A HUMAN HISTORY OF MATHEMATICS凿构周期律 · 数学鑿構週期律 · 數學 · 17 / 25
Arithmetic Talks about Itself
让算术谈论算术自身
讓算術談論算術自身
By coding formulas and proofs as numbers, Gödel made exact limits of formal arithmetic visible. The force of those limits lies in their qualifications, not in removing them.
哥德尔把公式与证明编进自然数,精确划出形式算术自证的边界。那些边界不是理性的破产,也不是所有被叫作系统的东西的宿命。
哥德爾把公式與證明編進自然數,精確划出形式算術自證的邊界。那些邊界不是理性的破產,也不是所有被叫作系統的東西的宿命。
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1. One Day Apart
On 7 September 1930, in Königsberg, a twenty-four-year-old mathematician made a brief intervention in the final discussion of a conference. No special session had been arranged for his discovery. The announcement emerged at the end of a meeting devoted to the epistemology of the exact sciences.
The conference, held from 5 to 7 September with Kurt Reidemeister among its organizers, brought together questions about mathematical foundations and the philosophical problems raised by quantum theory. Its foundational program deliberately placed different positions alongside one another. Rudolf Carnap presented logicism, Arend Heyting intuitionism, John von Neumann Hilbert's approach, and Friedrich Waismann a position shaped by Wittgenstein. Hans Hahn participated and chaired the concluding foundational discussion.
Kurt Gödel's scheduled lecture concerned a different result: the completeness of first-order logic, proved in his doctoral work the previous year. That was an affirmative achievement. Roughly, whatever follows logically from first-order assumptions in every model can be derived by the appropriate formal rules.
His final-day intervention announced a limit of another kind. Suitable formal systems for arithmetic could leave sentences undecided: neither a sentence nor its negation would be derivable within the system. The published record included a supplementary explanation of his brief remarks.
The next day, elsewhere in the same city, David Hilbert addressed the Society of German Natural Scientists and Physicians. His lecture concerned the knowledge of nature and logic. At sixty-eight, he concluded with the confident declaration that we must know and shall know. He rejected an in-principle surrender to permanent ignorance. The lecture survives in print, and a radio version of its concluding passage was recorded soon afterward.
The calendar places the events one day apart, Gödel first and Hilbert second. It is an irresistible arrangement for a historical scene: the elderly master proclaims unlimited confidence after the young logician has already refuted him.
But the scene adds connections that the dates cannot establish. There is no dependable evidence that Hilbert knew of Gödel's intervention before delivering his address, still less that his conclusion was a reply to it. The address had its own context and purpose. Sharing a city during adjacent meetings does not establish a conversation.
More importantly, a broad conviction about the future of mathematical and scientific knowledge is not the logical negation of a theorem about derivability in a specified formal theory. Gödel's result imposed an exact restriction; it did not prove that inquiry as a whole must encounter a final impassable wall.
Even the apparent collision between Gödel's two results disappears once “complete” is disambiguated. A complete logical calculus derives every consequence valid in all models of its assumptions. A complete theory decides every sentence in its language. The former does not guarantee the latter: the assumptions can have models that disagree about a sentence.
The dates are striking enough without an invented confrontation. What followed became one of the most frequently borrowed results in the history of mathematics. Much of what people borrow from it is not what it says.
2. The Guarantee Hilbert Wanted
The preceding essay distinguished two levels in Hilbert's program. One consisted of finite, directly surveyable mathematical activity: numerical signs, finite strings, and operations whose individual steps could be inspected. The other contained the ideal resources of classical mathematics, including reasoning over infinite domains.
Those ideal resources were not detachable ornaments. They belonged to the analysis developed since the seventeenth century, to the infinite sets discussed earlier in this series, and to the axiomatic theories designed to control them. Most mathematicians were unwilling to discard that work in response to constructive objections.
Hilbert proposed a guarantee instead. Formalize the larger mathematics, then use securely acceptable methods to establish that it cannot produce a contradiction.
A contradiction here is not simply a wrong numerical answer. It is the derivability of both a sentence and its negation. In classical logic, that would permit the derivation of any sentence whatsoever. A theory capable of proving everything would cease to distinguish mathematical conclusions from their opposites.
The proposed consistency proof was therefore not a particularly thorough inspection of published calculations. It was to establish something about every possible formal proof in the system, including proofs no one would ever write down. In an appropriate arithmetic formulation, there would be no proof of an explicit absurdity such as zero equals one.
Moreover, the guarantee was to be obtained without simply borrowing the disputed methods whose legitimacy it was intended to secure. A proof of consistency that required stronger commitments might still be valuable, but it would not fulfill the original foundational ambition.
Put this way, the question can appear modest. Instead of settling the metaphysical existence of mathematical objects, it asks whether specified rules can ever produce a specified contradiction. Yet the quantification over all possible proofs makes that modest-looking request substantial.
Hilbert remained hopeful in the later 1920s. Wilhelm Ackermann and others had developed important consistency arguments, but some claims to cover full arithmetic exceeded what the methods actually established. Parts of the work survived for restricted systems; the ambitious general guarantee did not follow.
Gödel's discovery entered this problem from a direction that at first looks surprising. Formal proofs are finite configurations of symbols. If their finite structure can itself be represented by arithmetic, then arithmetic can express claims about what those proofs do.
The protective division between mathematics and the mathematical study of its proofs would not vanish. But the two levels would become connected in a precisely controlled way. It is that connection, rather than a vague paradox about self-reference, that made the limitation possible.
3. Turning Syntax into Numbers
An ordinary formal theory of arithmetic talks about natural numbers, addition, multiplication, and relations between numbers. A statement such as one plus one equals two belongs to that language.
Someone studying the theory from outside can make different statements: this string is a formula; this line is an axiom; these lines constitute a proof; the final formula is derivable from the axioms. Such statements belong to metamathematics. Their immediate subject is the formal system rather than the numbers the system usually describes.
Gödel's central move was to represent enough of that second subject inside the first.
Assign a number to each basic symbol. Then encode each finite string of symbols by a number. Encode finite sequences of formulas in turn, so that a candidate proof also has a numerical code. The exact coding scheme is not sacred; later presentations use many alternatives. What matters is that the necessary encoding, decoding, and manipulation can be performed effectively and represented by elementary arithmetic.
No information is meant to disappear in the translation. A suitable code can be unpacked to recover the finite object it names. The immense size of the resulting numbers is irrelevant. The issue is not whether we would enjoy calculating them by hand, but whether their formal relationships can be established.
Now the claim that a string is a formula becomes a property of its code. The claim that a coded sequence is a correct proof ending in a particular formula becomes a relation between two numbers.
For an effectively enumerable axiomatization, one must take a little care. An arbitrary axiom may not be decidably recognizable merely by looking at it. Proofs can instead carry finite certificates recording where purported axioms appear in the effective enumeration. Checking the augmented finite proof is then a mechanical task. The distinction prevents “effectively given” from quietly becoming a stronger condition than necessary.
A sufficiently expressive arithmetic can represent the relevant checks. It still speaks only about numbers. Some of those numbers, however, also name formulas and proofs. A numerical sentence can consequently express that there exists a code for a proof of another sentence, or that no number codes such a proof.
The final device concerns substitution. The operation of placing the numeral for a formula's own code into a suitable formula can itself be represented arithmetically. By arranging this operation carefully, one obtains a sentence associated with the assertion that there is no proof of that very sentence in the selected theory.
The classroom slogan is that the sentence says it is unprovable. That is a useful gloss, not its literal wording. The formal sentence contains arithmetical relations, not an English pronoun pointing mysteriously back to itself.
It also differs decisively from “This sentence is false.” A truth predicate of that unrestricted sort is not what Gödel installs inside arithmetic. Provability in a specified formal system is represented through the checkable structure of finite proofs. The resulting statement can be unprovable without forcing a contradiction in a consistent system.
Nothing in this construction gives arithmetic consciousness. Numbers do not begin reflecting on their identities. Finite syntax has been encoded as arithmetic, allowing some claims previously made outside the formal system to be expressed inside it.
The title of this essay names that technical achievement. Arithmetic talks about itself only in the sense that arithmetic can represent the formulas and proofs through which arithmetic is conducted.
4. Three Conditions, and Two Versions
Gödel's paper appeared in 1931 in volume 38 of Monatshefte für Mathematik und Physik, on pages 173–198. The manuscript was received on 17 November 1930. Its title announced formally undecidable propositions of Principia Mathematica and related systems, followed by a Roman numeral I.
Principia Mathematica meant Whitehead and Russell's work, not mathematical principles in general. “Related systems” indicated the wider reach of the argument. The unfinished numbering records an intended continuation; no second installment appeared in the originally planned form.
