Co oznacza znak nieskończoności symbolika znaku w biżuterii
Ten rok jest dla nas bardzo łaskawy pod względem trendów. Wśród najmodniejszych biżuteryjnych dodatków znajdą coś dla siebie osoby lubiące wyraźne akcenty, duże koła, czy komplety w stylu etno. Jest też dużo dla wielbicieli srebra i złota. Jednak poza zaopatrzeniem siebie lub bliskiej osoby w coś modnego i efektownego, można wziąć pod uwagę wymiar symboliczny. Ciekawym i cieszącym się uznaniem rozwiązaniem będzie biżuteria z symbolem nieskończoności. Znak ten na dzień dzisiejszy wygląda tak samo jak w matematyce jak odwrócona poziomo ósemka, ale co oznacza znak nieskończoności i jaka jest jego symbolika? Początków tego symbolu można doszukiwać się wiele wieków temu, bo już w Egipcie i Grecji ludzie fascynowali się pojęciem nieskończoności. Wtedy była ona obrazowana przez wizerunek węża, który pożera swój własny ogon, by się odrodzić. Później graficzny znak nieskończoności był zmienny, w zależności od kultury. Nie zmienia to faktu, że na nieskończoność zwracali uwagę m.in. Aztecy, Celtowie i Słowianie. Wizualny symbol nieskończoności, jaki obecnie znamy, powstał w XVII wieku.
Dlaczego biżuteria ze znakiem nieskończoności jest modna?
Wydawałoby się, że tak stary symbol nie może być popularny, a jednak! Obecnie spotykamy go na ubraniach, książkach i oczywiście w biżuterii. Dlaczego tak się dzieje? Ludzie potrzebują symboli, które wyrażają ich osobowość i relacje z innymi. Znak nieskończoności, inaczej Infinity, jest prosty w swojej konstrukcji, a przez to łatwo zapada w pamięć. Drugim powodem jest na pewno to, że od wieków człowiek próbował jakkolwiek dotknąć nieskończoności. Poza tym wręczając bliskiej osobie bransoletkę albo łańcuszek z wizerunkiem nieskończoności, za pomocą prostego gestu wyraża się wiele słów i uczuć. Może to symbolizować wieczną miłość i stałość w związku, czy równie wieczną przyjaźń. Na odwróconą ósemkę można także spojrzeć pod nieco innym kątem. Ma się ona wiązać z energią i światłem władzy nad materią. Ma obdarzać mocą umiejętności realizacji siebie w różnych płaszczyznach. Osoby, które wierzą w symbole uważają, że Infinity pozwala panować nad swoim losem.
Dla kogo biżuteria Infinity?
Biżuterię z symbolem nieskończoności nosi wiele znanych gwiazd, m.in. Reese Witherspoon, Rihanna, Edyta Herbuś, Joanna Krupa, czy Agnieszka Radwańska. Szukając wyjątkowej biżuterii na prezent, ta z wizerunkiem nieskończoności będzie sprawdzała się doskonale. Za pomocą jednego przedmiotu można komuś dać coś modnego, coś pasującego do niemal każdej stylizacji i coś, co będzie miało wymiar osobisty. Biżuterię z tym motywem można założyć do codziennej stylizacji, ale będzie też ciekawym dodatkiem podczas oficjalnych spotkań. Biżuterię z symbolem nieskończoności mogą nosić pary, dwie przyjaciółki albo matka z córką. Mężczyźni kupują ją swoim wybrankom serca, by podkreślić swoją miłość i wiarę w trwałość związku. Ale wyroby z tym symbolem zakładają też młode osoby. Często przyjaciółki kupują wspólny zestaw bransoletek, by pokazać, że ich przyjaźń i więź jest ważna.
Infinity
5
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym,
acz kłopotliwym pojęciem1
Roman Murawski
Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu
Wydział Matematyki i Informatyki
Infinity in mathematics. Struggles with
a necessary but troublesome concept
Summary
Infinity has appeared in mathematics since the very beginning. Moreover the mathematical concept of infinity was and is connected with philosophical and theological concepts. The aim of the paper is to show how mathematicians struggled with this concept and how they tried to bring it under control.
1 Praca powstała w ramach projektu badawczego Narodowego Centrum Nauki, grant No N N101136940, w oparciu o wykład pt. Jak matematycy ujarzmi(a)li nieskończoność wygłoszony na posiedzeniu Komisji Filozofii Nauki Polskiej Akademii Umiejętności w Krakowie.
6
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
Keywords
actual infinity, potential infinity, set theory, infinitely small, infinitely
large, cardinal number, ordinal number
Something is mathematical, only
if it is shot through with infinity.
(Caleb Gattegno)
W matematyce nieskończoność pojawiała się od dawna,
od samego właściwie początku2. Co więcej, naukowe
i filozoficzne oraz religijne pojęcia nieskończoności były i są
wzajemnie mocno powiązane, trudno je w niektórych okresach
oddzielić. Celem naszych rozważań jest pokazanie, jak matematycy
zmagali się z tym pojęciem i jak próbowali je ujarzmiać
i oswajać.
Zacznijmy od zauważenia, że w starożytnej Grecji panował
raczej negatywny stosunek do nieskończoności. Widać to
u pitagorejczyków, eleatów, Parmenidesa. Nieskończoność była
2 Za początek matematyki w dzisiejszym rozumieniu tej nauki uznać
należy matematykę starożytnej Grecji. Wcześniej, w starożytnym
Egipcie i Babilonii, matematyka miała inny charakter dokładniej
charakter algorytmiczno-praktyczny i nie było w niej rozważań teoretycznych.
