documented moment of conversion. They show a late reconsideration, not every stage of the process by which he reached it.
Two statements can therefore stand together. Russell's contradiction destroyed the adequacy of Frege's published foundational scheme. It did not destroy Frege as a continuing teacher and author. Neither statement cancels the emotional force of the appendix in which he acknowledged the problem. Continuing to work is not evidence that nothing painful or intellectually consequential happened.
The correspondence also continued beyond the first famous letter. Russell and Frege exchanged letters during 1902–1904, examining logical issues rather than merely performing a single dramatic confrontation. Surviving copies and photographic reproductions help preserve the content even where the originals have a complicated history.
Frege's larger manuscript legacy had a less fortunate transmission. Much of what survives depends on copies and transcripts made by a historian of logic, through wartime losses and relocations. The archive available now is not the complete untouched collection an observer might imagine. The survival of a famous exchange should not be generalized to the survival of every relevant working paper.
Nevertheless, the crucial 1902 chronology does not rest on a story told many decades later. Dated letters and the printed appendix anchor it. That is why we can distinguish the discovery in 1901, the communication in 1902, and publication in the second volume in 1903 with a confidence unavailable for many earlier mathematical legends.
There is a broader historiographical temptation here. Once an argument has a devastating logical consequence, the biography is made to imitate it: the system falls, therefore its author must fall. Human lives do not follow the inference rules of the systems their subjects construct. The chapter loses nothing by refusing to make a broken foundation into a total diagnosis of a person.
5. Five letters, four French mathematicians
In 1904 Zermelo proved the well-ordering theorem, using the principle now called the axiom of choice. The resulting controversy was in some respects more public and immediate than the earlier paradoxes. A well-order is an ordering in which every nonempty subset has a least element. The word nonempty is indispensable: the empty set has no element to be least.
The ordinary order of the positive integers has this property. The ordinary order of the real numbers does not; the positive reals have no smallest member. The theorem says that a set such as the reals admits some ordering with the well-order property. It does not say that its familiar order already has it, and it does not provide a simple ordinary list of all real numbers.
Zermelo's proof assumes that, for a family of nonempty sets, one may select an element from each simultaneously through a choice function. A finite family presents no comparable foundational difficulty. An arbitrary infinite family need not come with a rule selecting its elements. The principle asserts the existence of a selection nevertheless.
The objections were not all the same. Some demanded a specified choice procedure. Others worried that a vast simultaneous act of selection resembled the unrestricted totalization implicated in paradoxes. Poincaré emphasized the danger of definitions involving a totality containing the object being defined. Peano questioned the use of a principle not derived from the formal assumptions he accepted.
In 1905 Baire, Borel, Hadamard, and Lebesgue published their exchange as Five Letters on Set Theory. The original letters are preserved by Numdam. The four are often grouped as French opponents of choice, but that description fails immediately: Hadamard defended the principle, and the others' reasons differed.
Borel objected that the proof did not specify an actual selection or display the resulting ordering. A declaration of existence did not, for him, automatically provide the sort of mathematical object he wanted to use. Baire was especially cautious about moving from choices that can be grasped step by step to an assumption that infinitely many choices have been completed together. Neither position should be flattened into a rejection of every weak selection principle.
Lebesgue's concerns were closely tied to definability and the functions and sets arising in his own work on measure. He resisted a complete separation between the assertion that a function exists and the possibility of specifying what function is meant. This was not a detached philosophical hobby attached to otherwise unrelated research; it touched the objects on which his analysis depended.
Hadamard challenged the identification of existence with a unique explicit description. In his view, mathematics could legitimately prove that something exists without immediately furnishing a rule that singles it out in the demanded fashion. The central division was not simply finite versus countable versus uncountable selection. It concerned what extra requirements an existence claim must meet.
Some of these analysts had themselves used weaker choice principles without always separating them explicitly. The debate helped expose distinctions that practice had previously left hidden. Its importance lies partly in that self-examination: a mathematician could accept substantial set-theoretic methods and still question a stronger principle proposed to extend them.
The well-ordering of the reals supplied a particularly sharp example of proving an ordering exists without displaying one through the proof. This is a better historical setting for the contrast between existence and exhibition than a simplified account of Cantor's 1874 paper, whose interval method did contain a construction. The earlier chapter's question about existence remains, but its examples must keep their actual mathematical content.
6. Replacing the permissive rule
In 1908 Zermelo published axioms intended to restrict set formation enough to block known contradictions while preserving valuable parts of Cantorian mathematics. The critical change was not a verbal definition identifying every safe collection in advance. It was a replacement of unrestricted comprehension by controlled principles of existence.
Separation allows one to select, from an already given set A, those elements satisfying an appropriate condition. It does not allow every condition to create a set of all qualifying things throughout an unlimited universe. The difference between selecting within a set and gathering absolutely everything is the logical hinge.
Apply the Russell condition inside A: form R_A from those x in A for which x is not a member of itself. No contradiction follows. Instead one can prove that R_A is not an element of A. If A were a universal set containing every set, that conclusion would be impossible. Separation thus demonstrates that no such universal set exists within the theory rather than generating a contradictory set of all non-self-members.
Zermelo did not prove that no contradiction of any kind could ever arise from his axioms. He showed how familiar paradoxical constructions were blocked and stated a program of safeguarding set theory. Avoidance of known contradictions and proof of consistency are different achievements. His 1908 paper is available in its original journal form.
The axioms themselves required further clarification. The phrase definite property left questions about admissible conditions. During the 1920s Fraenkel and Skolem developed the replacement principle, which permits sets of values of definable functional assignments and supports constructions beyond the reach of the earlier system. Skolem also articulated a first-order treatment of definite properties.
Fraenkel's proposals around 1922 and Skolem's work presented that year and published afterward were not merely annotations on an already finished system. Zermelo initially differed with aspects of the developments, later accepted replacement, and used a corresponding principle in his 1930 axiomatization. The modern system bearing two names emerged through more than two contributors and more than one publication.
Russell followed another route. Early type distinctions appeared in his 1903 book; ramified type theory took shape in his 1908 work and entered the three volumes of Principia Mathematica, written with Whitehead and published in 1910, 1912, and 1913. Types distinguish objects, properties of objects, and properties of properties. Orders impose further restrictions intended to block impredicative circularity.
The self-application behind the paradox can then fail to be a well-formed expression at all. But the restrictions have a cost: they also obstruct definitions and arguments used in ordinary classical mathematics. The axiom of reducibility was introduced to recover sufficient expressive and mathematical strength. Its status as a purely logical truth was deeply disputed.
The two routes paid different prices. Axiomatic set theory replaced an apparently obvious permission to collect with explicit existence axioms. Ramified type theory imposed elaborate restrictions and then added a strong principle to regain familiar mathematics. Neither simply restored the original ambition without modification, and neither delivered the desired unconditional guarantee against every future contradiction.
Choice increasingly became a standard tool, while authors could explicitly mark when an argument used it. Such marking did not resolve every philosophical objection. It made disagreement manageable by locating the additional assumption. Mathematics could continue under a stated framework while researchers investigated the framework's strength, alternatives, and limits.
7. Calling it a crisis
In 1921 Hermann Weyl published On the New Foundational Crisis of Mathematics in volume ten of Mathematische Zeitschrift. The word crisis is on the page, not retrospectively supplied. But the date is almost twenty years after Russell's letter, and the immediate background is Brouwer's challenge to classical mathematics and logic. Weyl's original article survives in the Göttingen digital collection.
One cannot transfer that title to 1901 and conclude that Russell's discovery was immediately described by the entire community in the same terms. Earlier discussions spoke of contradictions, antinomies, paradoxes, and foundations. Nor does one securely dated use prove that nobody anywhere used crisis earlier. It establishes a particular public intervention with a particular target.
There is no reliable census measuring the proportion of mathematicians involved. We can identify authors who participated: the four French correspondents, Zermelo, Russell, Jourdain, Bernstein, Hobson, Hardy, Poincaré, Peano, Schoenflies, and others. By the 1920s, Hilbert, Brouwer, Weyl, Bernays, Ackermann, von Neumann, and Skolem belonged to an enlarged international network. Such a network was a real mathematical community, but it was not the whole profession.
Its geography mattered. Italian work included the Peano school and Palermo's mathematical society. Göttingen connected Hilbert's correspondence, Zermelo's activity, and later proof-theoretic research. French debates circulated through the Société mathématique de France. Russell's books and correspondence brought the issues into British mathematical and philosophical circles. Frege's Jena project was comparatively isolated rather than embedded in an apparatus like Göttingen's.