A common modern statement of the first incompleteness theorem says that a consistent, effectively axiomatizable theory containing or suitably interpreting enough elementary arithmetic cannot be syntactically complete. There will be a sentence of its language for which neither it nor its negation is a theorem.
Each qualification does work.
Consistency excludes a classical theory that already proves everything. Such a theory has no independent sentence in the required sense. Incompleteness is not the claim that contradiction and independence always coexist. It is the surprising result that avoiding contradiction does not guarantee the capacity to decide every sentence.
Effective axiomatizability excludes an inaccessible stockpile of all the answers. The axioms may be effectively enumerable; one need not demand a decision procedure recognizing each axiom in its original presentation. With an appropriate proof representation, the formal theorems can then be enumerated effectively.
Consider, by contrast, the set of every arithmetic sentence true in the standard natural numbers. Taken as a theory, it decides every arithmetic sentence correctly. But it is not effectively axiomatizable. Describing that set in a sentence does not give an effective procedure that lists exactly its members.
The arithmetic-strength condition makes it possible to represent the finite syntax and computations required by the argument. No calculus or advanced analysis is necessary. The threshold is surprisingly low. It must nevertheless be specified mathematically, for example through extending or appropriately interpreting a suitable elementary arithmetic; merely saying that a theory “uses numbers” is not enough.
The modern formulation also differs from Gödel's original proof. For his particular undecidable sentence, Gödel assumed omega-consistency to establish that neither the sentence nor its negation was derivable. Ordinary consistency suffices for one direction of that original argument, but not for the full two-sided conclusion about that same sentence.
In 1936 J. Barkley Rosser altered the construction and obtained two-sided incompleteness from ordinary consistency. The familiar textbook theorem thus incorporates a later strengthening, not just a change in terminology.
Truth requires a further distinction, though it need not remain mysterious. For the usual Gödel sentence, the external consistency of the theory suffices to show that the sentence is true in the standard natural numbers: it correctly asserts the absence of a proof of itself. One does not need to assume that every theorem of the theory is true to establish this particular fact.
But “true in the standard natural numbers” is an interpretation made outside the theory, with the relevant consistency assumption in hand. It is not the assertion that human beings possess an unconditional ability to recognize every such truth. Nor is any sentence independent of a theory automatically the privileged example one should call true.
The basic syntactic conclusion remains exact: this sentence cannot be decided by this theory. Moving from that conclusion to claims about absolute knowledge requires additional premises, not greater enthusiasm.
5. Three Days
The second incompleteness theorem concerns the theory's own consistency statement. In its familiar application, a consistent, effectively axiomatized arithmetic theory sufficiently strong for the requisite internal reasoning cannot prove its own standard arithmetical consistency assertion.
“Standard” matters. The theorem uses an appropriate representation of proof and a provability predicate satisfying the relevant derivability conditions. It does not forbid every formula someone might label “I am consistent,” regardless of how that formula is manufactured.
“Own” matters too. The theorem does not prohibit all consistency proofs. A stronger theory can establish the consistency of a weaker one. It blocks a particular self-certification: under the stated conditions, the theory cannot use its own formal resources to prove the standard assertion that no proof of contradiction exists in it.
Gentzen's 1936 consistency proof for Peano arithmetic illustrates the difference. It employed transfinite induction through an ordinal notation system reaching epsilon-zero. The required general justification is not available within Peano arithmetic itself. Relative to suitable additional principles, arithmetic's consistency can be established. That is not an escape from Gödel's theorem but a case fully compatible with it.
The consequence for Hilbert's original program needs another premise. If the finitary methods permitted for the foundational guarantee are all formalizable within the arithmetic being secured, then such a finitary guarantee would yield the forbidden internal consistency proof.
Whether the accepted notion of finitary reasoning had been captured was itself under discussion. In January 1931 Bernays wrote cautiously to Gödel: von Neumann treated the formalizability of all finitary reasoning as settled, while Bernays and Gödel did not yet regard it that way. During the following years the standard interpretation became that the traditional finitary methods were indeed formalizable within arithmetic.
The historical response was therefore neither a single instantaneous surrender nor a uniform refusal to see the difficulty. Von Neumann drew a sharply negative conclusion early; Bernays and Gödel initially left more room for examining the finitary standpoint. Describing all participants as having announced the death of the program at once would erase this difference.
The program's most ambitious goal was blocked under the accepted understanding of its means. Its technical tradition was not extinguished. Formal proof analysis, elimination procedures, comparisons of strength, and relative consistency results continued to grow.
Von Neumann's part is documented with unusual precision. After the Königsberg discussion, he pursued the implications of Gödel's result. On 20 November 1930 he wrote to Gödel reporting the consequence that a sufficiently strong consistent theory could not establish its own consistency in the relevant internal form.
Gödel's manuscript had already reached the journal on 17 November and included the result.
The three days establish that Gödel did not add the result in response to von Neumann's letter. They do not cancel von Neumann's independent discovery. The accurate distinction is between Gödel's priority in the submitted paper and von Neumann's independently obtaining the same consequence, with knowledge of the first theorem. The dated submission and letter do not identify the exact day on which either man first reached it.
Similarly, the appealing statement that von Neumann was the only person in the room who understood Gödel outruns the evidence. His rapid grasp of a deep consequence is exceptionally well documented. There is no comparable inventory of what every other participant understood at that moment.
Priority can be established from manuscripts and dated letters. Everyone else's private comprehension cannot be reconstructed simply from the fact that one unusually illuminating letter survived.
6. How the News Traveled
Gödel did not mail his paper out of intellectual isolation. Vienna provided overlapping networks through which the result could circulate.
At the university, Hans Hahn supervised his work and connected mathematical logic with foundational and philosophical discussion. Gödel attended Carnap's teaching and participated in the discussions around Moritz Schlick. Participation in the Vienna Circle's conversations did not make his philosophy identical to its members' positions. His later mathematical realism stood far from Carnap's outlook.
Karl Menger's mathematical colloquium supplied another setting. It overlapped with the philosophical network without being the same institution. Its discussions and published proceedings provided venues for mathematical exchange, including later short papers by Gödel. Seminars, personal conversations, conferences, and journals formed connected routes rather than competing explanations of how the discovery became known.
The early dates separate different kinds of communication. On 26 August 1930 Gödel disclosed the result in conversation with Carnap and colleagues in Vienna. On 7 September he mentioned it publicly in the Königsberg discussion. The paper was submitted in November and published in 1931. Private disclosure, conference announcement, submission, and publication are not interchangeable meanings of “first announced.”
The date on which Hilbert himself first learned of the theorem is less securely fixed. Correspondence among Gödel, von Neumann, and Bernays shows the result reaching Hilbert's circle quickly. It does not establish exactly when Hilbert heard it, read it, or understood each consequence.
No documented direct exchange between Hilbert and Gödel on the matter provides the missing scene. Accounts of Hilbert's anger derive from Bernays's much later recollections, not from a diary written on the day of the announcement. Such recollections have historical value, but they are not contemporaneous access to his expression.
Hilbert's own public traces are less theatrical. His preface to the first volume of Grundlagen der Mathematik in 1934 commented on the foundational situation while maintaining confidence in revised approaches. The second volume, published in 1939 and principally developed by Bernays, systematically incorporated the incompleteness results.
Later narration is especially tempted to supply a defeated expression where the archive supplies only an eventual paragraph. The paragraph is the evidence.
Reception elsewhere combined understanding, resistance, and misunderstanding. Zermelo's correspondence with Gödel provides a prominent example of objections requiring clarification. Misreading an argument, disputing its philosophical interpretation, and challenging its metamathematical assumptions are different activities. None should automatically be described as the discovery of a mathematical error in the theorem.
Gödel's Princeton lectures in 1933–1934 and the work of Church, Kleene, Rosser, and others helped place the result within a rapidly developing theory of effective computation and formal proof. By the middle of the decade, its mathematical core was becoming standard knowledge among specialists in the new logical community.
Its cultural interpretation followed a much slower timetable. A result may be technically understood while its philosophical significance remains disputed. That difference explains how a theorem could enter the working equipment of logic relatively quickly and still generate extravagant accounts of its meaning for generations afterward.
7. Three Ways to Lose the Qualifications
Misuses of incompleteness often fall into three groups. The classification is a guide, not a claim that every future misunderstanding has already been catalogued.
The first turns a relative statement into an absolute one. Gödel did not identify a single sentence that no possible mathematical theory could ever prove. A sentence independent of one theory may be provable in an appropriate extension, or may be added as an axiom. The stronger effective consistent theory will have incompleteness of its own; the original sentence need not remain beyond reach.