Zadowalano się znajdowaniem przepisów (dziś powiedzielibyśmy:
algorytmów) pozwalających rozwiązywać konkretne
zadania praktyczne.
7
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
czymś, czego nie można osiągnąć czy opisać w skończonych
terminach, czymś nieracjonalnym, bezkształtnym, bo niedającym
się ani pomniejszyć, ani powiększyć. W arytmetyce i geometrii
nie były dozwolone konstrukcje, które się nie kończyły.
Widziano trudności i kłopoty, jakie niesie z sobą pojęcie nieskończoności.
Przykładem mogą być aporie Zenona z Elei
znamy je z relacji Arystotelesa w Fizyce. Wskazywały one na
trudności związane z dzieleniem na nieskończenie wiele części
i z sumowaniem nieskończenie wielu elementów. Inny przykład
to wykrycie niewspółmierności przez pitagorejczyków. Nie bardzo
potrafiono sobie z tymi kłopotami poradzić. Wyjścia szukano
w rozmaity sposób, na przykład odrzucając liczby niewymierne
i zastępując mówienie o wielkościach czy miarach
(liczbach) operowaniem tworami geometrycznymi i działaniami
na nich (tzw. algebra geometryczna). Pozwalało to wprawdzie
eliminować trudności, ale niosło też niestety pewne ograniczenia
i skutki negatywne (na przykład zasada jednorodności
w arytmetyce).
Pierwszym filozofem greckim, który próbował podać racjonalne
ujęcie nieskończoności był Arystoteles (384322 p.n.e.).
O problemie tym mówi w księdze III swojej Fizyki poświęconej
zagadnieniu ruchu. Rozważa tam, czy apeiron (Ypeiron) istnieje
i jak istnieje. W ten sposób przekształcił pojęcie nieskończoności
w pojęcie naukowe w przeciwieństwie do jego charakteru
mitologicznego czy religijnego, jakie miało ono u Anaksymandra
(610546 p.n.e.). Arystoteles rozważa nieskończoność w ramach
charakterystycznego dla jego filozofii rozróżnienia między
8
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
potencjalnością i aktualnością. Twierdzi, że nieskończoność nie
może istnieć jako coś aktualnego, jako nieskończoność aktualna.
Może istnieć jedynie nieskończoność potencjalna. Oznacza
to, że można mówić o możliwości nieograniczonego przedłużania
pewnego ciągu czy procesu, ale nie o jego końcowym
wyniku. Można zatem mówić o nieskończonym ciągu liczb naturalnych,
czy o nieskończonym dzieleniu odcinka (geometrycznego)
na połowę. Nie można jednak mówić o ogóle liczb
naturalnych jako odrębnym obiekcie, jako o końcowym wyniku
procesu tworzenia coraz to nowych liczb naturalnych przez dodawanie
jedynki do liczb już istniejących. Możliwość wykonywania
bez ograniczeń coraz to nowych, następnych kroków nie
gwarantuje i nie pociąga za sobą tego, że istnieje krok ostatni.
W Fizyce Arystoteles pisał:
Pozostaje zatem do przyjęcia, że nieskończoność istnieje potencjalnie.
Nie należy jednak brać wyrażenia istnieje potencjalnie
w takim sensie, jak w wypadku, gdy się mówi: posąg istnieje potencjalnie;
bo mówiąc tak sądzimy, że powstanie posąg rzeczywisty.
Inaczej ma się sprawa z nieskończonością: nie może być
urzeczywistnionej nieskończoności (III, 6, 206a).
Krótko mówiąc, nieskończoność istnieje w ten sposób, że
jedna rzecz występuje zawsze po drugiej i każda poszczególna
rzecz tego ciągu jest zawsze skończona, przy czym każda jest zawsze
różna (III, 6, 206a).
Nie to bowiem jest nieskończone, co już nie ma niczego poza
sobą, lecz właśnie to, co zawsze ma coś poza sobą (III, 6, 207a).
9
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
Arystoteles podkreślał przy tym, że w matematyce wystarczy
pojęcie nieskończoności potencjalnej, a pojęcie nieskończoności
aktualnej jest zbędne. W Fizyce pisał:
Pogląd nasz nie pozbawia bynajmniej matematyków ich teorii
przez odrzucenie aktualnego istnienia nieskończoności w kierunku
zwiększania się, w sensie niemożności przekroczenia. Bo
w rzeczywistości nie potrzebna im jest nieskończoność ani też
z niej nie korzystają. Posługują się natomiast dowolnie wielkimi
liczbami, ale skończonymi (III, 7, 207b).
Dodajmy, że Arystoteles twierdzi w Fizyce, iż czas i ruch
są nieskończone. Pisał: Czas i ruch są nieskończone, a także
myślenie w tym znaczeniu, że każda poszczególna faza kolejno
przemija, będąc pozbawiona trwania (Fizyka III, 8, 208a).Odrzuca
jednak możliwość nieskończonej przestrzeni. Wynika to
z faktu, że nie ma on pojęcia przestrzeni, która może być pusta
operuje natomiast pojęciem miejsca, które zawsze jest połączone
z materią. Podsumowuje swoje rozważania mocnym
stwierdzeniem: Wielkość natomiast nie jest aktualnie nieskończona
ani jako wynik dzielenia w nieskończoność, ani jako wynik
powiększenia w myśli (Fizyka III, 8, 208a).
Należy koniecznie podkreślić, że już samo odróżnienie
nieskończoności potencjalnej i nieskończoności aktualnej było
ważnym osiągnięciem Arystotelesa pozwoliło jasno postawić
problem nieskończoności. Ukierunkowało też dalsze nad
nią badania.