Only in 1936 did the Association for Symbolic Logic and the Journal of Symbolic Logic provide a dedicated international organizational center of the later kind. Earlier work appeared across mathematics journals, philosophy journals, society proceedings, monographs, and letters. Uneven channels help explain uneven reception without implying that there had been no networks of logicians beforehand.
What did mathematicians outside these debates do? A list of famous theorems is not enough to prove that nobody was disturbed. But a claim of universal paralysis would require evidence of broad suspension of research, transformed conference agendas, or widespread abandonment of ordinary proof practices. The record does not support that picture. Analysis continued to develop vigorously.
Hadamard and Hurwitz had defended set-theoretic methods at the 1897 congress. Borel, Baire, and Lebesgue continued work on point sets, classifications of functions, measure, and integration around and after 1900. The same analysts who questioned choice could employ Cantorian ideas productively. They were disputing the scope of certain existence principles, not renouncing every use of sets.
By the 1930s, axiomatic and technical clarification allowed set theory to function routinely in topology and real analysis, even while philosophical disagreements remained. That is a partial stabilization of practice, not proof that every foundational question had been settled. Russell himself had at first regarded the ordinal paradox as potentially a technical problem, returning to it more seriously only later. Even among central participants, the intensity and focus changed.
The memorable claim attributed to Poincaré that set theory would be remembered as a disease from which mathematics recovered lacks a securely established source in the evidence used here. It should not be printed as an authenticated quotation. A cutting line can summarize a later writer's desired plot more effectively than it reports what its supposed speaker actually wrote.
8. Drawing the boundary
The earlier discussion of an ancient mathematical crisis and the present one should not receive the same verdict. In the ancient case, there is no contemporary documentary basis for a community-wide collapse over incommensurability. Late stories of punishment or drowning do exist, but their lateness and variation prevent them from establishing the familiar dramatic reconstruction. Here the documents are contemporary and direct.
Frege's replies and appendix record the damage to his system. The five French letters show an active argument about choice and existence. Poincaré wrote against forms of reasoning he considered circular. Zermelo explicitly made avoidance of contradictions one aim of axiomatization. Hadamard contemplated how serious an incurable paradox would be for rational inquiry. Weyl later placed a new foundational crisis in his title.
It would therefore be wrong to say that all of this was invented by subsequent historians. The distortion is more often one of scale, timing, and dramatic compression. A discovery, universal panic, and a new secure foundation make a satisfying three-act story. The actual developments involved different groups, different problems, and different periods.
The late 1890s through 1908 saw paradoxes, debates over choice, and competing formal responses. The 1910s and 1920s broadened the conflict among logicist, intuitionist, and formalist approaches. Crisis language became especially visible in the later foundational controversy. These histories overlap, but overlap does not make them one event occurring on the date of a letter.