The second substitutes human knowledge for formal derivability. “Gödel proved that truth cannot be proved” suppresses both the specified theory and the distinction between truth in a structure and derivation from axioms. Many truths are provable. The theorem concerns the inability of theories meeting its conditions to capture every relevant sentence.
Claims that Gödel proved human minds superior to computers introduce still more assumptions. A theorem about a fixed formal theory does not itself identify the total mathematical capacity of a person or a machine with that theory. Nor does it guarantee that people can recognize its consistency.
The familiar escape of standing outside the system is not free. An external argument accepting a Gödel sentence uses information or assumptions about the original theory. The stronger standpoint may supply that information, but it faces its own limits if it too is effectively formalized and arithmetically strong. No theorem licenses an infallible human leap beyond every proposed system.
The third misuse replaces a specified class of strong theories with every system whatsoever. Not all formal theories are incomplete. Presburger arithmetic, formulated with addition but without multiplication of arbitrary natural numbers, is complete and decidable. The first-order theory of real closed fields is also complete and decidable.
The latter example must be described by its language. It concerns real-number addition, multiplication, and order, not the full apparatus of real analysis with arbitrary functions, sets, or a predicate for the integers. Standard first-order elementary Euclidean geometry likewise admits complete and decidable formulations. Expanding a language can change the mathematical situation profoundly.
Propositional logic supplies another distinction: its validity problem is decidable and its standard proof calculus is semantically complete. That does not mean arbitrary premises decide every propositional variable. Logical completeness and completeness of a theory must not be mixed here any more than in the opening scene.
The number of axioms is not the determining issue. A finite list can produce a theory strong enough for incompleteness, or one too weak for the theorem to apply. Conversely, an infinite effective axiom scheme need not produce the relevant arithmetic strength.
“Mathematics is incomplete” can serve as an informal headline, but it is not a precise statement of the result. Mathematics as an evolving activity is not a single effectively given theory. Mathematicians can investigate new axioms, compare models, and change the theories in which a question is asked.
Beyond mathematics the word “system” becomes even more treacherous. A constitution, legal order, organization, or language does not become an effectively axiomatized arithmetic theory merely because someone calls it a system. Analogies may be suggestive. They do not inherit the theorem's proof.
Before invoking incompleteness, ask what formal language is intended, how its axioms are effectively supplied, what consistency assumption is being made, and where sufficient arithmetic is represented. For the second theorem, ask also how the consistency statement and provability predicate are formalized.
These are not pedantic barriers added to an otherwise universal insight. They determine the domain in which the result is a theorem at all.
8. What Gödel Was Willing to Conclude
The popular image of Gödel as the man who announced the bankruptcy of reason is particularly hard to reconcile with Gödel's own outlook. He regarded his results as philosophically important, but his mathematical realism and rationalism were far from a general celebration of ignorance.
His 1951 Gibbs lecture is central. There he explored a disjunction: either mathematical thought exceeds the capacities of any finite machine, or there are number-theoretic problems absolutely beyond human mathematical knowledge. The alternatives were not exclusive; both could hold.