10
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
Koncepcje Arystotelesa dotyczące nieskończoności (ale
także jego koncepcje dotyczące struktury teorii naukowych)
znalazły swój oddźwięk w szczególności u Euklidesa (ok. 365
ok. 300 p.n.e.) w jego słynnych Elementach. Unikał on wyraźnie
terminu nieskończoność. Kiedy w Księdze IX mówi o istnieniu
nieskończenie wielu liczb pierwszych, to formułuje to tak:
Jeśli dana jest dowolna ilość liczb pierwszych, to istnieje inna
liczba pierwsza różna od nich3 (Elementy IX, 20). Nie mówi
więc, że istnieje nieskończenie wiele liczb pierwszych, ale że
zawsze można znaleźć nową liczbę pierwszą. Mamy tu więc
wyraźnie do czynienia z nieskończonością potencjalną.
Inny ślad wpływu Arystotelesa na Euklidesa to sformułowany
na początku Księgi I Elementów aksjomat 9, który głosi:
Całość jest większa od części4. Własność ta oczywista dla
wielkości skończonych nie obowiązuje, jak się okazuje, dla nieskończoności.
Będzie ona sprawiała przez długie wieki kłopot
wielu matematykom i filozofom.
Nieskończoność pojawiała się implicite także przy okazji
stosowania procesów granicznych. Te ostatnie spotykamy
na przykład u Archimedesa (ok. 287212 p.n.e.), który z powodzeniem
stosował pochodzącą od Eudoksosa z Knidos metodę
wyczerpywania będącą prototypem teorii granic. Archimedes
używał jej w szczególności do przybliżania długości okręgu
i wartości p za pomocą wielokątów foremnych wpisanych i opi-
3 Of prowtoi criθmo^ pleίouς eἰς^ pantOς toυ~ proteθšntoς plťθouς
pretwn criθmoω~n.
4 Ka^ tO ὃlon toυ~ mšrouς meι~xόn [šςtin].
11
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
sanych na okręgu, czy do obliczania pola powierzchni wycinka
paraboli. To wskazuje, że w pewnym sensie akceptował nieskończoność
w matematyce.
Problem ze stosunkiem części i całości oraz lęk przed nieskończonością
aktualną widać też u żyjącego w V wieku neoplatonika
Proklosa Diadochusa (410485). Ten najwybitniejszy
przedstawiciel szkoły ateńskiej widział rozwiązanie problemu
w odrzuceniu nieskończoności aktualnej i zaakceptowaniu jedynie
nieskończoności potencjalnej (zatem w duchu Arystotelesa).
W Komentarzu do I Księgi Elementów Euklidesa pisał:
[...] twierdzimy, że wielkości są wprawdzie dzielone w nieskończoność,
ale nie na nieskończenie wiele części (šp ̓Ypeiron, oUk
eἰς cpeira dš, ad infinitum, sed non in infinita). To ostatnie powodowałoby,
że aktualnie byłoby nieskończenie wiele części, tamto
pierwsze, że tylko potencjalnie; to ostatnie daje nieskończoności
istnienie substancjalne, tamto przyznaje jej tylko stawanie się.
Wraz z jedną średnicą powstają dwa półkoła, ale średnic nie
będzie nigdy (aktualnie) nieskończenie wiele, nawet jeżeli brać
ich nieograniczenie wiele. Tak więc nigdy nie będzie istniało dwa
razy więcej niż nieskończenie wiele [półkoli], ale powstających
(ciągle) półkoli będzie dwa razy tyle, ile zawsze skończonej ilości
średnic. Ciągle bowiem liczba wziętych średnic jest ograniczona.
Własność tego typu znana była już prawdopodobnie Plutarchowi
(ok. 46 ok. 120), a potem wzmianki o niej powtarzają się
wielokrotnie u różnych autorów. Znali ją niektórzy scholastycy,
12
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
na przykład Thomas Bradwardine (ok. 12901349). Rozumowania
tego typu były też używane w XII wieku do wykazywania
niemożliwości istnienia wiecznego świata. W roku 1638 Galileusz
(15641642) podał paradoks nazywany dziś jego imieniem,
a oparty na tej samej zasadzie. Wskazywał on mianowicie, że
z jednej strony ogół liczb kwadratowych jest częścią ogółu liczb
naturalnych, a z drugiej jest ich tyle samo. Wyciągał z tego następujący
wniosek (Discorsi, s. 33):
Jest to jedna z trudności, które powstają, gdy naszym skończonym
umysłem próbujemy rozważać nieskończoność przypisując
jej te własności, które przyznajemy temu, co skończone i ograniczone;
jest to, w mej opinii, niepoprawne nie możemy bowiem
mówić o wielkościach nieskończonych, że jedne z nich są większe,
mniejsze bądź też równe.
Echa tego typu wniosków znajdujemy też u Izaaka Newtona
(16421727). Otóż w liście z roku 1692 pisał on:
Nieskończoności, kiedy rozważać je bez jakichkolwiek restrykcji
czy ograniczeń, nie są ani równe, ani nierówne, ani też nie pozostają
w żadnych stosunkach pomiędzy sobą.
Także wielki matematyk niemiecki Carl Friedrich Gauss
(17771855) przeciwstawiał się używaniu w matematyce nieskończoności
aktualnej. W liście do Heinricha Schumachera
z 12 lipca 1831 roku pisał:
13
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
Jeśli chodzi o Pański dowód, to protestuję nade wszystko przeciwko
używaniu wielkości (Grösse) nieskończonej jako czegoś
zupełnego, co w matematyce nie jest nigdy dozwolone. Nieskończoność
to jedynie façon de parler, za pomocą którego mówi się
o granicach.
Wróćmy jednak do pozytywnych rozważań nad nieskończonością.
