Все правила здесь говорят о том, как составлять предложения, чтобы они были корректны – что, говоря по-простому, означает «тавтологически истинны» (верны для всех возможных подстановок переменных)[11], но что мы пока можем представить просто как комбинаторное свойство определенных символьных строк. Я буду печатать логические предложения другим шрифтом, чтобы их было легко отличить от окружающего текста.

• Пропозициональные тавтологии: A или не A, не (A и не A) и т. п. – истинны.

• Modus ponens (правило отделения): если A истинно и из A следует B истинно, то B истинно.

• Правила равенства: высказывания x = x; из x = y следует y = x; если x = y и y = z, то x = z; и из x = y следует f (x) = f (y) – истинны.

• Замена переменных: при изменении имен переменных высказывание остается истинным.

• Исключение квантора: если для всех x A (x) истинно, то A (y) истинно для любого y.

• Добавление квантора: если истинно A (y), где y – переменная без ограничений, то для всех x, A (x) истинно.

• Правило квантификации: если не (для любого x, A (x)) истинно, то существует такой x, что не (A (x)) истинно.

Приведем в качестве примера аксиомы Пеано для неотрицательных целых чисел, записанные в терминах логики первого порядка. В них S(x) – это функция следования, интуитивно S(x) = x + 1, и я предполагаю, что функции определены заранее.

• Нуль существует: существует такое z, что для любого x, S(x) не равно z. (Это z принимается за 0.)

• Каждое целое число имеет не более одного предшественника: для любых x, y если S(x) = S(y), то x = y.

Сами неотрицательные целые числа называют моделью этих аксиом: в логике слово «модель» означает всего лишь любой набор объектов и функций этих объектов, удовлетворяющий условиям аксиом. Интересно, однако, что точно так же, как аксиомам теории групп удовлетворяет множество разных групп, так и неотрицательные целые числа – не единственная модель аксиом Пеано. К примеру, вы можете убедиться, что добавление к этой модели дополнительных искусственных целых чисел, недостижимых от 0, – чисел, лежащих «за бесконечностью», так сказать, – даст нам еще одну полноценную модель. При этом, как только вы добавите к модели одно такое целое число, вам придется добавить их бесконечно много, поскольку у каждого целого числа должно быть число, непосредственно за ним следующее.

Кажется, что, записывая эти аксиомы, мы занимаемся бессмысленной казуистикой, – и в самом деле, здесь возникает очевидная проблема курицы и яйца. Как можем мы формулировать аксиомы, которые подведут под целые числа более прочный фундамент, если сами символы и вообще все, что мы используем для записи этих аксиом, подразумевает, что мы уже знаем, что такое целые числа?

Так вот, именно поэтому я и не считаю, что аксиомы и формальную логику можно использовать для подведения под арифметику более надежного фундамента. Если вы почему-то не согласны с тем, что 1 + 1 = 2, то сколько ни изучай математическую логику, понятнее это не станет! Тем не менее все эти штучки безумно интересны не менее чем по трем причинам.

1. Ситуация изменится, как только мы начнем говорить не о целых числах, а о разных размерах бесконечности. Там формулирование аксиом и разбор следствий из них – это практически все наши инструменты!

2. Как только мы все формализовали, можно запрограммировать компьютер и заставить его думать за нас:

предположение 1: для любого x если A (x) истинно, то B (x) истинно;

предположение 2: существует x такой, что A (x) истинно;

вывод: существует x такой, что B (x) истинно.

В общем, идею вы поняли. Суть в том, что вывод из предположений извлекается посредством чисто синтаксической операции и не требует понимания того, что, собственно, означают все эти высказывания.

3. Помимо того что доказательства для нас будет искать компьютер, мы сможем работать с этими доказательствами как с математическими объектами, что откроет путь к мета-математике.

В общем, хватит ходить вокруг да около. Посмотрим кое-какие аксиомы теории множеств. Я сформулирую их на обычном языке; перевод на язык логики первого порядка в большинстве случаев достается читателю в качестве упражнения.

В этих аксиомах фигурирует совокупность объектов, называемых «множествами», и отношения между множествами, которые характеризуются словами «является элементом», «содержится в» или «принадлежит к» и записываются с использованием символа ∈. Любая операция с множествами в конечном итоге определяется в терминах отношения принадлежности.

• Пустое множество: существует пустое множество, то есть множество x, для которого не существует такого y, что y ∈ x.

• Аксиома объемности: если в два множества входят одни и те же члены, то эти множества равны. То есть для любых x и y если (z ∈ x тогда и только тогда, когда z ∈ y для любого z), то x = y.

• Аксиома пары: для любых множеств x и y существует множество z = {x, y}, то есть множество z, такое, что для любого w w ∈ z тогда и только тогда, когда (w = x или w = y).

• Аксиома суммы: для любых множеств x существует множество, равное объединению всех множеств, содержащихся в x.

• Аксиома бесконечности: существует множество x, содержащее пустое множество и содержащее также {y} для любого y ∈ x. (Почему в этом x должно содержаться бесконечное число элементов?)

• Аксиома степени (множество всех подмножеств): для любого множества x существует множество, состоящее из всех подмножеств x.

• Аксиома замены (на самом деле бесконечное число аксиом, по одной для каждой функции A, устанавливающей соответствие одних множеств другим): для любого множества x существует множество z = {A(y) | y ∈ x}, которое образуется в результате применения A ко всем элементам x. (Технически следовало бы определить также, что подразумевается под «функцией, устанавливающей соответствие одних множеств другим»; сделать это можно, но я не буду здесь этим заниматься.)

• Фундирование (аксиома регулярности): в любом непустом множестве x имеется элемент y, такой, что для любого z либо z ∉ x, либо z ∉ y. (Это техническая аксиома, смысл которой в том, чтобы исключить такие множества, как {{{{…}}}}.)

Эти аксиомы, известные как аксиомы Цермело – Френкеля, служат фундаментом практически для всей математики. Поэтому я решил, что вам стоит посмотреть на них хотя бы раз в жизни.

Ну хорошо, один из самых базовых вопросов, которые мы можем задать о множестве, звучит так: насколько оно велико? Каков его размер, его мощность? В смысле, сколько в нем элементов? Вы можете сказать, что это просто: достаточно пересчитать элементы. Но что, если их бесконечно много? Скажите, целых чисел больше, чем нечетных целых чисел? Это приводит нас к Георгу Кантору (1845–1918) и первому из нескольких его громадных вкладов в копилку человеческого знания. Он сказал, что два множества равны по мощности тогда и только тогда, когда их элементы можно поставить в строгое соответствие попарно, то есть один к одному. И точка. А если, как бы вы ни пытались распределить элементы по парам, в одном из множеств все равно остаются лишние, значит, то множество, где остаются лишние элементы, большее из двух.