He favored the first possibility and disliked the second. Yet the disjunctive argument was not a proof selecting his preferred alternative. Assessing the philosophical argument also requires examining what is meant by the human mathematical mind and its idealized capacities. Those notions do not arrive already formalized by the 1931 theorem.
The lecture was not published during his lifetime; it appeared later in the Collected Works. It should be read as an important philosophical investigation, not silently inserted into the claims of the original technical paper.
His philosophical notebooks likewise reveal continuing confidence in the possibility of systematic advances in solving problems. That intellectual optimism is not evidence that he expected one fixed effective formal theory to decide everything. New concepts, axioms, and insights can remain possible even when no one specified formal apparatus captures them all.
His mathematical work did not stop with incompleteness. His habilitation work was accepted in 1932, and he became a Privatdozent at Vienna in 1933. He investigated intuitionistic and modal logic, decision problems, and the lengths of proofs. Later in the decade, his work on the constructible universe established the relative consistency of the axiom of choice and the generalized continuum hypothesis with Zermelo–Fraenkel set theory.
Here again the qualification is decisive. Relative consistency means that the additional principles introduce no contradiction if the underlying set theory is consistent. It is not an unconditional proof that set theory itself is free of contradiction.
His personal circumstances grew increasingly difficult. Hahn died. In 1936 Schlick was murdered by a former student. Gödel suffered serious episodes of ill health. After the annexation of Austria in 1938, university reorganization invalidated his old teaching status and subjected new authorization to the Nazi regime's political and racial scrutiny. In 1940 he and his wife left Austria for the United States.
These events belong to his life, but they should not be turned into a psychological explanation of the theorem. Nor should “optimist” describe every aspect of a life marked by profound distress. The relevant optimism was intellectual: Gödel continued to believe in the reach of mathematical reason.
A restrictive theorem and a rationalist philosophy can coexist because the restriction is narrower than the slogans often built around it. Its force comes from exact assumptions and exact conclusions. Removing the assumptions may make a sentence sound more widely applicable, but it removes the warrant supplied by the proof.
This is the methodological lesson of the episode. Ask how far a statement reaches, and inspect the conditions that give it that reach. Gödel's preference in the Gibbs lecture did not entitle him to replace a disjunction with its favored branch. Our preferences do not entitle us to turn a theorem about formal arithmetic into a verdict on every form of knowledge.
One of the conditions still calls for closer examination: sufficient strength. The arithmetic required is surprisingly elementary, but it is not absent from every formal theory. What happens when a theory deliberately remains below that threshold?
The next essay turns to that question. Completeness can sometimes be obtained, and the restrictions that purchase it can be stated precisely.
Calculation continues. The boundaries of the methods that justify it remain mathematical questions in their own right.
一 相隔一天
1930年九月七日,柯尼斯堡。一个二十四岁的人在一场会议的最后一天,在一般讨论里说了几句话。
那不是一场为他开的会,也不是一场关于他那个结果的讲演。会叫第二届精确科学认识论会议,九月五日到七日,是当地的数学家莱德迈斯特他们推动起来的。议题有两块,数学基础,以及量子理论引出的认识论问题。数学基础那一块刻意把当时几个主要立场并排摆了出来:卡尔纳普讲逻辑主义,海廷代表直觉主义,冯诺伊曼讲希尔伯特那一套,魏斯曼讲受维特根斯坦影响的立场。哈恩也在这一块的讨论里。
哥德尔排进正式议程的题目是另一个结果,一阶逻辑的完备性。那是一个正面的成功,他前一年刚做出来。这里的完备性是指每个一阶逻辑语义后承都有形式推导,不是指某组算术公理能决定语言里的每一句话;两种完备性不能混为一谈。
不完备性是在最后一天的一般讨论里出来的。它没有题目,没有单独的场次,会议记录把那一段放在星期日的讨论和补记里面。他说的大意是:即使一个形式系统保持无矛盾,也可能出现系统内部既不能证明也不能反驳的算术命题。
第二天,九月八日,同一座城市的另一个会场。德国自然科学家和医生协会开大会,希尔伯特讲了一场,题目是《自然认识与逻辑》。那年他六十八岁。结尾那两句后来被引了无数次,意思是:必须知道,而且必将知道。前面还有一句常被漏掉,大意是在认识这件事上,不存在一个原则上的"将不知道"。这一段有正式发表的讲稿,也留下过当时的广播录音。
两件事相隔一天。次序是哥德尔在先,希尔伯特在后。
流传最广的版本是:希尔伯特刚讲完必将知道,而前一天已经有一个年轻人证明了他错。
这个版本里每一样都对,只有一样没有证据,就是那个因果。