U Mikołaja z Kuzy (14011464), ostatniego scholastyka,
matematyka i teologa problem nieskończoności pojawia się zarówno
w rozważaniach matematycznych, jak i w rozważaniach
filozoficzno-teologicznych. Są one przy tym ze sobą powiązane.
Co więcej, powodem i celem zajmowania się nieskończonością
w matematyce była dla niego chęć zbliżenia się do nieskończoności
Boga. Według Kuzańczyka nieskończoność nie daje się
ująć w (Arystotelesowskich) kategoriach wielkości, nie może
ona być rozważana w kategoriach mniejsze czy większe.
Nieskończoności nie można też poznać za pomocą zmysłów,
daje się ona jednak uchwycić w matematyce przez umysł za pomocą
pojęć. Wśród obiektów (rzeczy i procesów), które można
poznać zmysłami, nie ma takiego, który nie mógłby zostać powiększony.
Zatem nieskończoność nie może być zrealizowana
w żadnym procesie. W matematyce znaleźć można jednak przykłady
na to, że granica takiego nieograniczonego procesu może
być ujęta i osiągnięta za pomocą pojęcia. Przykładem może tu
być ciąg wielokątów foremnych o n bokach. Gdy n rośnie nieograniczenie,
to wielokąty te przybliżają coraz lepiej okrąg.
14
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
Wprawdzie wśród obiektów poznawalnych zmysłami nie istnieje
żaden okrąg, ale istnieje on jako pojęcie w naszym umyśle. Zatem
takie twory, jak wielokąt foremny i okrąg pokrywają się w nieskończoności.
Przykładów takich znaleźć można zresztą u Mikołaja
więcej. Łączy on z nimi charakterystyczną dla siebie zasadę
zwaną przezeń coincidentia oppositorum. Dopełnienie procesu,
zatem w szczególności jego granica, jest według Kuzańczyka najwyższą
formą bytu, jest czymś wiecznym każdy proces dąży
bowiem do swego wypełnienia. To nieskończone przybliżanie
(aproksymacja) w połączeniu z zasadą coincidentia oppositorum
stanowiło u niego nowe narzędzie metodologiczne używał go
szczególnie w późniejszej pracy De Mathematica Perfectione.
Odpowiadało to jego rozumieniu poznania jako procesu przybliżania
się do prawdy. Należy podkreślić, że według Mikołaja
nieskończoność nie zapożycza swego istnienia od skończoności.
To, co skończone, nie jest w stanie zapewnić istnienia temu, co
nieskończone. Nieskończoność bowiem nigdy nie zostanie osiągnięta
w procesie aproksymacji przez wielkości skończone. Przeciwnie
nieskończone wyprzedza w porządku ontologicznym to,
co skończone. Przenosi się to i na porządek epistemologiczny, tzn.
to, co skończone może zostać pojęte i zrozumiane tylko za pomocą
tego, co nieskończone. W Liber de mente pisał:
Stąd wszystko, co skończone, ma swe źródło w zasadzie nieskończoności5
(cII, 116r).
5 Quare omne finitum principiatum ab infinito principio.
15
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
W De docta ignorantia zaś pisał:
Każda więc linia skończona bierze swój byt z nieskończonej,
która jest wszystkim tym, czym jest. Stąd w linii skończonej jest
to wszystko, czym jest linia jako linia nieskończona6 (Księga II,
cV, 119).
Dodajmy, że idea coincidentia oppositorum w nieskończoności
miała też wpływ na nauki przyrodnicze. Wedle Mikołaja, skoro
świat jest obrazem Boga, a Bóg jest nieskończony, więc i świat
jest nieskończony. Zarówno więc przestrzeń, jak i czas są nieskończone.
Stąd zaś świat nie ma środka, gdyż w nieskończoności środek
pokrywa się z obwodem. Dalej, Ziemia nie może być centrum
świata i musi znajdować się w ruchu. Ruch staje się w ten sposób
względny. Możemy zatem powiedzieć, że Mikołaj przyczynił
się w jakiś sposób do sekularyzacji pojęcia nieskończoności.
Blaise Pascal (16231662) mówił o nieskończoności w sensie
nieskończenie dużych i nieskończenie małych odnosił te pojęcia
do przestrzeni, czasu, ruchu, prędkości, przy czym traktował
je w sensie nieskończoności potencjalnej. W Myślach pisał zaś:
Wiemy, że istnieje nieskończoność, ale nie znamy jej natury.
Wiemy na przykład, że fałszem jest, aby liczby były skończone;
zatem prawdą jest, że istnieje nieskończoność w liczbie, ale nie
6 Omnis autem linea habet esse suum ab infinita, que est omne id
quod est. Quare in linea finita omne id, quod est linea infinita.
16
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
wiemy, co to jest. Fałszem jest, aby była parzysta, fałszem, aby
była nieparzysta: za dodaniem bowiem jedności nie zmieni swej
natury; a wszelako jest to liczba, wszelka zaś liczba jest parzysta
albo nieparzysta (prawda, iż to się odnosi do wszelkiej liczby
skończonej). [...]
Znamy tedy istnienie i naturę skończoności, ponieważ jesteśmy
skończeni i rozciągli jak ona. Znamy istnienie nieskończoności,
a nie znamy jej natury, ponieważ ma ona rozciągłość jak my,
ale nie ma granic, jak my je mamy (Myśli, 451).
Stanowisko Gottfrieda Wilhelma Leibniza (16491716)
w kwestii nieskończoności nie było spójne i do końca jednoznaczne.
