《开天辟地:宇宙演化理论》
2022-09-21张天蓉
本书作者善用源于日常生活的比喻阐释复杂的宇宙物理问题,为读者展示人类迄今所探知的宇宙诞生和演化的历程,从日常的世界到微小的世界,再到巨大的世界,将一幅宇宙从起源到归宿的宏大图景在读者的脑海中缓缓展开,让不可思议的宇宙变得亲切和美丽。
数学的三次危机都可以说是与悖论联系在一起的。第一次数学危机可追溯到古希腊时代的希帕索斯悖论,起因是研究某些三角形边长比例时发现的无理数,泄露这个“怪数”的学者希帕索斯(Hippasus,大约公元前500年)被他的同门弟子扔进大海处死。第二次危机则与芝诺悖论及贝克莱悖论有关,基于对无穷小量本质的研究,它的解决为牛顿、莱布尼茨创建的微积分学奠定了基础。毕达哥拉斯学派在淹死了希帕索斯之后,对错误有所认识,被迫承认了无理数,并提出了“单子”,它有点类似“极小量”的概念。不过,这个做法却遭到了诡辩数学家芝诺的嘲笑,他抛出了一个快跑运动员阿格里斯永远也追不上乌龟的“芝诺悖论”,令历代数学家反复纠结不已。牛顿发明微积分之后,虽然在实用上颇具优势,但理论基础尚未完善,贝克莱等人便用悖论来质疑牛顿的无穷小量,将其称之为微积分中的“鬼魂”。
因为前两次数学危机的解决建立了实数理论和极限理论,后来又有了康托的集合论,数学家们十分兴奋激动,认为数学第一次有了“基础牢靠”的理论。
然而,当初康托的集合论对“集合”的定义太原始了,以为把任何一堆东西放在一起,只要它们具有某种简单定义的相同性质,再加以数学抽象后,就可以叫作“集合”了。没想到如此“朴素”的想法也会导致许多悖论,罗素悖论就是其中之一。因此,在这些悖论解决之后,人们便将康托原来的理论称为“朴素集合论”。
实际上,集合可以分为在逻辑上不相同的两大类,一类(A)可以包括集合自身,另一类(B)不能包括自身。可以包括自身的,比如说,图书馆的集合仍然是图书馆;不能包括自身的,比如说,全体自然数构成的集合并不是一个自然数。
显然一个集合不是(A)类就应该是(B)类,似乎没有第三种可能。但是,罗素问:由所有(B)类集合组成的集合(X),是(A)类还是(B)类? 如果你说(X)是(A)类,则(X)应该包括其自身,但是(X)是由(B)类组成,不应该包括其自身。如果你说(X)是(B)类,则(X)不包括其自身,但按照(X)的定义(X)包括了所有的(B)类集合,当然也包括了其自身。总之,无论把(X)分为哪一类都是自相矛盾的,这就是罗素悖论(Russell paradox),即理发师悖论的学术版。
还有一个与朴素集合论有关的悖论,叫作“说谎者悖论”(Liar paradox),由它引申出了许多版本的小故事。它的典型语言表达为:“我说的话都是假话”。为什么说它是悖论?因为如果你判定这句话是真话,便否定了话中的结论,自相矛盾;如果你判定这句话是假话,那么引号中的结论又变成了一句真话,仍然产生矛盾。
上述这两个悖论导致了一种“左也不是,右也不是”的尴尬局面。说谎者悖论中的那句话,无论说它是真还是假,都有矛盾;而罗素悖论中的集合(X),包含自己或不包含自己,也都有矛盾。朴素集合论产生的另一个有趣悖论(柯里悖论)与上述两个悖论有点不一样,它导致的荒谬结论是“左也正确,右也正确”,永远正确!
我们也可以用自然语言来表述柯里悖论。比如我说:“如果这句话是真的,则马云是外星人。”根据数学逻辑,似乎可以证明这句话永远都是真的,为什么呢?因为这是一个条件语句,条件语句的形式为“如果A,则B”,其中包括了两部分:条件A和结论B。在这个例子中,A=这句话是真的,B=马云是外星人。
如何证明一个条件语句成立?如果条件A满足时,能够导出结论B,这个条件语句即为“真”。那么现在,将这个方法用于上面的那一句话,假设条件“这句话是真的”被满足,“这句话”指的是引号中的整个叙述“如果A,则B”,也就是说,A被满足意味着“如果 A,则B”被满足,亦即B成立。也就得到了B“马云是外星人”的结论。所以,上面的说法证明了此条件语句成立。
但是,我们知道事实上马云并不是外星人,所以构成了悖论。此悖论的有趣之处并不在于马云是不是外星人,而是在于我们可以用任何荒谬结论来替代B。也就是说,通过这个悖论可以证明任何荒谬的结论都是“正确”的。如此看来,这个悖论实在太“悖”了!
以上三个悖论都牵涉到“自我”指涉(selfreference)的问题。理发师不知道该不该给“自己”理发,说谎者声称的是“我”说的话。柯里悖论产生的关键是“这句话”的语义表达中包括了条件和结论两者。这样看来,将自身包括在“集合”中不是好事,可能会产生许多意想不到的问题。那么,如果将自身排除在集合之外,悖论不就解决了吗?也许问题并非那么简单,但总而言之,这些悖论提醒数学家们重新考察集合的定义,并为它制定了一些“公理”作为条条框框,从而使得康托的朴素集合论走向了现代的“公理集合论”。