没有可靠的材料能证明希尔伯特在九月八日讲话之前已经知道了前一天那几句话,更没有材料能证明那两句是在回应谁。那场讲话有自己的来路,题目和论旨都不是为这件事临时写的。人在同一座城里,参加相邻的会议,不等于在场。
还有一层更要紧。希尔伯特那两句是一个关于数学和科学认识的广泛信念,哥德尔那条定理是一个关于某个给定形式系统内部可证明性的定理。就算日期真的只隔一天,这两句话在逻辑上也不是互相否定的一对。
日期的接近是真的。两个人之间的那场戏没有证据。
这条定理后来成了数学史上被借用得最多的一条。借它的时候,说出来的多半不是它说过的话。
二 它打中的是什么
要看清楚它打中了什么,得先把希尔伯特要做的那件事说一遍。前一篇讲过,他把数学分成两层。底下一层是有内容的有限数学,具体的记号,有限长的串,有限步的做法,可以直接看,直接数,直接查。上面一层是古典分析和集合论里那些无限的东西,他管它叫理想的成分。
上面那一层不是可有可无的零碎。第十三篇里数不完的那些集合,第十五篇里那些被公理重新圈起来的东西,整个微积分和现代分析,都在上面那一层。放弃它,等于把两百年做出来的数学退回去一大半。布劳威尔的要求正是把没有构造意义的部分删掉,而多数数学家不肯。
希尔伯特的办法是:不删,改成担保。从底下那一层出发,证明上面那一层不会推出矛盾。
矛盾这个词听起来像是算错了。不是。一个体系推出了矛盾,意思是它既能证出某一句话,又能证出这句话的反面。在通常的逻辑里,这件事一旦发生,后果不是某一处错了,是整个体系报废:从一对互相矛盾的句子出发可以推出任何句子,而什么都能证明,等于什么也没证明。
所以他要的不是再检查一遍有没有出错。他要的是一份保证书,说这套东西永远不会推出矛盾。而且那份保证书本身必须用最保险的手段写出来,不能再借用那些正在被担保的东西。
这个要求非常克制,也非常清楚。它不问数学对象是不是真的存在,不问无限合法不合法,它只问一件事:拿这套办法一直算下去,会不会有一天算出零等于一。
1928年他在博洛尼亚还相当乐观,认为算术的一致性问题快解决了。阿克曼在1920年代做过重要的尝试,后来才发现那些证明有缺口。
这就是1930年九月那几句话要打的东西。
三 把句法变成数
接下来是这一篇唯一需要读者真正投入注意力的地方,而且它只有一个动作。先把两层东西分开。形式化的算术本来在谈什么:自然数,加法,乘法,以及关于数的陈述。一加一等于二是这一层的话。
另外还有一层,是人站在这套体系外面谈论它的时候说的话。这串符号是一条合法的公式。这一行是公理。这几十行合起来是一份证明。某句公式可以被证明出来。这一层通常叫元数学,它谈的不是数,它谈的是符号和证明。
哥德尔做的就是一件事,把第二层翻译进第一层。怎么翻。
先给这套形式语言里的每一个基本符号编一个号。
再把一串符号,也就是一条公式,整个编成一个数。
再把一串公式,也就是一份候选的证明,也编成一个数。
编法怎么挑并不神秘,后来的人换过很多种,结果不变。要紧的只有两条:编完了能唯一地还原回去,而且还原要用的那些操作都是初等的计算。这里没有更浅的说法可以替代,但有一个点可以抓住:塞得进去,拆得回来,就等于一个字也没丢。
编完以后,发生的事情是这样。"这是一条合法的公式"变成了"这个数有某种性质"。"这是一条公理"变成了另一种数的性质。"这个数编的是一份证明,而它的最后一行正是另一个数所编的那句话",变成了两个数之间的一种关系。
而这些关于数的性质和关系,都可以在一个足够强的算术里面被表达出来。原因很朴素:查一份形式证明对不对,本来就是一步一步的有限的机械活。
算术仍然只在谈自然数,它没有变得会说话。变的是,某些自然数现在同时是公式和证明的名字。于是一句关于自然数的算术话,可以间接地说出"某句话有证明",或者"没有哪个数编着那句话的证明"这样的意思。
最后还差一步,也是最精巧的一步:把"把一句话的代号代回这句话自己里面"这个操作也编成算术。做完这一步,就可以造出一句话,它所说的那件算术事实,正好对应着"没有任何自然数编着这句话的证明"。
教科书常把这句话缩成一句口诀:这句话说自己不可证明。当口诀用没问题,只是那不是1931年那篇论文里那句话的字面内容。那句话从头到尾都在谈自然数,谈的是编码和证明之间的一种算术关系。它跟日常语言里"本句为假"那种东西不是一回事,而且正因为不是一回事,它在一个无矛盾的体系里不会直接炸出一个矛盾来。
这就是这一篇标题的准确意思。不是算术长出了意识,是符号和证明被编成了数,于是原先站在外面说的那些话,有一部分被搬进了里面。
四 三个条件
现在可以说这条定理说了什么了。那篇论文1931年刊在一份数学与物理的月刊上,第三十八卷,按原刊页码算二十六页,稿子上标着1930年十一月十七日收到。题目的意思大致是:论《数学原理》及有关系统中的形式不可判定命题,第一部分。这里的《数学原理》指的是怀特海和罗素那三卷,不是泛指数学的原理。"有关系统"是说这个证明不只对那一种符号体系有效,可以搬到相当广的一类形式化算术和集合论上去。末尾那个"第一部分"是真实的痕迹,他本来考虑过续篇,后来没有按原计划写。
今天常用的说法大意是:对任何无矛盾的,有效可公理化的,并且能表达足够多初等算术的形式理论,都存在一句它自己语言里的话,使得这个理论既不能证明它,也不能证明它的反面。
三个条件一个也不能删。逐条看。
无矛盾这一条,前面已经说过为什么。一个已经能推出矛盾的体系可以推出一切,所以"有没有证不出来的句子"这个问题在那里根本没有意义。哥德尔说的不是"不管有没有矛盾都有独立的命题",是"在一个还没有自己炸掉的体系里,也不可能做到完备"。
有效可公理化这一条,是保证公理和证明不是由一份谁也够不着的真理名单事先指定好的。严格讲,现代的说法并不要求每条公理都有一个立刻能判定的算法,公理或者定理能够被有效地一条一条列出来就够了。对于可有效枚举但未必可判定的公理集,可以让证明附上公理出现在枚举过程中的有限证据,这样检查整份证明仍是机械的有限操作,"某个数编着一份证明"这句话也就能够编进算术。
有一个反例最能说明这一条在拦什么。把标准自然数里所有为真的算术句子全部收在一起,当成一个理论。这个理论在某种意义上是完备的,每一句话它都给出了正确的答案。可是那份名单恰恰不是一个有效可公理化的理论,你拿不到它。
足够强这一条,是让这个理论有足够的初等数论本事,去承载前面那套编码:处理有限的序列,代入,基本的计算,以及表示"这个数是那句话的证明的代号"这一类关系。
它不需要微积分,不需要实分析,不需要高等数论。这个门槛低得惊人。
它到底能低到哪里,是另外一篇的事。这里只要记住门槛在哪一侧:不是"包含了很多高等数学",而是"已经有本事编码相当基本的计算和有限的句法"。
今天这个干净的说法,不是1931年那篇论文里的原样。哥德尔原来的证明,为了得到"这句话和它的反面都证不出来"这个双向的结论,用了一个比普通的无矛盾更强的条件。1936年罗瑟改造了那个自指的句子,把条件降到了普通的无矛盾。所以今天教科书上那个版本,名字底下其实有两个人。
三个条件说完了,还有一个词没说,就是真。第一条定理最基本的结论,是某句话在某个理论里面既证不出来也驳不倒。至于这句话在标准的自然数里是不是真的,要说明外面采用的解释与假设。对通常构造的哥德尔句,理论的一致性就足以在外部推出它在标准自然数中为真,不必额外要求这个理论的每条定理都为真;但人并不会因此自动获得对该一致性的无条件认识。所以写"在这个系统里不可判定"是准确的。写"人类看见了一条永远无法证明的绝对真理",是另外一回事了。
五 三天
第二条定理大意是:一个无矛盾的,有效公理化的,而且足够强的算术理论,对于通常的证明编码、满足相应可推导性条件的可证明性谓词及标准一致性语句,不能在自己内部证明"我这套东西不会出矛盾"。
最该加重的是"自己内部"这四个字。它绝不是说任何理论的一致性都不可能被证明。更强的理论完全可以证明更弱的理论没有矛盾,这在后来的证明论里是日常工作。它拦住的是一个特定的闭环:当一个理论强到足以把自己的证明编成码,而且它确实没有矛盾,那么它不能靠自己认可的那一套常规手段,完成那份关于自己的全局保证书。
1936年根岑做的事情正好把这一点照亮了。他给出了一份皮亚诺算术的一致性证明,用的是一直到某个序数的超限归纳。他必须用上一些在皮亚诺算术自己内部不能完整证明其正当性的更强的原则。所以那不是推翻,那恰恰是第二条定理允许的事情:从一个更强的地方,去担保一个更弱的地方。
这条定理打在希尔伯特那套办法最有野心的部分上。但这里有一个如果,而且这个如果当时没有被当成已经解决。
要让第二条定理直接判掉那个计划,得先承认一件事:那些被认为最保险的有限的推理办法,可以被忠实地形式化进被研究的那个算术体系里去。
1931年一月,伯奈斯给哥德尔写信,说得很谨慎。冯诺伊曼倾向于认为所有有限的思考都能形式化进去,而他自己和哥德尔当时并不认为这一点已经定了。到1930年代中期,人们越来越普遍接受传统的有限办法至少能在相当弱的算术里形式化,那个冲击才成为逻辑界的标准理解。
所以不能把"1931年哥德尔一举终结了希尔伯特纲领"当成所有当事人当时一致接受的判断。冯诺伊曼很早就得出强烈的否定结论,伯奈斯和哥德尔起初则对有限方法能否全部形式化保留了余地。
还有一件事也要说在这里,因为它常被省掉。那套办法失败的只是最雄心的那个目标,它留下来的东西并没有一起没掉:研究形式证明本身,消去理想的成分,比较不同理论到底有多强,这一整条技术路线都还在。现代的证明论在相当程度上正是那个传统被冲击以后继续长出来的学科,不是它的墓碑。
冯诺伊曼那一段是整件事里证据最好的,因为有带日期的信。柯尼斯堡那次讨论以后,他回去接着想,看到了一个更尖锐的后果:如果一个足够强的算术体系没有矛盾,那么它不能按自然的内部编码方式证明自己没有矛盾。1930年十一月二十日,他写信给哥德尔,说自己发现了这个值得记一笔的推论。