Z jednej strony świadom trudności, na które wskazuje paradoks
Proklosa-Galileusza pisał: Nie ma nic bardziej namacalnego
niż absurdalność idei liczby aktualnie nieskończonej. W Nowych
rozważaniach dotyczących rozumu ludzkiego zaś stwierdza:
Mówiąc ściślej, prawdą jest, że istnieje nieskończoność rzeczy,
tzn. że jest ich zawsze więcej aniżeli można wyznaczyć. Ale nie
ma ani liczby nieskończonej, ani innej wielkości nieskończonej,
gdy się je bierze jako rzeczywiste całości.
[...] Prawdziwa nieskończoność jest ściśle biorąc tylko
w tym, co absolutne, co jest przed wszelką złożonością i nie powstało
przez dodawanie części. [...]
[...] całości nieskończone i ich przeciwieństwa nieskończenie
małe są na miejscu tylko w rachunku geometrów, tak jak urojone
pierwiastki algebry (ks. II, rozdział XVII).
17
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
Z drugiej jednak strony pisał także przecząc sobie właściwie:
Wierzę tak bardzo w aktualną nieskończoność, iż zamiast utrzymywać,
jak to się pospolicie mówi, że natura jej się boi, przyjmuję,
iż ona wszędzie ku niej się skłania, aby tym lepiej zaznaczyć
doskonałość swego Stwórcy7 (Opera omnia, studio Ludovico
Dutens, tom II, część 1, s. 243).
Dodajmy jeszcze, że w swoim rachunku różniczkowym Leibniz
operował wielkościami nieskończenie małymi. Dopuszczał
też w swojej monadologii istnienie nieskończenie wielu monad.
Immanuel Kant (17241804) rozważając problemy filozoficzne
matematyki odróżniał za Arystotelesem nieskończoność
potencjalną i nieskończoność aktualną. Nie twierdził jednak
jak Arystoteles, że nieskończoność aktualna jest logicznie niemożliwa.
Otóż wedle Kanta nieskończoność aktualna jest tzw.
ideą rozumu. Oznacza to, że jest to pojęcie wewnętrznie niesprzeczne,
choć niestosowalne do doświadczenia zmysłowego.
Przykładów nieskończoności aktualnej nie można bowiem ani
zaobserwować, ani też skonstruować. Można skonstruować na
przykład liczbę 5 i zmysłami poznać pięć rzeczy, można nawet
skonstruować liczbę 101010 (chociaż nie jesteśmy w stanie
7 Je suis tellement pour linfini actuel, quau lieu dadmettre, que la
nature labhorre, comme lon dit vulgairement, je tiens quelle laffecte
par-tout, pour mieux marquer les perfections de son Auteur.���� Dodajmy,
że słowa te umieścił Bolzano jako motto swoich Paradoksów
nieskończoności.
18
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
postrzegać tylu obiektów za pomocą zmysłów). Nie jesteśmy
jednak w stanie ani percypować, ani też skonstruować nieskończoności
aktualnej.
Filozoficzne poglądy Kanta na matematykę zainspirowały
wielu późniejszych filozofów i matematyków, w szczególności
do jego poglądów na nieskończoność nawiąże w wieku XX David
Hilbert w swoim formalizmie i próbie uratowania integralności
matematyki klasycznej operującej pojęciem nieskończoności
aktualnej.
Zanim jednak przejdziemy do czasów współczesnych, powiedzieć
trzeba kilka słów o Bernardzie Bolzanie (17811848).
Ten matematyk i jednocześnie ksiądz katolicki, profesor Uniwersytetu
Karola w Pradze pozbawiony w roku 1819 katedry
z powodu zbyt samodzielnych, nie zawsze ortodoksyjnych interpretacji
katolicyzmu i domagania się sprawiedliwości w życiu
społecznym, w sposób istotny przyczynił się do porządkowania
podstaw matematyki poprzez włączenie się w nurt badań
zwany arytmetyzacją analizy (Weierstrass, Cauchy, Dedekind).
Choć matematykę uważano wtedy za naukę o ilości, Bolzano
definiował ją już całkiem abstrakcyjnie pisząc, że jest ona nauką
badającą ogólne prawa, które regulują istnienie rzeczy. By
matematyk mógł stosować jakieś pojęcie, wystarczy dowieść
tylko jego możliwości. To nie do matematyki należy udowodnienie
aktualnego istnienia tych czy innych obiektów jest to
zadanie metafizyki.
Z naszego punktu widzenia najważniejsze są jego rozważania
nad nieskończonością. Zawarł je w wydanych pośmiertnie
19
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
Paradoksach nieskończoności (1850). Zdaniem Bolzana większość
paradoksalnych twierdzeń, które spotykamy w dziedzinie
matematyki, to twierdzenia, które albo zawierają bezpośrednio
pojęcie nieskończoności, albo w jakiś sposób opierają się na nim
przy próbach ich dowodzenia (Paradoksy, §1).
W Paradoksach nieskończoności Bolzano rozważał wielości
(dziś powiedzielibyśmy: zbiory) nieskończone, jak również
wielkości nieskończenie małe i nieskończenie duże. Przy tym
przez wielość nieskończoną rozumiał Bolzano taką wielość,
która jest większa od każdej wielości skończonej, tzn. jest tego
rodzaju, iż każda skończona mnogość przedstawia tylko pewną
jej część8 ( Paradoksy, §9). Wielkość nieskończenie duża to
wielkość, która jest większa od każdej liczby tych wielkości,
które zostały obrane za jednostkę, zaś wielkość nieskończenie
mała to taka wielkość, że każda jej wielokrotność jest mniejsza
od jednostki. Przy tym Bolzano odróżnia matematyczne pojęcie
nieskończoności od pojęcia nieskończoności filozofów i przeciwstawia
je sobie. Wspomina tu Hegla, który głosił, że nieskończoność
matematyczna jest tylko kiepską nieskończonością
filozofowie zaś znają nieskończoność o wiele wyższą, prawdziwą,
nieskończoność jakościową, którą znajdują tylko w Bogu
zwłaszcza i w ogóle w Absolucie (tamże, §11). Według Bolzana
filozofowie, a także niektórzy matematycy, przyjmują, że
nieskończoność jest jedynie pewną wielkością zmienną, która
8 [...] eine Vielheit, die größer als jede endliche ist, d.h. eine Vielheit,
die so beschaffen ist, daß jede endliche Menge nur einen Teil von ihr
darstellt.
