数字逻辑的极限



人类,特别是智慧的人类,一直执著的相信科学可以战胜一切,所有的事物都是可以理解,随着人类智慧的真假,终极的真理也可以被有限的我们理解。那个时候,甚至整个宇宙都可以在一个数字系统里面被模拟,我们人类也就成了上帝。很多人都有这样的误区,前些年和国内来的一个访问学者聊天,他也相信随着人类的发展,一切不被了解的事物都可以被了解。这里我们要定义什么是了解,我们说的是用逻辑去解释和分析一件事情,知其然,并知其所以然,就是所有的科学和作为科学之母的数学的根基。然而,果真是这样么?


希尔伯特


1900年的巴黎,在世纪交替之际,希尔伯特提出了他著名的23个问题。其中第二个问题——算术系统的相容性——正是他那雄心勃勃的“希尔伯特计划”的最后一步。这位数学界的巨人,打算让整个数学体系矗立在一个坚实的地基上,一劳永逸地解决所有关于对数学可靠性的种种疑问。一切都为了回答三个问题:

数学是完备的吗?也就是说,面对那些正确的数学陈述,我们是否总能找出一个证明?数学真理是否总能被证明?

数学是一致的吗?也就是说,数学是否前后一致,不会得出某个数学陈述又对又不对的结论?数学是否没有内部矛盾?

数学是可判定的吗?也就是说,能够找到一种方法,仅仅通过机械化的计算,就能判定某个数学陈述是对是错?数学证明能否机械化?

希尔伯特明确提出这三个问题时,已是28年后的1928年。在这28年间,数学界在算术系统的相容性上没有多少进展。但希尔伯特没有等太久,仅仅三年后,哥德尔就得到了前两个问题的答案,尽管这个答案不是希尔伯特所希望看到的。


哥德尔


哥德尔的答案分两部分。

第一,任何包含了算术的数学系统都不可能同时拥有完备性和一致性,也就是说,如果一个数学系统包含了算术的话,要么它是自相矛盾的,要么存在一些命题,它们是真的,但我们却无法证明。这说明,希尔伯特的前两个问题不可能同时为真。在这里,“算术”有着精确的含义,就是皮亚诺公理,一组描述了自然数的公理。

第二,任何包含了算术的数学系统,如果它是一致的,那么我们不能在它的内部证明它本身的一致性。这说明,我们没有希望解决第二个问题。

这就是著名的哥德尔不完备性定理,与其说它回答了希尔伯特的前两个问题,不如说它阐述了为什么我们根本不可能解决这两个问题。既然希尔伯特计划的第二步都被证明是不可行的,那么第三步也就没有必要继续下去了。第三步是寻求一个能机械证明所有数学定理的程序,著名的停机定理也否定了这种可能性。停机定理的证明相对比较简单,也是利用自指的技巧,证明这样程序是不可能存在的。

至此,希尔伯特那宏伟的计划宣告全盘失败。

有些事情,我们确实不知道,我们也无从知晓,即使对于简单的数字。逻辑指出了自己的局限。

这个定理讲的是数学,然而数学是科学之母。如今的科学几乎没有不需要数学的。这个定理给我们一些启示,告诉我们科学的极限在于这个世界有太多我们无法去分析,甚至有很多直到宇宙的终结我们也无从以数字逻辑来知晓的事情。 所以,如果有个人说,他通过算术,或是基于数字的科学知道了这个世界有神,或是没有神。我可以明确的说,这个人在胡说八道。这样的事情我们无法通过这种方法知晓。

上帝的存在,犹如哥德尔不完备性定理的第一个命题。我们这个世界,如果不是自相矛盾的,那么肯定有一些真命题,我们无法证明,有一些真理,我们无从理解。

世界之复杂繁复,是数字系统所能精确描述的么?美国科幻电影里面那种通过计算机模拟的世界,真的可以存在么?在这里我们必须说,对于现在基于数字逻辑的图灵机,也就是状态机,我们是无法用其来描述我们的世界。太多太多的命题,即是对的,又是错的,可以是对的,也可以是错的。有的人爱一个人,又恨一个人所做的,那他到底是爱这个人还是恨这个人?

我们又回到量子贝叶斯的问题上面来了。问题不在于逻辑的是与非,而是在于你相信什么,你选择什么。

当我们人类了解了自身的局限,了解了世界不是简单冰冷的数字逻辑可以描述。我们自己的感性,我们那些无从以科学和逻辑理解的感情,也是这个物质世界有机的,活跃的,不可缺少的一部分。

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