而哥德尔的论文稿十一月十七日已经送到期刊了,里面已经有这个结果。
差三天。
这三天定死了一件事。哥德尔的已投稿手稿在时间上优先,冯诺伊曼则是在没有拿到那部分细节的情况下,极快地独立发现了同一个后果。投稿的先后并不取消他的独立发现,但也不是两人合作完成的结果。至于那个说这条定理是冯诺伊曼先发现,哥德尔后来补进去的版本,三天就把它挡住了。
"当场只有冯诺伊曼一个人听懂了"这句话很好听,可是没有一份名单能支持它。有明确材料的只有一件:冯诺伊曼很快抓住深层后果这件事,有特别明确的通信证据。其余几十个人各自听懂了多少,没有材料。
六 消息是怎么走的
1931年那篇论文不是一个年轻人把稿子寄进真空。哥德尔那几年待的维也纳是一张很密的网。大学里,汉斯·哈恩既是他的导师,也是把数理逻辑,数学基础和维也纳学派连在一起的那个人。他还跟卡尔纳普学过逻辑。从学生时代起,他就去施里克周围那个圈子听讨论。不过去听不等于他是那一派的人,他后来的哲学方向跟卡尔纳普差得很远。
另一个常被省掉的圈子是门格尔的数学讨论班。那是偏数学的环境,跟施里克那个哲学圈有交叉,但不是一回事。讨论班自己出一份集刊,后来刊过哥德尔的短论文。小型论文,讨论班,会议,期刊,这几样在维也纳套在一起,转得很快。
所以消息第一次走出去是在维也纳,不是柯尼斯堡。最早那一段时间线很密: 1930年八月二十六日,哥德尔向卡尔纳普他们透露了核心结果。九月七日在柯尼斯堡的一般讨论里公开提到。十一月投稿。1931年正式刊出。这四件事分别是私下告知,会议发言,投稿和出版,不能互相替换,也不能都叫做首次宣布。
希尔伯特本人是哪一天知道的,钉不下来。
冯诺伊曼,伯奈斯和哥德尔之间的通信可以证明希尔伯特那一派内部很快就知道了,可是这推不出希尔伯特本人在哪一天读到,听到,或者真正看明白了它。哥德尔和希尔伯特之间没有发现关于这件事的通信,两个人甚至没有一次可以确证的正式会面。
最常被引的那个反应来自伯奈斯:希尔伯特听到第二条定理以后很生气。这是很晚以后的转述,不是希尔伯特当天的日记,信,或者会议记录。
他自己留下的比较清楚的公开痕迹要晚得多,而且一点也不戏剧。1934年《数学基础》第一卷的前言里有一小段评论,这是他极少数直接提到这件事的公开文字,甚至可能是唯一一处。态度不是认输,是继续维护那个计划并且寻求调整办法。真正系统地把这些结果吸收进去的,是伯奈斯主笔的第二卷, 1939年出版。
一个人被写进历史的时候,最容易被后来补上的就是他的表情。这里的材料只够写他后来写了什么,不够写他当时是什么脸色。
其余人的接受过程是混合的,有迅速理解的,也有误解和抵抗的。策梅洛是著名的困难案例,他跟哥德尔的通信显示,他对结论以及它管多大提出过异议,哥德尔不得不写信澄清。这里的反对也要分层:有人是没看懂证明的某个环节,有人是不接受哥德尔对它意义的表述,有人是质疑某些元数学的前提。这三种都不同于真的找出了数学错误,而后一种一直没有出现。
到1930年代中期,经过哥德尔1933年到1934年在普林斯顿的讲课,以及丘奇,克莱尼,罗瑟这些人在可计算性方向上的推进,这条定理的数学内核已经成了新生的数理逻辑共同体的标准知识。
所以接受的速度可以这样概括:最顶尖的逻辑学家在几个月到几年之内基本消化,而它在整个数学文化里的意义解释拖得远得多,而且那一层的争论到今天也没有统一。
七 三种偷换
这条定理是数学史上被借用得最多的一条。许多常见的过度解读,可以归成三类偷换。
第一种,把"相对于某个理论"偷换成"绝对"。
最常见的一句是:哥德尔证明了存在人类永远无法知道的数学真理。定理给的是相对于某一个形式理论的证不出来。换一个更强的理论,原来那句独立的话可能就成了定理,甚至可以直接当公理加进去。
也常听到:哥德尔找到了一个永远不能证明的特定命题。不是。每一个符合条件的理论都会冒出属于它自己的那一句,不是同一句话对所有理论永远不可证。
第二种,把"形式上的可证明"偷换成"人的知识"。
于是就有了:哥德尔证明了真理无法证明。这一句同时丢掉了两样东西,一是在哪个系统里,二是"真"和"证得出来"本来就是两个不同的词。
也有:哥德尔证明了机器不能像人一样思考。定理谈的是一个固定的形式理论。把人的数学能力等同于一个无矛盾的固定形式系统,这本身是一条额外的哲学前提,不是定理给的。
还有那句最好用的:人只要站到系统外面,总能看出那句话是真的,所以人永远胜过系统。在外面认可那句话,通常已经用上了关于这个系统没有矛盾,或者关于它说得对的某种认识,没有一个免费的,统一的跳出去的办法。而且外面那个更强的理论,自己也会碰上属于它的同一件事。
第三种,把"某一类足够强的系统"偷换成"一切系统",或者"一切讲道理的活动"。
所有形式系统都不完备,这句直接错。命题逻辑的有效式可判定,通常演算在语义上完备;这也不等于任意一组命题前提能决定每个命题变元。只有加法而没有乘法的那一套算术是完备而且可判定的。实闭域在加法、乘法与序的语言中的一阶理论是完备可判定的,这不是含任意函数和集合的全部实分析。一阶初等欧氏几何也有完备且可判定的标准公理化。
任何有限条公理的系统都必然不完备,这句也错。公理有几条不是关键,关键是这套东西有没有本事表达计算。
数学是不完备的,这句错在"数学"不是一个有效公理系统。许多数学理论是完备的,而数学这件事本身还允许换公理,研究模型,建更强的理论。
再往外,就是把法律,宪法,公司章程,语言,社会制度叫做系统,然后直接把定理套上来。这里被偷换的是"系统"这个词。一部宪法不会因为被叫做系统,就变成一个可以有效公理化而且能解释初等算术的形式理论。
这三种偷换看上去针对三样不同的东西,手法只有一个:把那个限定词拿掉。相对于哪个理论,在什么语言里,算哪一类系统。只要有一样不提,这句话就宽出一大片。
下次看见有人说哥德尔证明了什么,可以顺手问四件事:那是什么形式语言,公理是不是有效地给定的,它一致吗,它在哪里解释了足够的自然数算术。这四个问题答不出来,这条定理就还没有资格被请出来。这不是刁难,这四样概括的是适用现代不完备性定理时必须检查的条件,原始1931年版本与罗瑟后来的加强仍应区分。
八 他自己是怎么说的
最后要问的是他本人,因为流传最广的那个哥德尔形象,是一个用这条定理宣布人类理性破产的人。
档案里的哥德尔跟这个形象差得很远。他确实认为这条定理有哲学意义,也确实试着从它里面提炼哲学后果。他不是一个主张数学定理只能谈数学的人,相反,他有很强的数学实在论和理性主义倾向。
最重要的材料是1951年那篇讲演。他在里面提出的是一个二择:要么人的心智在某种意义上超过任何有限的机器,要么存在某些数论问题,对人的数学认识而言也是绝对解不开的。
他的结论不是前一支。他的结论是这两支至少有一支成立。
他本人对后一支很不满意,也明显同情前一支。可是他没有把自己的偏好冒充成已经由定理证明了的东西。而且这篇讲演他生前没有发表,后来编全集时才刊出。一份未刊讲稿里的哲学探索,不能当成1931年那篇论文正式声明的一部分。
更有意思的是,他晚年的哲学笔记里还保存着一种相当不悲观的口号,大意是存在解决问题的系统办法。
1931年也没有把他变成一个只研究自己那条定理的人。1932年他拿到大学授课资格, 1933年成为维也纳大学的私人讲师,接着发表直觉主义逻辑,模态逻辑,判定问题和证明长度方面的工作。到1930年代后半,他转向集合论,建起可构造宇宙那套办法,证出选择公理和广义连续统假设相对于策梅洛弗兰克尔集合论是一致的。
私人那一侧却越来越坏。导师哈恩去世。1936年,维也纳学派的核心人物施里克被一个学生刺杀。他自己这些年反复遭遇严重的健康危机。1938年德奥合并以后,奥地利的大学制度重整,他原有的讲师身份失效,新的任教资格必须过纳粹制度下的政治和种族审查。1940年他和妻子离开奥地利去了美国。
一个人证出了一条限制性的结果,而他仍长期保持着对数学认识能力的理性主义信心。这两件事不矛盾,因为那条定理限制住的东西,比后来人们以为的小得多。
那么这一篇能带走什么。这条定理之所以被借得这么滥,恰恰因为它太硬。它硬,是因为它的前提写得非常死,三个条件,一个也不能少。
而每一次借用做的都是同一件事,把三个条件里拿掉一个。拿掉以后那句话变得好听多了,能用的地方也多得多。代价是它不再是一条定理。
一句话管多宽,是由它的前提决定的。前提越少,它听上去管得越宽,而它实际上说的越少。
哥德尔自己在那篇讲演里手上有一个明显偏爱的答案,写下来的却只是一个二择。至少在这个关键的二择上,他没有把个人偏好直接写成定理。
三个条件里,有一个这一篇只立住了,没有展开,就是足够强。它低得惊人,低到只要一套东西有本事做一点很基本的整数计算和句法编码,就够了。
那么反过来呢。如果一套东西主动让自己弱下去一点,弱到接不住那套编码,会发生什么。
下一篇讲的就是这个。答案是闭合买得到,而且价钱可以算出来。
数还在往下算,而什么算数学,还没有算清楚过。
一 相隔一天
1930年九月七日,柯尼斯堡。一個二十四歲的人在一場會議的最後一天,在一般討論里說了幾句話。
那不是一場為他開的會,也不是一場關於他那個結果的講演。會叫第二屆精確科學認識論會議,九月五日到七日,是當地的數學家萊德邁斯特他們推動起來的。議題有兩塊,數學基礎,以及量子理論引出的認識論問題。數學基礎那一塊刻意把當時幾個主要立場並排擺了出來:卡爾納普講邏輯主義,海廷代表直覺主義,馮諾伊曼講希爾伯特那一套,魏斯曼講受維特根斯坦影響的立場。哈恩也在這一塊的討論里。
哥德爾排進正式議程的題目是另一個結果,一階邏輯的完備性。那是一個正面的成功,他前一年剛做出來。這裡的完備性是指每個一階邏輯語義後承都有形式推導,不是指某組算術公理能決定語言裡的每一句話;兩種完備性不能混為一談。
不完備性是在最後一天的一般討論里出來的。它沒有題目,沒有單獨的場次,會議記錄把那一段放在星期日的討論和補記裡面。他說的大意是:即使一個形式系統保持無矛盾,也可能出現系統內部既不能證明也不能反駁的算術命題。