20
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
może rosnąć nieograniczenie a zatem jest tylko nieskończonością
potencjalną. On jednak opowiada się za istnieniem w matematyce
nieskończoności aktualnej. Co więcej, w §13 Paradoksów
podaje dowód jej istnienia pisząc:
[j]uż wśród rzeczy, które nie roszczą sobie prawa do rzeczywistości,
lecz tylko do możliwości, są niewątpliwie mnogości nieskończone.
Nieskończona jest, jak łatwo można pojąć, mnogość
zdań i prawd samych w sobie, rozważając bowiem jakąś prawdę,
np. zdanie, że istnieją w ogóle prawdy, lub każde inne dowolne
zdanie, które oznaczę przez A, zdajemy sobie sprawę, że zdanie
wyrażone słowami A jest prawdziwe jest różne od A, gdyż ma
zgoła inny podmiot niż A. [...] Lecz podobnie jak tu ze zdania
A wyprowadzamy różne od niego zdanie, które nazwę B, tak też
można znowu, według tej samej zasady, wyprowadzić z B trzecie
zdanie C, i tak dalej bez końca. Zbiór tych wszystkich zdań,
z których każde następne pozostaje w takim wskazanym właśnie
stosunku do poprzedniego, że podnosi je do rangi swego podmiotu
i orzeka o nim, iż jest zdaniem prawdziwym, zbiór ten jak
stwierdzam obejmuje mnogość części (zdań) większą od każdej
skończonej mnogości. [...] zbiór tych wszystkich zdań posiada
wielość większą od każdej liczby, tzn. nieskończoną.
Aby jednak dowieść istnienia nieskończoności aktualnej
a nie tylko jej możliwości potrzebuje Bolzano pewnego dodatkowego
założenia, a mianowicie istnienia Boga, któremu
przypisuje władzę poznania, którą jest prawdziwa wszechwie21
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
dza, przeto obejmuje nieskończoną mnogość prawd, bo w ogóle
wszystkie9 (Paradoksy, §11). Mamy więc tu do czynienia ze
swoistym powiązaniem matematycznej nieskończoności aktualnej
z pewnymi założeniami natury teologicznej.
W Paradoksach nieskończoności wspomina Bolzano także
pewną szczególną własność wielości nieskończonych, o której
mówi paradoks Proklosa-Galileusza. Pisze on w §20:
Dwie mnogości, obie nieskończone, mogą pozostawać względem
siebie w takim stosunku, że z jednej strony każdy element należący
do jednej z tych mnogości można złączyć w parę z jednym
elementem drugiej, tak że żaden element którejkolwiek z nich nie
pozostaje bez włączenia go w parę, jak również żaden nie powtarza
się w dwu lub więcej parach; z drugiej jednak strony możliwe
jest przy tym, że jedna z tych mnogości zawiera drugą jako
pewną część jedynie [...].
W odróżnieniu od Proklosa czy Galileusza, którzy wyprowadzali
stąd wniosek, iż nie istnieje nieskończoność aktualna,
Bolzano zauważa, że nie można przenosić praw słusznych dla
obiektów skończonych na twory nieskończone.
Także matematyk niemiecki Richard Dedekind (1831
1916) zdawał sobie sprawę z trudności związanych z paradoksem
Proklosa-Galileusza. Nie odrzucał jednak w związku z tym
9 [...] eine Erkenntniskraft beilegen, die wahre Allwissenheit ist, also
eine unendliche Menge von Wahrheiten, weil alle überhaupt, umfaßt.
22
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
pojęcia nieskończoności aktualnej, a przeciwnie dostrzegł we
własności, na której opiera się ten paradoks cechę charakterystyczną
zbiorów nieskończonych, która odróżnia je od zbiorów
skończonych. Otóż w pracy Was sind und was sollen die
Zahlen? (1888) znajdujemy następującą definicję zbiorów nieskończonych:
64. Wyjaśnienie. System S nazywa się nieskończonym jeżeli jest
podobny do pewnej swojej części właściwej; w przeciwnym
przypadku S nazywa się systemem skończonym.
Wyjaśnijmy, że Dedekind używa terminu system w takim
sensie, jak dziś używa się terminu zbiór i że dwa systemy są
podobne jeśli istnieje odwzorowanie różnowartościowe (jednojednoznaczne)
jednego na drugi. Co więcej, Dedekind formułuje
twierdzenie głoszące, że istnieją systemy nieskończone i podaje
jego dowód. Użyliśmy tu cudzysłowu, ponieważ jego rozumowanie
nie może być uznane za rozumowanie spełniające kryteria
dowodu matematycznego. Otóż rozumowanie Dedekinda
jest w pewnym sensie podobne do rozumowania Bolzana. Tam
jednak, gdzie Bolzano odwołuje się do Boga, Dedekind odwołuje
się do umysłu ludzkiego głosząc, że przykładem zbioru nieskończonego
jest jego świat myśli (meine Gedankenwelt).