The resulting judgment is deliberately less dramatic. The crisis was real. It did not happen overnight in 1902. It cut deeply into several projects seeking foundations for mathematics, while affecting ordinary research unevenly and often much less directly. Later narratives amplified its universality more than they invented the actual paradoxes or arguments.
This is a different historical operation from simply removing an unsupported story. It redraws the boundaries of a well-documented event. The absence of universal panic does not imply the absence of intellectual danger; the failure of Frege's scheme does not imply the failure of every theorem proved in analysis. Keeping those distinctions visible is part of taking the crisis seriously.
The positive achievement was not merely the restoration of confidence. Mathematicians identified permissions that had seemed natural and examined what those permissions entailed. Some were implicit in informal practice; related principles, notably Frege's Basic Law V, were already explicit. It would contradict the evidence to say that the dangerous assumption had never been written down anywhere. The crucial step was recognizing its consequences and changing the rules.
Once formation of collections became a subject of explicit axioms, the question shifted from whether a description sounded clear to which existence principles justified it. Type theory made admissibility of expressions itself a matter of formal organization. Both approaches traded unrestricted convenience for a structure whose consequences could be investigated more carefully.
Yet neither approach completed the larger task of guaranteeing consistency by the standards its proponents wanted. That remaining problem would become a research program of its own. Before it did, another challenge sharpened the dispute: perhaps some of the classical mathematics being protected should not be preserved in its existing form at all. The next argument would concern not merely which collections could exist, but which logical inferences counted as knowledge.
一 印到一半的书
1902年六月十六日,一封信从英国寄往耶拿。
写信的是一个刚满三十岁的英国人,收信的是一位五十多岁的德国逻辑学家。信的开头不是挑衅,是恭维。写信人说他读了对方的书,评价很高。然后是一个问题,几行字就问完了。
收信的人叫弗雷格,在耶拿教书。二十年里他只做一件事。
那件事用家常话说是这样。一加一等于二,人人从小就会,可是它凭什么。最省事的回答是数一数就知道。弗雷格不接受这个回答,因为数一数要用眼睛和手,而他想要一个不用眼睛的理由。他相信那个理由可以完全从推理本身长出来,不必借助任何关于这个世界的经验,也不必借助任何图。于是他从比数更朴素的东西开始,一步一步把数造出来,再把算术的每一条规矩都从那里推出来。
这件事他做了二十年。《算术基本定律》第一卷1893年印出来了,第二卷正在印厂里,快印完了。当时读他的人不多,罗素是其中之一。
他一看就明白了。
六天以后,六月二十二日,他回了信,大意是这个矛盾让他极其意外,几乎可以说是惊惶,然后开始找问题出在哪里。接着他做了一件不常见的事:他把这件事写进了那本马上要出版的书的后面。那段话大意是,一个做学问的人几乎碰不到比这更不情愿碰到的事情,作品已经做完了,才发现自己盖起来的东西有一块地基在动。罗素先生来信的时候,第二卷的印刷已经接近完成,而他正碰上这种事。
这个细节比后来流传的版本好。后来的版本是一封信毁了一个人的一生。当时的实际情形是,书已经在印了,而他把坏消息自己加在了卷末。
这一篇要讲的,是这封信后来被讲成了什么,和它实际上做成了什么。有一个说法很常见: 1902年这封信引爆了一场集合论危机,整个数学界从此对自己的地基失去了信心。这个说法有一半是真的。要紧的是哪一半。
第二篇处理过一场同名的事。那一场的结论很干净:古代一句证据都没有,那场危机是很晚以后补上去的。
这一次不能照抄那个结论。这一次有当时的纸。
二 罗素不是第一个
先把一件事说清楚,因为整个故事的形状都取决于它。罗素不是第一个看见集合论会出矛盾的人。在他之前至少有三个人,而且每一个的情况都不一样。
第一个是布拉利福尔蒂。1897年他在巴勒莫数学会的会刊上发表了一篇短文,题目大意是关于超限数的一个问题。文章里确实推出了一个矛盾,而这个矛盾后来成了今天那条以他名字命名的悖论的原料。
可是他自己当时不是这么理解的。他在文中区分了自己所谓的完全有序和康托尔的良序,并且认为出毛病的是另一条关于序数能不能互相比较的命题。对他来说,这更像一次归谬:推出矛盾,说明那条命题不成立。同年十月他还发表了一则更正,改掉了文中的一处错误。
所以1897年并没有出现第一颗炸弹爆炸,全欧洲数学家惊慌这种场面。今天教科书上那条悖论是后来一点一点拼起来的,头一次被当作悖论印出来,是在罗素1903年那本书里。而它到1905年初还不是集合论圈子里普遍关心的问题,要到那一年年底才在英,德,法三国同时变成公开争论。
第二个是康托尔本人,而这一条最要命,因为它把"罗素第一个发现集合这个念头会出矛盾"这句话直接推翻了。
从他的通信可以把时间至少推到1896年前后。到1897年,他已经试着跟戴德金讨论,并且把所有阿列夫这样的总体会出的麻烦告诉了希尔伯特。1899年跟戴德金的几封长信留下了完整得多的版本。
他在信里提出了一个区分。有些"很多东西"可以被当成一个做完了的整体收起来,他管这叫一致的。另一些,你要是非把它当成一个做完了的整体,就会出矛盾,他管这叫不一致的。
他的办法不是宣布自己那套东西破产,而是说:能不能被总括成一个,这本身是成为集合的一个额外条件。矛盾恰好说明,某些定义得很清楚的总体并不是集合。
这句话已经很接近后来的处理了。但不能把后来那套东西倒灌给他。他还没有一套能正式判定哪些总体一致,哪些不一致的规矩,他只有一个判断。
他也没有把这些发表出来。这些内容主要留在通信里,要到1932年那套全集才进入公开的材料。而那套全集的编者是策梅洛。
第三个就是策梅洛。他后来说,自己独立于罗素得到了同一类矛盾,而且比罗素早。旧文献通常给1899年这个日期。这个日期要打一点折扣,因为它主要靠他本人后来的追述。
