數字邏輯的極限



人類,特別是智慧的人類,一直執著的相信科學可以戰勝一切,所有的事物都是可以理解,隨著人類智慧的真假,終極的真理也可以被有限的我們理解。那個時候,甚至整個宇宙都可以在一個數字系統里面被模擬,我們人類也就成了上帝。很多人都有這樣的誤區,前些年和國內來的一個訪問學者聊天,他也相信隨著人類的發展,一切不被了解的事物都可以被了解。這里我們要定義什么是了解,我們說的是用邏輯去解釋和分析一件事情,知其然,并知其所以然,就是所有的科學和作為科學之母的數學的根基。然而,果真是這樣么?


希爾伯特


1900年的巴黎,在世紀交替之際,希爾伯特提出了他著名的23個問題。其中第二個問題——算術系統的相容性——正是他那雄心勃勃的“希爾伯特計劃”的最后一步。這位數學界的巨人,打算讓整個數學體系矗立在一個堅實的地基上,一勞永逸地解決所有關于對數學可靠性的種種疑問。一切都為了回答三個問題:

數學是完備的嗎?也就是說,面對那些正確的數學陳述,我們是否總能找出一個證明?數學真理是否總能被證明?

數學是一致的嗎?也就是說,數學是否前后一致,不會得出某個數學陳述又對又不對的結論?數學是否沒有內部矛盾?

數學是可判定的嗎?也就是說,能夠找到一種方法,僅僅通過機械化的計算,就能判定某個數學陳述是對是錯?數學證明能否機械化?

希爾伯特明確提出這三個問題時,已是28年后的1928年。在這28年間,數學界在算術系統的相容性上沒有多少進展。但希爾伯特沒有等太久,僅僅三年后,哥德爾就得到了前兩個問題的答案,盡管這個答案不是希爾伯特所希望看到的。


哥德爾


哥德爾的答案分兩部分。

第一,任何包含了算術的數學系統都不可能同時擁有完備性和一致性,也就是說,如果一個數學系統包含了算術的話,要么它是自相矛盾的,要么存在一些命題,它們是真的,但我們卻無法證明。這說明,希爾伯特的前兩個問題不可能同時為真。在這里,“算術”有著精確的含義,就是皮亞諾公理,一組描述了自然數的公理。

第二,任何包含了算術的數學系統,如果它是一致的,那么我們不能在它的內部證明它本身的一致性。這說明,我們沒有希望解決第二個問題。

這就是著名的哥德爾不完備性定理,與其說它回答了希爾伯特的前兩個問題,不如說它闡述了為什么我們根本不可能解決這兩個問題。既然希爾伯特計劃的第二步都被證明是不可行的,那么第三步也就沒有必要繼續下去了。第三步是尋求一個能機械證明所有數學定理的程序,著名的停機定理也否定了這種可能性。停機定理的證明相對比較簡單,也是利用自指的技巧,證明這樣程序是不可能存在的。

至此,希爾伯特那宏偉的計劃宣告全盤失敗。

有些事情,我們確實不知道,我們也無從知曉,即使對于簡單的數字。邏輯指出了自己的局限。

這個定理講的是數學,然而數學是科學之母。如今的科學幾乎沒有不需要數學的。這個定理給我們一些啟示,告訴我們科學的極限在于這個世界有太多我們無法去分析,甚至有很多直到宇宙的終結我們也無從以數字邏輯來知曉的事情。?所以,如果有個人說,他通過算術,或是基于數字的科學知道了這個世界有神,或是沒有神。我可以明確的說,這個人在胡說八道。這樣的事情我們無法通過這種方法知曉。

上帝的存在,猶如哥德爾不完備性定理的第一個命題。我們這個世界,如果不是自相矛盾的,那么肯定有一些真命題,我們無法證明,有一些真理,我們無從理解。

世界之復雜繁復,是數字系統所能精確描述的么?美國科幻電影里面那種通過計算機模擬的世界,真的可以存在么?在這里我們必須說,對于現在基于數字邏輯的圖靈機,也就是狀態機,我們是無法用其來描述我們的世界。太多太多的命題,即是對的,又是錯的,可以是對的,也可以是錯的。有的人愛一個人,又恨一個人所做的,那他到底是愛這個人還是恨這個人?

我們又回到量子貝葉斯的問題上面來了。問題不在于邏輯的是與非,而是在于你相信什么,你選擇什么。

當我們人類了解了自身的局限,了解了世界不是簡單冰冷的數字邏輯可以描述。我們自己的感性,我們那些無從以科學和邏輯理解的感情,也是這個物質世界有機的,活躍的,不可缺少的一部分。

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