W ten sposób dochodzimy do głównego bohatera historii
nieskończoności w matematyce, a mianowicie do Georga Cantora
(18451918). Był on twórcą teorii mnogości i pierwszym,
który przełamawszy lęk przed antynomiami uznał, że nieskoń23
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
czoność aktualna może być przedmiotem badania matematycznego.
Zagadnienie nieskończoności pojawiło się u Cantora przy
okazji jego rozważań nad szeregami trygonometrycznymi, którym
poświęcił rozprawę habilitacyjną. Doprowadziło go to do
stworzenia całej nowej teorii matematycznej, a mianowicie teorii
mnogości (czyli teorii zbiorów w sensie dystrybutywnym),
która miała się okazać fundamentem dla całej matematyki.
Używając pojęcia równoliczności zbiorów wprowadził Cantor
liczby kardynalne (moce zbiorów), za pomocą zaś pojęcia podobieństwa
porządków liczby porządkowe. Najbardziej interesujące
były oczywiście nieskończone takie liczby, w szczególności
nieskończone liczby kardynalne. Udowodniwszy
twierdzenie, że zbiór potęgowy dowolnego danego zbioru (czyli
ogół wszystkich jego podzbiorów) ma zawsze moc większą niż
ten zbiór, mógł wprowadzić nieskończoną hierarchię nieskończonych
liczb kardynalnych, a zatem nieskończoną hierarchię
coraz to większych nieskończoności. W ten sposób pojawiły się
w jego teorii mnogości zbiory dużo większe niż te, które dotąd
pojawiały się w sposób naturalny w rozważaniach matematyków.
Warto przy tym podkreślić, że Cantor nie był logikiem,
tylko normalnym matematykiem. Dodajmy też, że jego rozważania
nad nieskończonością miały charakter nie tylko matematyczny,
ale także filozoficzny, a nawet teologiczny.
Cantor rozróżniał różne rodzaje nieskończoności. Przede
wszystkim przyjmował za Arystotelesem podział na nieskończoność
potencjalną i aktualną. Tę pierwszą nazywał nieskończonością
niewłaściwą nie jest ona w istocie żadną nieskończonością,
24
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
a jedynie nieokreśloną zmienną wielkością skończoną, która
albo rośnie poza wszystkie skończone granice [...], albo staje się
mniejszą niż każda granica skończona10. Natomiast nieskończoność
aktualna z jednej strony jest niezmienna, we wszystkich
swoich częściach stała i określona, [...] jest prawdziwą stałą, jednocześnie
zaś przekracza każdą wielkość skończoną tego samego
rodzaju11. Przy tym nieskończoność potencjalna, jeśli ma być
ściśle matematycznie użyteczna, musi zakładać nieskończoność
aktualną. Co więcej, nieskończoność aktualna jest niezbędna dla
ugruntowania matematyki choćby dla ugruntowania teorii liczb
rzeczywistych, gdzie nie wystarczy nieskończoność potencjalna,
dalej w algebrze, analizie, teorii liczb.
Na ten podział nakłada się u Cantora jeszcze drugi. Otóż
rozróżnia on trzy rodzaje nieskończoności aktualnej: (1) nieskończoność
absolutna (realizowana w Bogu), (2) nieskończoność
pojawiająca się w świecie zależnym i stworzonym oraz
(3) nieskończoność, która może być pojmowana przez myśl in
abstracto jako wielkość matematyczna. Przy tym nieskończoność
absolutna jest niepowiększalna, pozostałe zaś dwa rodzaje
nieskończoności są powiększalne. W przypadku nieskończoności
jako wielkości matematycznej Cantor mówi o pozaskończonosci
(Transfinitum), a nie o nieskończoności i przeciwstawia
ją Absolutowi.
10 G. Cantor, Mitteilungen zum Lehre vom Transfiniten, Zeitschrift
für Philosophie und philosophische Kritik 18871888, 91, s. 81125
oraz 92, s. 240265.
11 Tamże.
25
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
Warto podkreślić, że Cantor przyjmując istnienie nieskończoności
aktualnej, zdecydowanie odrzucał wielkości nieskończenie
małe nazywając je wielkościami papierowymi. Zdecydowanie
przeciwstawiał się wprowadzaniu ich do matematyki
mówił tu o infinitarnym bakcylu cholery w matematyce12.
Wspomnieliśmy wyżej, że rozważania Cantora nad nieskończonością
miały charakter także filozoficzny i teologiczny.
Z jednej strony szukał w metafizyce i teologii uzasadnienia dla
swojej teorii mnogości uważał, że teoria mnogości należy do
metafizyki i tam też należy szukać jej podstaw, gdyż metafizyce
przypada zadanie ugruntowania zasad matematyki i nauk przyrodniczych.
Podejmował więc próby udowodnienia istnienia pozaskończoności
w oparciu o Absolut. Wierzył przy tym, że nie
ujmuje ona nic naturze Boga, przeciwnie dodaje jej blasku, bowiem
realne istnienie pozaskończoności odbija nieskończoną naturę
Bożej egzystencji. Cantor zbudował dwa dowody, w których
stara się wykazać istnienie liczb pozaskończonych in concreto.
W pierwszym z nich, w dowodzie a priori, głosi, że z pojęcia
Boga wyprowadzić można bezpośrednio w oparciu o doskonałość
Jego natury możliwość i konieczność stworzenia pozaskończoności13.
W drugim, w dowodzie a posteriori, twierdził,
12 H. Meschkowski, Aus den Briefbüchern Georg Cantors, Archive
for History of Exact Sciences 19621966, 2, s. 505.