硬证据是另一样东西。1981年,胡塞尔1902年的一本笔记被翻了出来,里面有一段把策梅洛那个版本的矛盾记得很详细。这至少证明两件事。在罗素的结果成为公开文字以前,策梅洛的论证已经在德语的学术网里流通。他绝不是读了1903年那本书以后才想到的。一个哲学家随手记下的东西,隔了将近八十年,替一个数学家把日期补了回来。
为什么几十年没人知道。理由很朴素:他没有及时发表。这个结果主要活在哥廷根的口头交流,私人通信和笔记本里。第十四篇讲过那一层半公开的纸,这正是它的一个例子,也是它的一个反例。东西在圈里传开了,却没有进任何一本可以被引用的书,于是命名权落在了有公开文本的那一边。
罗素想到那几行字是在1901年五月,这一点相当可靠,因为有一份标着那个月份的手稿。他写信给弗雷格是1902年。中间隔了一年多,而常被记成同一年的正是这两个日期。
所以罗素做的不是第一个看见。他做的是另外两件事,而这两件加起来才有后来的效果:他把矛盾压缩到了几行字,然后把这几行字寄给了一个已经把话说死了的人。
三 那几行字
要看懂那几行字,先要有一句规矩。这句规矩在当时看起来一点问题也没有,它甚至不太像一条规矩,更像一句废话。
只要你能把一个条件说清楚,凡是满足这个条件的东西,就自动凑成一堆。
凡是红的东西,凑成一堆。凡是大于三的整数,凑成一堆。凡是我认识的人,凑成一堆。没有人会对这句话有意见。
现在用它一次。有些堆把自己也收了进去。凡是能用中文说清楚的东西凑成的那一堆,它自己也能用中文说清楚,所以它在自己里面。有些堆不收自己。凡是红的东西凑成的那一堆,这一堆本身不是红的,所以它不在自己里面。
于是可以造一个条件:不收自己。
按那句规矩,凡是不收自己的堆,也该凑成一堆。就叫它那一堆。
只问一句:那一堆收不收自己。
如果它收自己,那它就是一个收自己的堆。可是它只收不收自己的堆。所以它不该在里面。
如果它不收自己,那它正好合乎条件。所以它该在里面。
两条路都走回自己的反面。
麻烦不在那一堆有多古怪。麻烦在那句规矩。只要那句话还立着,这几行字随时可以再写一遍。
这几行字比前面那些矛盾都难打发,原因在于它用到的东西太少。布拉利福尔蒂那个矛盾,要先有一整套关于序数的理论才推得出来。康托尔那个,要先知道一堆东西的所有子集收在一起会比原来那堆更大。罗素这个什么都不要。只要你承认开头那句废话,它就成立。
康托尔遇到这类东西的时候可以脱身。他能说那些大得过分的总体根本不算集合,因为他那套东西不是一个写死的形式体系,他有回旋余地。弗雷格没有。弗雷格体系中的基本定律V是关于值域相等的正式法则,并不是现代集合概括原则的原句;但它与体系中的概念形成和逻辑规则合用,足以推出相应的矛盾。罗素可以站在他的体系里面,把矛盾推出来。
还有一处时代错位要说一句。今天顺手说的是集合,而罗素和弗雷格当时用的词是类,概念,概念的外延,跟现在说的集合不完全是一回事。用集合去讲讲得清楚,但那是一次现代化的转述。
接下来的三十年,很大一部分力气花在同一件事上:怎么把那句规矩换掉,而不把有用的东西一起扔掉。
四 弗雷格没有垮
先拆第一个说法,因为它流传最广。那个说法是:一封信毁了弗雷格的一生,他从此精神崩溃,再也没做出什么东西。
前半句的技术部分是真的。他立刻明白了问题有多重,也立刻动手修。第二卷卷末的附录里他提了一个补丁,而那个补丁救不回原来的体系,这一点后来看得很清楚。他想从逻辑单独推出算术的那个具体方案,确实完了。
后半句不是从材料里推出来的。
1903年以后他没有退出。他继续在耶拿教书。1903年到1917年之间他还发表过多篇文章,包括1904年那篇谈函数的,还在继续跟希尔伯特争论几何的地基该怎么立。退休以后,他1918年发表《思想》,随后又发表《否定》和《思想结构》。这几篇到今天仍然是逻辑和语言哲学里要读的东西。
晚年确实变了立场。他显然不再能用原来那套基本法则完成原来的计划。1920年代的未刊残稿显示,他在重新考虑数学知识究竟从哪里来,试着从几何和直观那一头去找算术的根。但一两页遗稿撑不起一次突然改宗。能说的是两句,一句比一句窄。
罗素的矛盾摧毁了弗雷格已经出版的那套算术基础方案。
它没有摧毁弗雷格。
可是这里不能顺势松一口气。卷末那段话是他自己写的,印在自己的书后面,不是后人替他编的情绪。一个人可以继续教书,继续写文章,继续活二十年,同时承认自己盖了二十年的那样东西有一块地基在动。这两件事并不互相取消。后面还会碰到同一种为难:能证明某个人没有垮掉,不等于能证明什么都没发生。
还有一件跟纸有关的事值得记一笔。罗素和弗雷格1902年到1904年一直有通信,不只是那著名的第一封。罗素这边保存了弗雷格来信的照相复制件,所以即使有些原件的传承很复杂,通信的内容仍然能重建。
弗雷格的遗稿就没有这么幸运。它主要靠一位逻辑史家留下的抄本和复制材料传下来,中间还经历过战争和搬迁造成的损失。今天能看到的那一批,已经不是当初的原样。
所以1902年这件事不是靠几十年以后的回忆重建的。那几封关键的信就是当时的纸,这也是为什么日期和先后可以说得这么死。
五 四个法国人吵架
1904年,策梅洛证明了一句康托尔主张了很多年却一直没证出来的话。争论立刻就起来了,而且比悖论本身闹得还大。
先说那句话是什么。自然数有一个很朴素的性质:随便从里面挑出一个非空子集,其中总有最小的一个。一,二,三这样数下去,任何一段都有开头。
实数就没有这个性质。大于零的实数里没有最小的一个。你说出任何一个,总还有更小的,而且还大于零。
康托尔主张的是:即使像实数这样的东西,也存在某一种排法,排过以后那个性质就有了。随便挑出一个非空子集,里面都有一个最先的。他说了很多年,没有证出来。
1904年策梅洛证出来了。他用的办法是:从每一堆东西里各挑一个出来。
这句话就是后来所谓的选择公理。它引来的反对不是一种,而是好几种,每一种都有自己的道理。
一种意见说,策梅洛讲从每一堆里挑一个,可是没有讲怎么挑。于是这个证明像是在谈一个既没有规则也没有定义的东西。另一种意见担心的是,这种大规模的同时挑本身,恰恰就是造出集合论那些反常的那一类危险动作。庞加莱担心的是第三件事:定义一个东西的时候,有没有偷偷用到一个把这个东西也包在里面的整体。皮亚诺的反对带着体系立场:如果这条原则不能从他承认的那些形式原则推出来,凭什么把它当作合法的推理。
法国那几位尤其要分开写,因为他们常常被当成一伙。1905年,四个人的通信以《关于集合论的五封信》为名登在法国数学会的通报上。四个人是贝尔,博雷尔,阿达马,勒贝格。
博雷尔的意见是:这个证明没有给出一条实际的挑法,排出来的那个顺序也没有被具体写出来。他的立场接近一句话:宣称有一个东西,跟明确给出一个能把它定下来的办法,不是一回事。
贝尔大体站在博雷尔那一边,但不是复制。他对无限次的挑尤其小心,想分开两种情形:一种是数学上真能一步一步抓住的挑法,另一种是干脆假定整个无限次的挑已经做完了。把他写成反对一切选择原则太重了。这几位法国分析学家自己早年的工作里,有时候已经暗用了某些较弱形式的选择。
勒贝格最接近"存在得带着某种能被指定的性质"这个立场。他不愿意把"存在一个函数"跟"至少能说出它是什么"完全分开。他本人那几年正在测度和可定义集合这些问题的正中心,所以这不是哲学上的附会,是他每天在做的事。
阿达马站在另一边。他认为真正的区别不是挑有限个,可数个还是不可数个,而是有没有错把"存在"跟"唯一地,明确地描述出来"当成同一个要求。在他看来,数学完全可以证明一个东西存在,而不必随即给出一条能把它写出来的规则。1905年那批通信里,他是这条原则最有力的辩护者。
所以"法国数学家反对选择公理"这句话是错的。四个人里有一个是这条原则的辩护者,反对的那三个各有各的理由,而且理由之间并不一致。
真正让当时的人不舒服的,也不是结论听起来奇怪,是证明和展示之间裂开了一道口子。最典型的例子就是实数。策梅洛能证明它存在某一种排法,却完全没有给出那种排法长什么样。对于刚刚把可定义性,可测性,具体函数这些问题带进现代分析的人来说,这种"我证明有,但不告诉你它是哪一个"的存在观非常刺眼。
第十三篇的结尾停在这个字上。1874年的结果提供了大小比较的存在推论,但原文区间程序也能构造漏列实数;1904年的良序证明则更直接地把存在与展示具体排序的要求分开。日常语言里"有"只有一个意思,因为日常生活里那个东西真的能拿出来。
到1905年,这个差别已经不是一句可以被绕过去的感想了。它变成了四个人在通信里正面吵的东西,而且吵的是同一个问题:在数学上说一样东西存在,到底需要什么资格。
六 换掉那句规矩
1908年,策梅洛发表了一套公理。他把自己要干什么写得很坦白:一方面把集合怎么形成这件事限制住,限制到足以把已知的矛盾挡在外面,另一方面尽量保住康托尔那套东西里有价值的部分。
关键的一步不是找到一个安全的集合定义。关键的一步是把那句宽松的规矩取消掉。
新的做法是这样:你不能说凡是合乎某个条件的一切东西自动成一堆。你只能从一个已经给定的堆里,把合乎条件的挑出来,另成一堆。