第二天,九月八日,同一座城市的另一個會場。德國自然科學家和醫生協會開大會,希爾伯特講了一場,題目是《自然認識與邏輯》。那年他六十八歲。結尾那兩句後來被引了無數次,意思是:必須知道,而且必將知道。前面還有一句常被漏掉,大意是在認識這件事上,不存在一個原則上的"將不知道"。這一段有正式發表的講稿,也留下過當時的廣播錄音。
兩件事相隔一天。次序是哥德爾在先,希爾伯特在後。
流傳最廣的版本是:希爾伯特剛講完必將知道,而前一天已經有一個年輕人證明了他錯。
這個版本裡每一樣都對,只有一樣沒有證據,就是那個因果。
沒有可靠的材料能證明希爾伯特在九月八日講話之前已經知道了前一天那幾句話,更沒有材料能證明那兩句是在回應誰。那場講話有自己的來路,題目和論旨都不是為這件事臨時寫的。人在同一座城裡,參加相鄰的會議,不等於在場。
還有一層更要緊。希爾伯特那兩句是一個關於數學和科學認識的廣泛信念,哥德爾那條定理是一個關於某個給定形式系統內部可證明性的定理。就算日期真的只隔一天,這兩句話在邏輯上也不是互相否定的一對。
日期的接近是真的。兩個人之間的那場戲沒有證據。
這條定理後來成了數學史上被借用得最多的一條。借它的時候,說出來的多半不是它說過的話。
二 它打中的是什麼
要看清楚它打中了什麼,得先把希爾伯特要做的那件事說一遍。前一篇講過,他把數學分成兩層。底下一層是有內容的有限數學,具體的記號,有限長的串,有限步的做法,可以直接看,直接數,直接查。上面一層是古典分析和集合論里那些無限的東西,他管它叫理想的成分。
上面那一層不是可有可無的零碎。第十三篇裡數不完的那些集合,第十五篇裡那些被公理重新圈起來的東西,整個微積分和現代分析,都在上面那一層。放棄它,等於把兩百年做出來的數學退回去一大半。布勞威爾的要求正是把沒有構造意義的部分刪掉,而多數數學家不肯。
希爾伯特的辦法是:不刪,改成擔保。從底下那一層出發,證明上面那一層不會推出矛盾。
矛盾這個詞聽起來像是算錯了。不是。一個體系推出了矛盾,意思是它既能證出某一句話,又能證出這句話的反面。在通常的邏輯里,這件事一旦發生,後果不是某一處錯了,是整個體系報廢:從一對互相矛盾的句子出發可以推出任何句子,而什麼都能證明,等於什麼也沒證明。
所以他要的不是再檢查一遍有沒有出錯。他要的是一份保證書,說這套東西永遠不會推出矛盾。而且那份保證書本身必須用最保險的手段寫出來,不能再借用那些正在被擔保的東西。
這個要求非常克制,也非常清楚。它不問數學對象是不是真的存在,不問無限合法不合法,它只問一件事:拿這套辦法一直算下去,會不會有一天算出零等於一。
1928年他在博洛尼亞還相當樂觀,認為算術的一致性問題快解決了。阿克曼在1920年代做過重要的嘗試,後來才發現那些證明有缺口。
這就是1930年九月那幾句話要打的東西。
三 把句法變成數
接下來是這一篇唯一需要讀者真正投入注意力的地方,而且它只有一個動作。先把兩層東西分開。形式化的算術本來在談什麼:自然數,加法,乘法,以及關於數的陳述。一加一等於二是這一層的話。
另外還有一層,是人站在這套體系外面談論它的時候說的話。這串符號是一條合法的公式。這一行是公理。這幾十行合起來是一份證明。某句公式可以被證明出來。這一層通常叫元數學,它談的不是數,它談的是符號和證明。
哥德爾做的就是一件事,把第二層翻譯進第一層。怎麼翻。
先給這套形式語言裡的每一個基本符號編一個號。
再把一串符號,也就是一條公式,整個編成一個數。
再把一串公式,也就是一份候選的證明,也編成一個數。
編法怎麼挑並不神秘,後來的人換過很多種,結果不變。要緊的只有兩條:編完了能唯一地還原回去,而且還原要用的那些操作都是初等的計算。這裡沒有更淺的說法可以替代,但有一個點可以抓住:塞得進去,拆得回來,就等於一個字也沒丟。
編完以後,發生的事情是這樣。"這是一條合法的公式"變成了"這個數有某種性質"。"這是一條公理"變成了另一種數的性質。"這個數編的是一份證明,而它的最後一行正是另一個數所編的那句話",變成了兩個數之間的一種關係。
而這些關於數的性質和關係,都可以在一個足夠強的算術裡面被表達出來。原因很樸素:查一份形式證明對不對,本來就是一步一步的有限的機械活。
算術仍然只在談自然數,它沒有變得會說話。變的是,某些自然數現在同時是公式和證明的名字。於是一句關於自然數的算術話,可以間接地說出"某句話有證明",或者"沒有哪個數編著那句話的證明"這樣的意思。
最後還差一步,也是最精巧的一步:把"把一句話的代號代回這句話自己裡面"這個操作也編成算術。做完這一步,就可以造出一句話,它所說的那件算術事實,正好對應著"沒有任何自然數編著這句話的證明"。
教科書常把這句話縮成一句口訣:這句話說自己不可證明。當口訣用沒問題,只是那不是1931年那篇論文裡那句話的字面內容。那句話從頭到尾都在談自然數,談的是編碼和證明之間的一種算術關係。它跟日常語言裡"本句為假"那種東西不是一回事,而且正因為不是一回事,它在一個無矛盾的體系裡不會直接炸出一個矛盾來。
這就是這一篇標題的準確意思。不是算術長出了意識,是符號和證明被編成了數,於是原先站在外面說的那些話,有一部分被搬進了裡面。
四 三個條件
現在可以說這條定理說了什麼了。那篇論文1931年刊在一份數學與物理的月刊上,第三十八卷,按原刊頁碼算二十六頁,稿子上標著1930年十一月十七日收到。題目的意思大致是:論《數學原理》及有關係統中的形式不可判定命題,第一部分。這裡的《數學原理》指的是懷特海和羅素那三卷,不是泛指數學的原理。"有關係統"是說這個證明不只對那一種符號體系有效,可以搬到相當廣的一類形式化算術和集合論上去。末尾那個"第一部分"是真實的痕跡,他本來考慮過續篇,後來沒有按原計劃寫。
今天常用的說法大意是:對任何無矛盾的,有效可公理化的,並且能表達足夠多初等算術的形式理論,都存在一句它自己語言裡的話,使得這個理論既不能證明它,也不能證明它的反面。
三個條件一個也不能刪。逐條看。
無矛盾這一條,前面已經說過為什麼。一個已經能推出矛盾的體系可以推出一切,所以"有沒有證不出來的句子"這個問題在那裡根本沒有意義。哥德爾說的不是"不管有沒有矛盾都有獨立的命題",是"在一個還沒有自己炸掉的體系裡,也不可能做到完備"。
有效可公理化這一條,是保證公理和證明不是由一份誰也夠不著的真理名單事先指定好的。嚴格講,現代的說法並不要求每條公理都有一個立刻能判定的算法,公理或者定理能夠被有效地一條一條列出來就夠了。對於可有效枚舉但未必可判定的公理集,可以讓證明附上公理出現在枚舉過程中的有限證據,這樣檢查整份證明仍是機械的有限操作,"某個數編著一份證明"這句話也就能夠編進算術。
有一個反例最能說明這一條在攔什麼。把標準自然數里所有為真的算術句子全部收在一起,當成一個理論。這個理論在某種意義上是完備的,每一句話它都給出了正確的答案。可是那份名單恰恰不是一個有效可公理化的理論,你拿不到它。
足夠強這一條,是讓這個理論有足夠的初等數論本事,去承載前面那套編碼:處理有限的序列,代入,基本的計算,以及表示"這個數是那句話的證明的代號"這一類關係。
它不需要微積分,不需要實分析,不需要高等數論。這個門檻低得驚人。
它到底能低到哪裡,是另外一篇的事。這裡只要記住門檻在哪一側:不是"包含了很多高等數學",而是"已經有本事編碼相當基本的計算和有限的句法"。
今天這個乾淨的說法,不是1931年那篇論文裡的原樣。哥德爾原來的證明,為了得到"這句話和它的反面都證不出來"這個雙向的結論,用了一個比普通的無矛盾更強的條件。1936年羅瑟改造了那個自指的句子,把條件降到了普通的無矛盾。所以今天教科書上那個版本,名字底下其實有兩個人。
三個條件說完了,還有一個詞沒說,就是真。第一條定理最基本的結論,是某句話在某個理論裡面既證不出來也駁不倒。至於這句話在標準的自然數里是不是真的,要說明外面採用的解釋與假設。對通常構造的哥德爾句,理論的一致性就足以在外部推出它在標準自然數中為真,不必額外要求這個理論的每條定理都為真;但人並不會因此自動獲得對該一致性的無條件認識。所以寫"在這個系統裡不可判定"是準確的。寫"人類看見了一條永遠無法證明的絕對真理",是另外一回事了。
五 三天
第二條定理大意是:一個無矛盾的,有效公理化的,而且足夠強的算術理論,對於通常的證明編碼、滿足相應可推導性條件的可證明性謂詞及標準一致性語句,不能在自己內部證明"我這套東西不會出矛盾"。
最該加重的是"自己內部"這四個字。它絕不是說任何理論的一致性都不可能被證明。更強的理論完全可以證明更弱的理論沒有矛盾,這在後來的證明論里是日常工作。它攔住的是一個特定的閉環:當一個理論強到足以把自己的證明編成碼,而且它確實沒有矛盾,那麼它不能靠自己認可的那一套常規手段,完成那份關於自己的全局保證書。
1936年根岑做的事情正好把這一點照亮了。他給出了一份皮亞諾算術的一致性證明,用的是一直到某個序數的超限歸納。他必須用上一些在皮亞諾算術自己內部不能完整證明其正當性的更強的原則。所以那不是推翻,那恰恰是第二條定理允許的事情:從一個更強的地方,去擔保一個更弱的地方。
這條定理打在希爾伯特那套辦法最有野心的部分上。但這裡有一個如果,而且這個如果當時沒有被當成已經解決。
要讓第二條定理直接判掉那個計劃,得先承認一件事:那些被認為最保險的有限的推理辦法,可以被忠實地形式化進被研究的那個算術體系裡去。
1931年一月,伯奈斯給哥德爾寫信,說得很謹慎。馮諾伊曼傾向於認為所有有限的思考都能形式化進去,而他自己和哥德爾當時並不認為這一點已經定了。到1930年代中期,人們越來越普遍接受傳統的有限辦法至少能在相當弱的算術裡形式化,那個衝擊才成為邏輯界的標準理解。