于是罗素那几行字写不下去了。那几行字需要一个能把天下所有东西一次收齐的大堆,好让"凡是不收自己的"有地方可挑。这样的大堆没有了。策梅洛自己特意说明过,给定任何一堆,从里面挑出不属于自身的那些,不会出矛盾。反过来,这个做法恰好可以证明,不存在一个装得下一切的万能集合。
他很清楚自己没有做到另一件事。
1908年他的说法很克制:已知的那些悖论,在这套限制下造不出来。他没有说这套东西里面不会再出别的矛盾。后来的转述常常把这句话写成策梅洛证明了集合论没有矛盾,那句话不成立,而且差得很远。
接受的过程也不是一步到位。他那套东西继续被挑毛病,最集中的一处是他讲的"确定的性质"到底允许什么,写得不够死。1920年代,弗兰克尔和斯科伦分别指出原来那套在造较高层次的集合时不够用,推动加进了后来所谓的替换原则。斯科伦又把"确定的性质"明确用一阶公式来处理。弗兰克尔1922年前后提出替换的想法,斯科伦的工作同年在赫尔辛基的斯堪的纳维亚数学家大会上讲过,第二年发表。策梅洛起初并不完全赞同这些改动,后来接受了替换, 1930年他自己的新公理化里用了相应的形式。
所以今天那套挂着两个人名字的公理系统,不是1908年一篇文章一次写成的。它是二十多年不断修补不断澄清的结果,而且第三个人的贡献没有进名字。
罗素那边走的是另一条路。1903年那本书里已经有一个比较早,比较简单的分层想法。到1908年那篇文章,才形成后来所谓的分支类型论。然后它进了1910年到1913年他和怀特海合写的那三卷《数学原理》。
办法是这样:不再允许一个说法毫无限制地作用在跟它同一层的东西上。对象是一层,关于对象的性质是另一层,关于这些性质的性质又是一层。后来他又在层之上加了一套"阶"的限制。于是造出罗素那几行字的那种自指组合,根本不能合法地写出来。
代价很大。为了挡住循环,层级搞得非常繁复,而这些限制同时也把许多普通数学里习惯用的定义一并挡住了。为了把足够丰富的经典数学重新拿回来,罗素和怀特海不得不加进一条额外的假设,叫可约公理。
这条假设一加,原来的计划就有了裂缝。目标本来是把数学只从逻辑推出来。为了把日常数学捞回来,却必须加一条看上去并不像纯逻辑真理的强假设。
两条路,两个价钱。
策梅洛这边的价钱是,集合论不再是"凡能说清楚的都成一堆"那样自然的东西了,它变成一套得先写下来的规矩。罗素那边的价钱是,为了把数学捞回来,得承认一条并不纯粹的假设。
选择公理后来的处境也值得看一眼。到1930年代它已经越来越常用,但还没有拿到后来那种不必说明的默认地位。当时有一个带着礼数的做法:一条定理如果用到了选择公理,会明说出来。哲学上的异议并没有消失,只是被放进了一个可以被标注的位置。这是一种很实用的处理,不解决分歧,只要求把分歧标出来。
而两边都没有做到同一件事:证明自己这一套里面不会出矛盾。
七 危机这个词
现在可以回到那个词了。1921年,外尔发表了一篇文章,题目直接就是《论数学的新基础危机》,登在《数学杂志》第十卷。标题上写着这几个字,这就是最硬的证据。
有两件事要在这里看清楚。第一,这是1921年,不是1901年,也不是1902年,中间隔了将近二十年。第二,他写的是"新的"基础危机。这篇文章的直接背景不是罗素那几行字,是布劳威尔对经典数学和传统逻辑原则的挑战,那场争论下一篇要单讲。
所以把1921年这个标题倒贴回1901年,写成"罗素一发现悖论,数学界当即把它叫做集合论危机",不可靠。1900年代当时用的是另一批词:矛盾,二律背反,悖论,基础。
那么当时到底有多少人卷进去了。没有可信的统计。凡是"当时有多少名数学家,其中百分之多少参与了集合论危机"这一类句子都该拒绝,因为没有一份名册可以支持它。
能数的是写下过东西的人。1905年法国那五封信,四个作者。围绕1904年到1906年良序与悖论的公开文章,再加上策梅洛,罗素,儒尔丹,伯恩斯坦,霍布森,哈代,庞加莱,皮亚诺,舍恩弗利斯这些人,很快就是十几位真正写过东西的核心参与者,横跨英法德意。到了1920年代,如果把希尔伯特和布劳威尔那场争论,外尔,伯奈斯,阿克曼,冯诺伊曼,斯科伦全算进来,圈子扩到几十人的专业网络。
几十人的专业网络,是一个数学共同体,却不是整个数学界。
这场争论还有很清楚的地理。意大利那头从皮亚诺学派和巴勒莫的数学会开始。德国最要紧的中心是哥廷根,希尔伯特跟康托尔通信,策梅洛在那里活动。法国的争论走的是法国数学会的出版系统。英国那头,罗素靠1903年那本书和跟儒尔丹,哈代这些人的讨论,把问题带进了英国的数学和哲学圈子。
而耶拿是弗雷格一个人的地方。罗素1902年那封信不是寄进一个成熟的研究所,是寄进一个相当孤立的个人计划。第十四篇讲的那台机器,弗雷格身边一台也没有。
还有一个很醒目的时间点。1936年,符号逻辑学会成立,同一年《符号逻辑杂志》创刊。到这时候这一行才有了自己的国际学会和专门刊物。在此之前,这些文章散在普通数学期刊,哲学期刊,数学会的会刊,专著和私人通信里。这也解释了消息为什么传得那么不均匀:早期最要紧的东西靠的是信件,私人走动和几种综合性刊物,不是一个已经存在的国际逻辑学界。
那么这几十人以外的数学家在干什么。要证明整个数学没有中断,不能靠列几个大定理。可是如果真有一场波及全体的停工,至少应该看得见几样痕迹:研究计划停下来,期刊的议题大幅转向,重要会议集中讨论地基,普通论文大量修改自己的证明标准。这些痕迹找不到。
离爆炸中心最近的分析学,反证反而最强。1897年第一届国际数学家大会上,阿达马和胡尔维茨已经公开为集合论方法在分析里的价值辩护。1900年前后,博雷尔,贝尔,勒贝格正在一路推进点集,函数分类,测度和积分。这些工作没有在1897年停,没有在1901年停,也没有在1902年停。
最值得记住的反差就在这里。同一批法国分析学家,一面在通信里质问策梅洛那条原则,一面继续大量使用康托尔式的集合想法去做分析。争论改变的是他们愿意接受哪一类关于无限的存在论证,不是让勒贝格停下积分论,也不是让博雷尔不做集合了。
到1930年代,这件事已经分成了两层。技术那一层稳住了,集合论经过澄清和加强,成了拓扑,实变函数这些地方的常规工具,每天都在被用。哲学那一层一条也没有全部解决。这场争论在1930年代没有结束,它被安放好了。
连发现悖论的人自己也没有那么紧张。罗素后来给儒尔丹写过一封信,大意说他直到1905年才真正认真去研究布拉利福尔蒂那个矛盾。在那以前他觉得那东西比自己那几行字复杂得多,很可能只是一个技术上能解决的问题,或者得等自己那个矛盾先解决了再说。
顺带说一句那些流传很广的漂亮话。有一句常被引的,说庞加莱讲过后人会把集合论看成一种已经治好了的病。这句话又刻薄又漂亮,所以到处都在用。可是找不到他说过这句话的可靠出处,引用它的书一本接一本,每一本都不说是从哪里来的。
这一类句子的用处是做戏,不是做证据。
八 危机的边界
第二篇处理过一场同名的事,那一场的判词很干净。
那一场的问题是没有纸。没有哪一份古代的记载写着有人因为发现两条线量不到一起而震动,晚出的古代材料确有相关溺亡故事,但没有同时代证据足以据此确立那场普遍的基础危机。那场危机是很晚以后补上去的,而补的理由看得出来:一个结构上的事实没有主角也没有转折,加一个人进去才有主角,加一场崩溃进去才有转折。
这一次不能照抄。
这一次有当时的纸,而且不止一张。弗雷格1902年到1903年的回信和那篇附录,是他自己写的。1905年法国四个人的公开论战,登在数学会的通报上。庞加莱针对这些反常写过文章。策梅洛1908年自己写明,公理化的目标之一就是把矛盾挡在外面。阿达马在1905年的通信里谈到最大序数那个矛盾,大意说:如果这个矛盾竟然是根本的而且治不好,那将是理性主义何等的惨败,跟它比起来康德那些二律背反简直不算什么。到1921年,外尔干脆把"新的基础危机"写进了文章的标题。
这些都是古希腊那一例没有的。所以不能说两次都是后人无中生有。
可是这两次有一个同型的陷阱,而这才是要拆的东西。两次的现代讲法都可能把局部的,长期的,彼此不同的变化,压缩成同一个戏剧结构:一个发现,一场危机,全体震动,新地基诞生。
这一次要拆开的是三层,时间不同,人群不同,争的东西也不同。
1890年代末到1908年,争的是集合论和逻辑里冒出来的那些反常,选择公理,以及公理化该怎么做。1910年代到1920年代,争的范围变大了,是逻辑主义,直觉主义,形式主义关于什么算合法的数学。到1920年代,"危机"才成为当时人自己说出口的一个词,而且是在第三场争论里说出口的。
把这三层压成一层,就会得到那个流传很广的版本: 1902年一封信,数学界从此惊慌。
所以这一篇的判词跟第二篇不一样,而且要四句话才说得完。
危机不是编的。
危机也不是1902年一夜之间发生的。
它对少数几个想给整个数学立地基的人很深,对每天做数学的人影响小得多。
后来被放大的主要是范围和戏剧性,不是那些悖论和那场地基之争本身。
第二篇的判词是那件事没有发生过。这一篇的判词是那件事发生了,但它管的范围比传下来的小得多。这两句话看起来像同一种拆,其实不是。第一种是把一个故事去掉,第二种是把一个真故事的边界重新画一遍。后面这一种更难写,因为它不给读者一个痛快。
拆到这里,有一件正面的东西可以带走,而且它比上面那四句话更耐用。
那三十年真正做成的事,不是治好了一场惊慌。是有人把一句所有人都默认的话找了出来,发现它撑不住,然后把它换掉了。
那句话大意是,一个条件只要说得清楚,合乎它的东西就自动是一堆。
它之所以那么多年没有人怀疑,恰恰因为它太像一句废话。没有人会去查一句废话。它在不少非形式化论述中被当作理所当然;弗雷格则已把相关的值域原则郑重写成公理,因而更明确地承担了它的后果。
出事的地方通常不是那些一看就可疑的地方。是那句谁也没想过要去查的话。
这在这个系列里不是第一次成立。第三篇里那条看起来不像公理的公设,第九篇里那个既是零又不是零的东西,都是被上面的重量压出来才有人回头去看的。这一次重要的是,人们把直觉上的集合形成许可和已经明写的值域原则一并拿来检查,辨明它们到底允许什么,再改写规则。
两条修补的路都走完了,而两边都留下了同一个缺口:谁也没有证明自己这一套里面不会出矛盾。
这个缺口后来被正式当成一项任务提出来。可是在那之前,先有人站出来说了另一句话:你们要保的那个东西,本来就不该保。
数还在往下算,而什么算数学,还没有算清楚过。
一 印到一半的書
1902年六月十六日,一封信從英國寄往耶拿。
寫信的是一個剛滿三十歲的英國人,收信的是一位五十多歲的德國邏輯學家。信的開頭不是挑釁,是恭維。寫信人說他讀了對方的書,評價很高。然後是一個問題,幾行字就問完了。
收信的人叫弗雷格,在耶拿教書。二十年裡他只做一件事。
那件事用家常話說是這樣。一加一等於二,人人從小就會,可是它憑什麼。最省事的回答是數一數就知道。弗雷格不接受這個回答,因為數一數要用眼睛和手,而他想要一個不用眼睛的理由。他相信那個理由可以完全從推理本身長出來,不必借助任何關於這個世界的經驗,也不必借助任何圖。於是他從比數更樸素的東西開始,一步一步把數造出來,再把算術的每一條規矩都從那裡推出來。
這件事他做了二十年。《算術基本定律》第一卷1893年印出來了,第二卷正在印廠裡,快印完了。當時讀他的人不多,羅素是其中之一。
他一看就明白了。
六天以後,六月二十二日,他回了信,大意是這個矛盾讓他極其意外,幾乎可以說是驚惶,然後開始找問題出在哪裡。接著他做了一件不常見的事:他把這件事寫進了那本馬上要出版的書的後面。那段話大意是,一個做學問的人幾乎碰不到比這更不情願碰到的事情,作品已經做完了,才發現自己蓋起來的東西有一塊地基在動。羅素先生來信的時候,第二卷的印刷已經接近完成,而他正碰上這種事。
這個細節比後來流傳的版本好。後來的版本是一封信毀了一個人的一生。當時的實際情形是,書已經在印了,而他把壞消息自己加在了卷末。
這一篇要講的,是這封信後來被講成了什麼,和它實際上做成了什麼。有一個說法很常見: 1902年這封信引爆了一場集合論危機,整個數學界從此對自己的地基失去了信心。這個說法有一半是真的。要緊的是哪一半。
第二篇處理過一場同名的事。那一場的結論很乾淨:古代一句證據都沒有,那場危機是很晚以後補上去的。
這一次不能照抄那個結論。這一次有當時的紙。
二 羅素不是第一個
先把一件事說清楚,因為整個故事的形狀都取決於它。羅素不是第一個看見集合論會出矛盾的人。在他之前至少有三個人,而且每一個的情況都不一樣。
第一個是布拉利福爾蒂。1897年他在巴勒莫數學會的會刊上發表了一篇短文,題目大意是關於超限數的一個問題。文章裡確實推出了一個矛盾,而這個矛盾後來成了今天那條以他名字命名的悖論的原料。
可是他自己當時不是這麼理解的。他在文中區分了自己所謂的完全有序和康托爾的良序,並且認為出毛病的是另一條關於序數能不能互相比較的命題。對他來說,這更像一次歸謬:推出矛盾,說明那條命題不成立。同年十月他還發表了一則更正,改掉了文中的一處錯誤。
所以1897年並沒有出現第一顆炸彈爆炸,全歐洲數學家驚慌這種場面。今天教科書上那條悖論是後來一點一點拼起來的,頭一次被當作悖論印出來,是在羅素1903年那本書裡。而它到1905年初還不是集合論圈子裡普遍關心的問題,要到那一年年底才在英,德,法三國同時變成公開爭論。
第二個是康托爾本人,而這一條最要命,因為它把"羅素第一個發現集合這個念頭會出矛盾"這句話直接推翻了。
從他的通信可以把時間至少推到1896年前後。到1897年,他已經試著跟戴德金討論,並且把所有阿列夫這樣的總體會出的麻煩告訴了希爾伯特。1899年跟戴德金的幾封長信留下了完整得多的版本。
他在信裡提出了一個區分。有些"很多東西"可以被當成一個做完了的整體收起來,他管這叫一致的。另一些,你要是非把它當成一個做完了的整體,就會出矛盾,他管這叫不一致的。
他的辦法不是宣佈自己那套東西破產,而是說:能不能被總括成一個,這本身是成為集合的一個額外條件。矛盾恰好說明,某些定義得很清楚的總體並不是集合。
這句話已經很接近後來的處理了。但不能把後來那套東西倒灌給他。他還沒有一套能正式判定哪些總體一致,哪些不一致的規矩,他只有一個判斷。
他也沒有把這些發表出來。這些內容主要留在通信裡,要到1932年那套全集才進入公開的材料。而那套全集的編者是策梅洛。
第三個就是策梅洛。他後來說,自己獨立於羅素得到了同一類矛盾,而且比羅素早。舊文獻通常給1899年這個日期。這個日期要打一點折扣,因為它主要靠他本人後來的追述。
硬證據是另一樣東西。1981年,胡塞爾1902年的一本筆記被翻了出來,裡面有一段把策梅洛那個版本的矛盾記得很詳細。這至少證明兩件事。在羅素的結果成為公開文字以前,策梅洛的論證已經在德語的學術網裡流通。他絕不是讀了1903年那本書以後才想到的。一個哲學家隨手記下的東西,隔了將近八十年,替一個數學家把日期補了回來。
為什麼幾十年沒人知道。理由很樸素:他沒有及時發表。這個結果主要活在哥廷根的口頭交流,私人通信和筆記本里。第十四篇講過那一層半公開的紙,這正是它的一個例子,也是它的一個反例。東西在圈里傳開了,卻沒有進任何一本可以被引用的書,於是命名權落在了有公開文本的那一邊。
羅素想到那幾行字是在1901年五月,這一點相當可靠,因為有一份標著那個月份的手稿。他寫信給弗雷格是1902年。中間隔了一年多,而常被記成同一年的正是這兩個日期。
所以羅素做的不是第一個看見。他做的是另外兩件事,而這兩件加起來才有後來的效果:他把矛盾壓縮到了幾行字,然後把這幾行字寄給了一個已經把話說死了的人。
三 那幾行字
要看懂那幾行字,先要有一句規矩。這句規矩在當時看起來一點問題也沒有,它甚至不太像一條規矩,更像一句廢話。
只要你能把一個條件說清楚,凡是滿足這個條件的東西,就自動湊成一堆。
凡是紅的東西,湊成一堆。凡是大於三的整數,湊成一堆。凡是我認識的人,湊成一堆。沒有人會對這句話有意見。
現在用它一次。有些堆把自己也收了進去。凡是能用中文說清楚的東西湊成的那一堆,它自己也能用中文說清楚,所以它在自己裡面。有些堆不收自己。凡是紅的東西湊成的那一堆,這一堆本身不是紅的,所以它不在自己裡面。
於是可以造一個條件:不收自己。
按那句規矩,凡是不收自己的堆,也該湊成一堆。就叫它那一堆。
只問一句:那一堆收不收自己。
如果它收自己,那它就是一個收自己的堆。可是它只收不收自己的堆。所以它不該在裡面。
如果它不收自己,那它正好合乎條件。所以它該在裡面。
兩條路都走回自己的反面。
麻煩不在那一堆有多古怪。麻煩在那句規矩。只要那句話還立著,這幾行字隨時可以再寫一遍。
這幾行字比前面那些矛盾都難打發,原因在於它用到的東西太少。布拉利福爾蒂那個矛盾,要先有一整套關於序數的理論才推得出來。康托爾那個,要先知道一堆東西的所有子集收在一起會比原來那堆更大。羅素這個什麼都不要。只要你承認開頭那句廢話,它就成立。
康托爾遇到這類東西的時候可以脫身。他能說那些大得過分的總體根本不算集合,因為他那套東西不是一個寫死的形式體系,他有回旋餘地。弗雷格沒有。弗雷格體系中的基本定律V是關於值域相等的正式法則,並不是現代集合概括原則的原句;但它與體系中的概念形成和邏輯規則合用,足以推出相應的矛盾。羅素可以站在他的體系裡面,把矛盾推出來。
還有一處時代錯位要說一句。今天順手說的是集合,而羅素和弗雷格當時用的詞是類,概念,概念的外延,跟現在說的集合不完全是一回事。用集合去講講得清楚,但那是一次現代化的轉述。
接下來的三十年,很大一部分力氣花在同一件事上:怎麼把那句規矩換掉,而不把有用的東西一起扔掉。
四 弗雷格沒有垮
先拆第一個說法,因為它流傳最廣。那個說法是:一封信毀了弗雷格的一生,他從此精神崩潰,再也沒做出什麼東西。
前半句的技術部分是真的。他立刻明白了問題有多重,也立刻動手修。第二卷卷末的附錄里他提了一個補丁,而那個補丁救不回原來的體系,這一點後來看得很清楚。他想從邏輯單獨推出算術的那個具體方案,確實完了。
後半句不是從材料裡推出來的。