所以不能把"1931年哥德爾一舉終結了希爾伯特綱領"當成所有當事人當時一致接受的判斷。馮諾伊曼很早就得出強烈的否定結論,伯奈斯和哥德爾起初則對有限方法能否全部形式化保留了餘地。
還有一件事也要說在這裡,因為它常被省掉。那套辦法失敗的只是最雄心的那個目標,它留下來的東西並沒有一起沒掉:研究形式證明本身,消去理想的成分,比較不同理論到底有多強,這一整條技術路線都還在。現代的證明論在相當程度上正是那個傳統被衝擊以後繼續長出來的學科,不是它的墓碑。
馮諾伊曼那一段是整件事里證據最好的,因為有帶日期的信。柯尼斯堡那次討論以後,他回去接著想,看到了一個更尖銳的後果:如果一個足夠強的算術體系沒有矛盾,那麼它不能按自然的內部編碼方式證明自己沒有矛盾。1930年十一月二十日,他寫信給哥德爾,說自己發現了這個值得記一筆的推論。
而哥德爾的論文稿十一月十七日已經送到期刊了,裡面已經有這個結果。
差三天。
這三天定死了一件事。哥德爾的已投稿手稿在時間上優先,馮諾伊曼則是在沒有拿到那部分細節的情況下,極快地獨立發現了同一個後果。投稿的先後並不取消他的獨立發現,但也不是兩人合作完成的結果。至於那個說這條定理是馮諾伊曼先發現,哥德爾後來補進去的版本,三天就把它擋住了。
"當場只有馮諾伊曼一個人聽懂了"這句話很好聽,可是沒有一份名單能支持它。有明確材料的只有一件:馮諾伊曼很快抓住深層後果這件事,有特別明確的通信證據。其餘幾十個人各自聽懂了多少,沒有材料。
六 消息是怎麼走的
1931年那篇論文不是一個年輕人把稿子寄進真空。哥德爾那幾年待的維也納是一張很密的網。大學裡,漢斯·哈恩既是他的導師,也是把數理邏輯,數學基礎和維也納學派連在一起的那個人。他還跟卡爾納普學過邏輯。從學生時代起,他就去施里克周圍那個圈子聽討論。不過去聽不等於他是那一派的人,他後來的哲學方向跟卡爾納普差得很遠。
另一個常被省掉的圈子是門格爾的數學討論班。那是偏數學的環境,跟施里克那個哲學圈有交叉,但不是一回事。討論班自己出一份集刊,後來刊過哥德爾的短論文。小型論文,討論班,會議,期刊,這幾樣在維也納套在一起,轉得很快。
所以消息第一次走出去是在維也納,不是柯尼斯堡。最早那一段時間線很密: 1930年八月二十六日,哥德爾向卡爾納普他們透露了核心結果。九月七日在柯尼斯堡的一般討論里公開提到。十一月投稿。1931年正式刊出。這四件事分別是私下告知,會議發言,投稿和出版,不能互相替換,也不能都叫做首次宣佈。
希爾伯特本人是哪一天知道的,釘不下來。
馮諾伊曼,伯奈斯和哥德爾之間的通信可以證明希爾伯特那一派內部很快就知道了,可是這推不出希爾伯特本人在哪一天讀到,聽到,或者真正看明白了它。哥德爾和希爾伯特之間沒有發現關於這件事的通信,兩個人甚至沒有一次可以確證的正式會面。
最常被引的那個反應來自伯奈斯:希爾伯特聽到第二條定理以後很生氣。這是很晚以後的轉述,不是希爾伯特當天的日記,信,或者會議記錄。
他自己留下的比較清楚的公開痕跡要晚得多,而且一點也不戲劇。1934年《數學基礎》第一卷的前言裡有一小段評論,這是他極少數直接提到這件事的公開文字,甚至可能是唯一一處。態度不是認輸,是繼續維護那個計劃並且尋求調整辦法。真正系統地把這些結果吸收進去的,是伯奈斯主筆的第二卷, 1939年出版。
一個人被寫進歷史的時候,最容易被後來補上的就是他的表情。這裡的材料只夠寫他後來寫了什麼,不夠寫他當時是什麼臉色。
其餘人的接受過程是混合的,有迅速理解的,也有誤解和抵抗的。策梅洛是著名的困難案例,他跟哥德爾的通信顯示,他對結論以及它管多大提出過異議,哥德爾不得不寫信澄清。這裡的反對也要分層:有人是沒看懂證明的某個環節,有人是不接受哥德爾對它意義的表述,有人是質疑某些元數學的前提。這三種都不同於真的找出了數學錯誤,而後一種一直沒有出現。
到1930年代中期,經過哥德爾1933年到1934年在普林斯頓的講課,以及丘奇,克萊尼,羅瑟這些人在可計算性方向上的推進,這條定理的數學內核已經成了新生的數理邏輯共同體的標準知識。
所以接受的速度可以這樣概括:最頂尖的邏輯學家在幾個月到幾年之內基本消化,而它在整個數學文化裡的意義解釋拖得遠得多,而且那一層的爭論到今天也沒有統一。
七 三種偷換
這條定理是數學史上被借用得最多的一條。許多常見的過度解讀,可以歸成三類偷換。
第一種,把"相對於某個理論"偷換成"絕對"。
最常見的一句是:哥德爾證明了存在人類永遠無法知道的數學真理。定理給的是相對於某一個形式理論的證不出來。換一個更強的理論,原來那句獨立的話可能就成了定理,甚至可以直接當公理加進去。
也常聽到:哥德爾找到了一個永遠不能證明的特定命題。不是。每一個符合條件的理論都會冒出屬於它自己的那一句,不是同一句話對所有理論永遠不可證。
第二種,把"形式上的可證明"偷換成"人的知識"。
於是就有了:哥德爾證明了真理無法證明。這一句同時丟掉了兩樣東西,一是在哪個系統裡,二是"真"和"證得出來"本來就是兩個不同的詞。
也有:哥德爾證明了機器不能像人一樣思考。定理談的是一個固定的形式理論。把人的數學能力等同於一個無矛盾的固定形式系統,這本身是一條額外的哲學前提,不是定理給的。
還有那句最好用的:人只要站到系統外面,總能看出那句話是真的,所以人永遠勝過系統。在外面認可那句話,通常已經用上了關於這個系統沒有矛盾,或者關於它說得對的某種認識,沒有一個免費的,統一的跳出去的辦法。而且外面那個更強的理論,自己也會碰上屬於它的同一件事。
第三種,把"某一類足夠強的系統"偷換成"一切系統",或者"一切講道理的活動"。
所有形式系統都不完備,這句直接錯。命題邏輯的有效式可判定,通常演算在語義上完備;這也不等於任意一組命題前提能決定每個命題變元。只有加法而沒有乘法的那一套算術是完備而且可判定的。實閉域在加法、乘法與序的語言中的一階理論是完備可判定的,這不是含任意函數和集合的全部實分析。一階初等歐氏幾何也有完備且可判定的標準公理化。
任何有限條公理的系統都必然不完備,這句也錯。公理有幾條不是關鍵,關鍵是這套東西有沒有本事表達計算。
數學是不完備的,這句錯在"數學"不是一個有效公理系統。許多數學理論是完備的,而數學這件事本身還允許換公理,研究模型,建更強的理論。
再往外,就是把法律,憲法,公司章程,語言,社會制度叫做系統,然後直接把定理套上來。這裡被偷換的是"系統"這個詞。一部憲法不會因為被叫做系統,就變成一個可以有效公理化而且能解釋初等算術的形式理論。
這三種偷換看上去針對三樣不同的東西,手法只有一個:把那個限定詞拿掉。相對於哪個理論,在什麼語言裡,算哪一類系統。只要有一樣不提,這句話就寬出一大片。
下次看見有人說哥德爾證明了什麼,可以順手問四件事:那是什麼形式語言,公理是不是有效地給定的,它一致嗎,它在哪裡解釋了足夠的自然數算術。這四個問題答不出來,這條定理就還沒有資格被請出來。這不是刁難,這四樣概括的是適用現代不完備性定理時必須檢查的條件,原始1931年版本與羅瑟後來的加強仍應區分。
八 他自己是怎麼說的
最後要問的是他本人,因為流傳最廣的那個哥德爾形象,是一個用這條定理宣佈人類理性破產的人。
檔案裡的哥德爾跟這個形象差得很遠。他確實認為這條定理有哲學意義,也確實試著從它裡面提煉哲學後果。他不是一個主張數學定理只能談數學的人,相反,他有很強的數學實在論和理性主義傾向。
最重要的材料是1951年那篇講演。他在裡面提出的是一個二擇:要麼人的心智在某種意義上超過任何有限的機器,要麼存在某些數論問題,對人的數學認識而言也是絕對解不開的。
他的結論不是前一支。他的結論是這兩支至少有一支成立。
他本人對後一支很不滿意,也明顯同情前一支。可是他沒有把自己的偏好冒充成已經由定理證明了的東西。而且這篇講演他生前沒有發表,後來編全集時才刊出。一份未刊講稿里的哲學探索,不能當成1931年那篇論文正式聲明的一部分。
更有意思的是,他晚年的哲學筆記裡還保存著一種相當不悲觀的口號,大意是存在解決問題的系統辦法。
1931年也沒有把他變成一個只研究自己那條定理的人。1932年他拿到大學授課資格, 1933年成為維也納大學的私人講師,接著發表直覺主義邏輯,模態邏輯,判定問題和證明長度方面的工作。到1930年代後半,他轉向集合論,建起可構造宇宙那套辦法,證出選擇公理和廣義連續統假設相對於策梅洛弗蘭克爾集合論是一致的。
私人那一側卻越來越壞。導師哈恩去世。1936年,維也納學派的核心人物施里克被一個學生刺殺。他自己這些年反復遭遇嚴重的健康危機。1938年德奧合併以後,奧地利的大學制度重整,他原有的講師身份失效,新的任教資格必須過納粹制度下的政治和種族審查。1940年他和妻子離開奧地利去了美國。
一個人證出了一條限制性的結果,而他仍長期保持著對數學認識能力的理性主義信心。這兩件事不矛盾,因為那條定理限制住的東西,比後來人們以為的小得多。
那麼這一篇能帶走什麼。這條定理之所以被借得這麼濫,恰恰因為它太硬。它硬,是因為它的前提寫得非常死,三個條件,一個也不能少。
而每一次借用做的都是同一件事,把三個條件裡拿掉一個。拿掉以後那句話變得好聽多了,能用的地方也多得多。代價是它不再是一條定理。
一句話管多寬,是由它的前提決定的。前提越少,它聽上去管得越寬,而它實際上說的越少。
哥德爾自己在那篇講演裡手上有一個明顯偏愛的答案,寫下來的卻只是一個二擇。至少在這個關鍵的二擇上,他沒有把個人偏好直接寫成定理。
三個條件裡,有一個這一篇只立住了,沒有展開,就是足夠強。它低得驚人,低到只要一套東西有本事做一點很基本的整數計算和句法編碼,就夠了。
那麼反過來呢。如果一套東西主動讓自己弱下去一點,弱到接不住那套編碼,會發生什麼。
下一篇講的就是這個。答案是閉合買得到,而且價錢可以算出來。
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。
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