1903年以後他沒有退出。他繼續在耶拿教書。1903年到1917年之間他還發表過多篇文章,包括1904年那篇談函數的,還在繼續跟希爾伯特爭論幾何的地基該怎麼立。退休以後,他1918年發表《思想》,隨後又發表《否定》和《思想結構》。這幾篇到今天仍然是邏輯和語言哲學里要讀的東西。
晚年確實變了立場。他顯然不再能用原來那套基本法則完成原來的計劃。1920年代的未刊殘稿顯示,他在重新考慮數學知識究竟從哪裡來,試著從幾何和直觀那一頭去找算術的根。但一兩頁遺稿撐不起一次突然改宗。能說的是兩句,一句比一句窄。
羅素的矛盾摧毀了弗雷格已經出版的那套算術基礎方案。
它沒有摧毀弗雷格。
可是這裡不能順勢松一口氣。卷末那段話是他自己寫的,印在自己的書後面,不是後人替他編的情緒。一個人可以繼續教書,繼續寫文章,繼續活二十年,同時承認自己蓋了二十年的那樣東西有一塊地基在動。這兩件事並不互相取消。後面還會碰到同一種為難:能證明某個人沒有垮掉,不等於能證明什麼都沒發生。
還有一件跟紙有關的事值得記一筆。羅素和弗雷格1902年到1904年一直有通信,不只是那著名的第一封。羅素這邊保存了弗雷格來信的照相複製件,所以即使有些原件的傳承很複雜,通信的內容仍然能重建。
弗雷格的遺稿就沒有這麼幸運。它主要靠一位邏輯史家留下的抄本和複製材料傳下來,中間還經歷過戰爭和搬遷造成的損失。今天能看到的那一批,已經不是當初的原樣。
所以1902年這件事不是靠幾十年以後的回憶重建的。那幾封關鍵的信就是當時的紙,這也是為什麼日期和先後可以說得這麼死。
五 四個法國人吵架
1904年,策梅洛證明了一句康托爾主張了很多年卻一直沒證出來的話。爭論立刻就起來了,而且比悖論本身鬧得還大。
先說那句話是什麼。自然數有一個很樸素的性質:隨便從裡面挑出一個非空子集,其中總有最小的一個。一,二,三這樣數下去,任何一段都有開頭。
實數就沒有這個性質。大於零的實數里沒有最小的一個。你說出任何一個,總還有更小的,而且還大於零。
康托爾主張的是:即使像實數這樣的東西,也存在某一種排法,排過以後那個性質就有了。隨便挑出一個非空子集,裡面都有一個最先的。他說了很多年,沒有證出來。
1904年策梅洛證出來了。他用的辦法是:從每一堆東西里各挑一個出來。
這句話就是後來所謂的選擇公理。它引來的反對不是一種,而是好幾種,每一種都有自己的道理。
一種意見說,策梅洛講從每一堆里挑一個,可是沒有講怎麼挑。於是這個證明像是在談一個既沒有規則也沒有定義的東西。另一種意見擔心的是,這種大規模的同時挑本身,恰恰就是造出集合論那些反常的那一類危險動作。龐加萊擔心的是第三件事:定義一個東西的時候,有沒有偷偷用到一個把這個東西也包在裡面的整體。皮亞諾的反對帶著體系立場:如果這條原則不能從他承認的那些形式原則推出來,憑什麼把它當作合法的推理。
法國那幾位尤其要分開寫,因為他們常常被當成一伙。1905年,四個人的通信以《關於集合論的五封信》為名登在法國數學會的通報上。四個人是貝爾,博雷爾,阿達馬,勒貝格。
博雷爾的意見是:這個證明沒有給出一條實際的挑法,排出來的那個順序也沒有被具體寫出來。他的立場接近一句話:宣稱有一個東西,跟明確給出一個能把它定下來的辦法,不是一回事。
貝爾大體站在博雷爾那一邊,但不是複製。他對無限次的挑尤其小心,想分開兩種情形:一種是數學上真能一步一步抓住的挑法,另一種是乾脆假定整個無限次的挑已經做完了。把他寫成反對一切選擇原則太重了。這幾位法國分析學家自己早年的工作里,有時候已經暗用了某些較弱形式的選擇。
勒貝格最接近"存在得帶著某種能被指定的性質"這個立場。他不願意把"存在一個函數"跟"至少能說出它是什麼"完全分開。他本人那幾年正在測度和可定義集合這些問題的正中心,所以這不是哲學上的附會,是他每天在做的事。
阿達馬站在另一邊。他認為真正的區別不是挑有限個,可數個還是不可數個,而是有沒有錯把"存在"跟"唯一地,明確地描述出來"當成同一個要求。在他看來,數學完全可以證明一個東西存在,而不必隨即給出一條能把它寫出來的規則。1905年那批通信裡,他是這條原則最有力的辯護者。
所以"法國數學家反對選擇公理"這句話是錯的。四個人里有一個是這條原則的辯護者,反對的那三個各有各的理由,而且理由之間並不一致。
真正讓當時的人不舒服的,也不是結論聽起來奇怪,是證明和展示之間裂開了一道口子。最典型的例子就是實數。策梅洛能證明它存在某一種排法,卻完全沒有給出那種排法長什麼樣。對於剛剛把可定義性,可測性,具體函數這些問題帶進現代分析的人來說,這種"我證明有,但不告訴你它是哪一個"的存在觀非常刺眼。
第十三篇的結尾停在這個字上。1874年的結果提供了大小比較的存在推論,但原文區間程序也能構造漏列實數;1904年的良序證明則更直接地把存在與展示具體排序的要求分開。日常語言裡"有"只有一個意思,因為日常生活裡那個東西真的能拿出來。
到1905年,這個差別已經不是一句可以被繞過去的感想了。它變成了四個人在通信裡正面吵的東西,而且吵的是同一個問題:在數學上說一樣東西存在,到底需要什麼資格。
六 換掉那句規矩
1908年,策梅洛發表了一套公理。他把自己要幹什麼寫得很坦白:一方面把集合怎麼形成這件事限制住,限制到足以把已知的矛盾擋在外面,另一方面盡量保住康托爾那套東西里有價值的部分。
關鍵的一步不是找到一個安全的集合定義。關鍵的一步是把那句寬松的規矩取消掉。
新的做法是這樣:你不能說凡是合乎某個條件的一切東西自動成一堆。你只能從一個已經給定的堆里,把合乎條件的挑出來,另成一堆。
於是羅素那幾行字寫不下去了。那幾行字需要一個能把天下所有東西一次收齊的大堆,好讓"凡是不收自己的"有地方可挑。這樣的大堆沒有了。策梅洛自己特意說明過,給定任何一堆,從裡面挑出不屬於自身的那些,不會出矛盾。反過來,這個做法恰好可以證明,不存在一個裝得下一切的萬能集合。
他很清楚自己沒有做到另一件事。
1908年他的說法很克制:已知的那些悖論,在這套限制下造不出來。他沒有說這套東西裡面不會再出別的矛盾。後來的轉述常常把這句話寫成策梅洛證明了集合論沒有矛盾,那句話不成立,而且差得很遠。
接受的過程也不是一步到位。他那套東西繼續被挑毛病,最集中的一處是他講的"確定的性質"到底允許什麼,寫得不夠死。1920年代,弗蘭克爾和斯科倫分別指出原來那套在造較高層次的集合時不夠用,推動加進了後來所謂的替換原則。斯科倫又把"確定的性質"明確用一階公式來處理。弗蘭克爾1922年前後提出替換的想法,斯科倫的工作同年在赫爾辛基的斯堪的納維亞數學家大會上講過,第二年發表。策梅洛起初並不完全贊同這些改動,後來接受了替換, 1930年他自己的新公理化里用了相應的形式。
所以今天那套掛著兩個人名字的公理系統,不是1908年一篇文章一次寫成的。它是二十多年不斷修補不斷澄清的結果,而且第三個人的貢獻沒有進名字。
羅素那邊走的是另一條路。1903年那本書裡已經有一個比較早,比較簡單的分層想法。到1908年那篇文章,才形成後來所謂的分支類型論。然後它進了1910年到1913年他和懷特海合寫的那三卷《數學原理》。
辦法是這樣:不再允許一個說法毫無限制地作用在跟它同一層的東西上。對象是一層,關於對象的性質是另一層,關於這些性質的性質又是一層。後來他又在層之上加了一套"階"的限制。於是造出羅素那幾行字的那種自指組合,根本不能合法地寫出來。
代價很大。為了擋住循環,層級搞得非常繁復,而這些限制同時也把許多普通數學裡習慣用的定義一並擋住了。為了把足夠豐富的經典數學重新拿回來,羅素和懷特海不得不加進一條額外的假設,叫可約公理。
這條假設一加,原來的計劃就有了裂縫。目標本來是把數學只從邏輯推出來。為了把日常數學撈回來,卻必須加一條看上去並不像純邏輯真理的強假設。
兩條路,兩個價錢。
策梅洛這邊的價錢是,集合論不再是"凡能說清楚的都成一堆"那樣自然的東西了,它變成一套得先寫下來的規矩。羅素那邊的價錢是,為了把數學撈回來,得承認一條並不純粹的假設。
選擇公理後來的處境也值得看一眼。到1930年代它已經越來越常用,但還沒有拿到後來那種不必說明的默認地位。當時有一個帶著禮數的做法:一條定理如果用到了選擇公理,會明說出來。哲學上的異議並沒有消失,只是被放進了一個可以被標注的位置。這是一種很實用的處理,不解決分歧,只要求把分歧標出來。
而兩邊都沒有做到同一件事:證明自己這一套裡面不會出矛盾。
七 危機這個詞
現在可以回到那個詞了。1921年,外爾發表了一篇文章,題目直接就是《論數學的新基礎危機》,登在《數學雜誌》第十卷。標題上寫著這幾個字,這就是最硬的證據。
有兩件事要在這裡看清楚。第一,這是1921年,不是1901年,也不是1902年,中間隔了將近二十年。第二,他寫的是"新的"基礎危機。這篇文章的直接背景不是羅素那幾行字,是布勞威爾對經典數學和傳統邏輯原則的挑戰,那場爭論下一篇要單講。
所以把1921年這個標題倒貼回1901年,寫成"羅素一髮現悖論,數學界當即把它叫做集合論危機",不可靠。1900年代當時用的是另一批詞:矛盾,二律背反,悖論,基礎。
那麼當時到底有多少人卷進去了。沒有可信的統計。凡是"當時有多少名數學家,其中百分之多少參與了集合論危機"這一類句子都該拒絕,因為沒有一份名冊可以支持它。
能數的是寫下過東西的人。1905年法國那五封信,四個作者。圍繞1904年到1906年良序與悖論的公開文章,再加上策梅洛,羅素,儒爾丹,伯恩斯坦,霍布森,哈代,龐加萊,皮亞諾,捨恩弗利斯這些人,很快就是十幾位真正寫過東西的核心參與者,橫跨英法德意。到了1920年代,如果把希爾伯特和布勞威爾那場爭論,外爾,伯奈斯,阿克曼,馮諾伊曼,斯科倫全算進來,圈子擴到幾十人的專業網絡。
幾十人的專業網絡,是一個數學共同體,卻不是整個數學界。
這場爭論還有很清楚的地理。意大利那頭從皮亞諾學派和巴勒莫的數學會開始。德國最要緊的中心是哥廷根,希爾伯特跟康托爾通信,策梅洛在那裡活動。法國的爭論走的是法國數學會的出版系統。英國那頭,羅素靠1903年那本書和跟儒爾丹,哈代這些人的討論,把問題帶進了英國的數學和哲學圈子。
而耶拿是弗雷格一個人的地方。羅素1902年那封信不是寄進一個成熟的研究所,是寄進一個相當孤立的個人計劃。第十四篇講的那台機器,弗雷格身邊一台也沒有。
還有一個很醒目的時間點。1936年,符號邏輯學會成立,同一年《符號邏輯雜誌》創刊。到這時候這一行才有了自己的國際學會和專門刊物。在此之前,這些文章散在普通數學期刊,哲學期刊,數學會的會刊,專著和私人通信裡。這也解釋了消息為什麼傳得那麼不均勻:早期最要緊的東西靠的是信件,私人走動和幾種綜合性刊物,不是一個已經存在的國際邏輯學界。
那麼這幾十人以外的數學家在幹什麼。要證明整個數學沒有中斷,不能靠列幾個大定理。可是如果真有一場波及全體的停工,至少應該看得見幾樣痕跡:研究計劃停下來,期刊的議題大幅轉向,重要會議集中討論地基,普通論文大量修改自己的證明標準。這些痕跡找不到。
離爆炸中心最近的分析學,反證反而最強。1897年第一屆國際數學家大會上,阿達馬和胡爾維茨已經公開為集合論方法在分析裡的價值辯護。1900年前後,博雷爾,貝爾,勒貝格正在一路推進點集,函數分類,測度和積分。這些工作沒有在1897年停,沒有在1901年停,也沒有在1902年停。
最值得記住的反差就在這裡。同一批法國分析學家,一面在通信裡質問策梅洛那條原則,一面繼續大量使用康托爾式的集合想法去做分析。爭論改變的是他們願意接受哪一類關於無限的存在論證,不是讓勒貝格停下積分論,也不是讓博雷爾不做集合了。
到1930年代,這件事已經分成了兩層。技術那一層穩住了,集合論經過澄清和加強,成了拓撲,實變函數這些地方的常規工具,每天都在被用。哲學那一層一條也沒有全部解決。這場爭論在1930年代沒有結束,它被安放好了。
連發現悖論的人自己也沒有那麼緊張。羅素後來給儒爾丹寫過一封信,大意說他直到1905年才真正認真去研究布拉利福爾蒂那個矛盾。在那以前他覺得那東西比自己那幾行字複雜得多,很可能只是一個技術上能解決的問題,或者得等自己那個矛盾先解決了再說。
順帶說一句那些流傳很廣的漂亮話。有一句常被引的,說龐加萊講過後人會把集合論看成一種已經治好了的病。這句話又刻薄又漂亮,所以到處都在用。可是找不到他說過這句話的可靠出處,引用它的書一本接一本,每一本都不說是從哪裡來的。
這一類句子的用處是做戲,不是做證據。
八 危機的邊界
第二篇處理過一場同名的事,那一場的判詞很乾淨。
那一場的問題是沒有紙。沒有哪一份古代的記載寫著有人因為發現兩條線量不到一起而震動,晚出的古代材料確有相關溺亡故事,但沒有同時代證據足以據此確立那場普遍的基礎危機。那場危機是很晚以後補上去的,而補的理由看得出來:一個結構上的事實沒有主角也沒有轉折,加一個人進去才有主角,加一場崩潰進去才有轉折。
這一次不能照抄。
這一次有當時的紙,而且不止一張。弗雷格1902年到1903年的回信和那篇附錄,是他自己寫的。1905年法國四個人的公開論戰,登在數學會的通報上。龐加萊針對這些反常寫過文章。策梅洛1908年自己寫明,公理化的目標之一就是把矛盾擋在外面。阿達馬在1905年的通信裡談到最大序數那個矛盾,大意說:如果這個矛盾竟然是根本的而且治不好,那將是理性主義何等的慘敗,跟它比起來康德那些二律背反簡直不算什麼。到1921年,外爾乾脆把"新的基礎危機"寫進了文章的標題。
這些都是古希臘那一例沒有的。所以不能說兩次都是後人無中生有。
可是這兩次有一個同型的陷阱,而這才是要拆的東西。兩次的現代講法都可能把局部的,長期的,彼此不同的變化,壓縮成同一個戲劇結構:一個發現,一場危機,全體震動,新地基誕生。
這一次要拆開的是三層,時間不同,人群不同,爭的東西也不同。
1890年代末到1908年,爭的是集合論和邏輯里冒出來的那些反常,選擇公理,以及公理化該怎麼做。1910年代到1920年代,爭的範圍變大了,是邏輯主義,直覺主義,形式主義關於什麼算合法的數學。到1920年代,"危機"才成為當時人自己說出口的一個詞,而且是在第三場爭論里說出口的。
把這三層壓成一層,就會得到那個流傳很廣的版本: 1902年一封信,數學界從此驚慌。
所以這一篇的判詞跟第二篇不一樣,而且要四句話才說得完。
危機不是編的。
危機也不是1902年一夜之間發生的。
它對少數幾個想給整個數學立地基的人很深,對每天做數學的人影響小得多。
後來被放大的主要是範圍和戲劇性,不是那些悖論和那場地基之爭本身。
第二篇的判詞是那件事沒有發生過。這一篇的判詞是那件事發生了,但它管的範圍比傳下來的小得多。這兩句話看起來像同一種拆,其實不是。第一種是把一個故事去掉,第二種是把一個真故事的邊界重新畫一遍。後面這一種更難寫,因為它不給讀者一個痛快。
拆到這裡,有一件正面的東西可以帶走,而且它比上面那四句話更耐用。
那三十年真正做成的事,不是治好了一場驚慌。是有人把一句所有人都默認的話找了出來,發現它撐不住,然後把它換掉了。
那句話大意是,一個條件只要說得清楚,合乎它的東西就自動是一堆。
它之所以那麼多年沒有人懷疑,恰恰因為它太像一句廢話。沒有人會去查一句廢話。它在不少非形式化論述中被當作理所當然;弗雷格則已把相關的值域原則鄭重寫成公理,因而更明確地承擔了它的後果。
出事的地方通常不是那些一看就可疑的地方。是那句誰也沒想過要去查的話。
這在這個系列裡不是第一次成立。第三篇裡那條看起來不像公理的公設,第九篇裡那個既是零又不是零的東西,都是被上面的重量壓出來才有人回頭去看的。這一次重要的是,人們把直覺上的集合形成許可和已經明寫的值域原則一並拿來檢查,辨明它們到底允許什麼,再改寫規則。
兩條修補的路都走完了,而兩邊都留下了同一個缺口:誰也沒有證明自己這一套裡面不會出矛盾。
這個缺口後來被正式當成一項任務提出來。可是在那之前,先有人站出來說了另一句話:你們要保的那個東西,本來就不該保。
數還在往下算,而什麼算數學,還沒有算清楚過。
Sources and further reading史料与延伸阅读史料與延伸閱讀
Selected references for historical details and interpretive disputes. Museum records, ancient literary accounts and modern reconstructions do not carry the same kind of evidence.
以下资料对应文中的历史细节与解释分歧。馆藏记录、古代文学与现代重建,不是同一种证据。
以下資料對應文中的歷史細節與解釋分歧。館藏記錄、古代文學與現代重建,不是同一種證據。
- McMaster Russell Archives: Russell to Frege, 16 June 1902麦克马斯特罗素档案:1902年6月16日致弗雷格麥克馬斯特羅素檔案:1902年6月16日致弗雷格
- Baire, Borel, Hadamard, Lebesgue, Five Letters on Set Theory (1905)贝尔博雷尔阿达马勒贝格《集合论五封信》原刊貝爾博雷爾阿達馬勒貝格《集合論五封信》原刊
- Zermelo, Investigations in the Foundations of Set Theory (1908)策梅洛1908集合论基础研究原刊策梅洛1908集合論基礎研究原刊
- Weyl, On the New Foundational Crisis of Mathematics (1921)外尔1921《数学的新基础危机》原刊外爾1921《數學的新基礎危機》原刊
- Stanford Encyclopedia, Russell's Paradox斯坦福哲学百科:罗素悖论斯坦福哲學百科:羅素悖論
- Set theory in France before the crisis of 19051905危机之前法国的集合论研究1905危機之前法國的集合論研究