13 Dowód ten został skrytykowany przez kardynała Franzelina, który
w liście do Cantora podkreślał, że nie można wyprowadzać konieczności
stworzenia pozaskończoności z możliwości jej stworzenia, gdyż
ogranicza to w pewien sposób wolność Boga, a w konsekwencji ujmuje
coś jego doskonałości.
26
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
że skoro niemożliwe jest pełne i całkowite wyjaśnienie zjawisk
naturalnych bez założenia istnienia pozaskończoności in natura
naturata, więc pozaskończoność ta istnieje.
Cantor był przekonany, że stworzona przezeń teoria mnogości
ma duże znaczenie dla metafizyki i teologii. Może w szczególności
pomóc w zwalczaniu rozmaitych błędów pojawiających
się w niej, na przykład błędu panteizmu. W liście do
dominikanina Thomasa Essera pisał: Dzięki moim pracom filozofia
chrześcijańska dysponuje po raz pierwszy w historii prawdziwą
teorią nieskończoności14.
Wspomnieć tu trzeba o zainteresowaniu teorią mnogości
Cantora ze strony filozofów i teologów katolickich kontrastowało
to z ignorowaniem jej i samego Cantora przez środowisko
matematyków (wyjątkiem był tu Dedekind). Prace Cantora
były studiowane i komentowane przez neoscholastyków: wymienić
tu trzeba C. Gutberleta, profesora filozofii, apologetyki
i dogmatyki w Fuldzie, T. Pescha i J. Hontheima, benedyktynów
z opactwa Maria-Laach w Nadrenii, włoskiego teologa I. Jeilera,
jezuitę i późniejszego kardynała J. Franzelina czy dominikanina
Th. Essera. Cantor wsłuchiwał się w ich opinie i bardzo
mu zależało na tym, by być w zgodzie z oficjalną doktryną katolicką.
W pewnym momencie wysunięto zarzut, że teoria Cantora
może popełniać błąd panteizmu (potępionego dekretem Piusa
IX z roku 1861) Cantor wierzył bowiem, że pozaskończoność
14 Por. J.W. Dauben, Georg Cantor. His Mathematics and Philosophy
of Infinite, Harvard University Press, Cambridge, Mass.London
1979, s. 147.
27
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
istnieje in natura naturata, a każda próba skorelowania Bożej
nieskończoności z konkretną nieskończonością czasową sugerowała
panteizm, a zatem mogła prowadzić do identyfikowania
nieskończoności aktualnej in concreto, in natura naturata
z Bożą nieskończonością, in natura naturans. Aby uspokoić
Franzelina Cantor dodał do rozróżnienia między nieskończonością
in natura naturans i in natura naturata dodatkowe rozróżnienie
między Infinitum aeternum increatum sive Absolutum
(zarezerwowane dla Boga i Jego atrybutów) i Infinitum creatum
sive Transfinitum (egzemplifikowane na przykład w aktualnie
nieskończonej liczbie obiektów w uniwersum). Wyjaśnienia te
zadowoliły Franzelina i udzielił on dziełom Cantora pewnego
rodzaju imprimatum15.
Reakcja matematyków na koncepcje Cantora była jak
powiedzieliśmy wyżej raczej powściągliwa. Jego główny
oponent Leopold Kronecker (18231891) był zdecydowanie
przeciwny wprowadzaniu do matematyki tak rozbuchanej
nieskończoności. Proponował, by matematykę sprowadzić
do liczb naturalnych, gdyż Liczby całkowite stworzył Pan
Bóg, wszystko inne jest dziełem ludzkim16 jak to sformułował
na jednym z zebrań naukowych w Berlinie w roku 1886.
To prowadziło w szczególności do postulatu głoszącego, że
15 Więcej na temat kontaktów Cantora z teologami i filozofami katolickimi
zob. na przykład w R. Murawski, G. Cantora filozofia teorii
mnogości, Studia Filozoficzne 1984, 1112 (9228229), s. 7588.
16 Die ganzen Zahlen hat der liebe Gott gemacht, alles andere ist
Menschenwerk.
28
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
w matematyce należy stosować jedynie dowody konstruktywne
dla tez egzystencjalnych a przecież teoria mnogości wraz
z niekonstruktywnym i nieefektywnym aksjomatem wyboru
pozwala na tworzenie dowodów niekonstruktywnych. Zwolennikiem
konstruktywizmu był też Henri Poincaré (18541912),
który odrzucał w związku z tym nieskończoność aktualną w matematyce
zadowalając się jedynie nieskończonością potencjalną.
Skoro bowiem przedmioty matematyki są tworzone przez umysł
poznający, to nie może istnieć nieskończoność aktualna, gdyż
umysł nie jest w stanie skonstruować aktualnie nieskończenie
wielu obiektów. W Dernieres pensées pisał: Nigdy nie [należy]
tracić z oczu tego, że wypowiedź o nieskończoności musi
być tłumaczeniem, skróconym sformułowaniem wypowiedzi
o skończoności.
W podobnym kierunku szły też tezy twórcy intuicjonizmu
Luitzena Egbertusa Jana Brouwera (18811966). Przyjąwszy
ontologiczną tezę konceptualizmu, zgodnie z którą matematyka
jest wolną życiową aktywnością umysłu, a przedmioty matematyki
są konstruowane przez umysł, odrzucał zdecydowanie
nieskończoność aktualną. Zbiór nieskończony można więc rozumieć
jedynie jako prawo czy regułę tworzenia wciąż nowych
jego elementów. Taki zbiór będzie jednak zawsze co najwyżej
przeliczalny. Zatem w matematyce można mówić jedynie
o przeliczalnej nieskończoności potencjalnej. To wraz z żądaniem
dowodów konstruktywnych tez egzystencjalnych zmieniało,
dokładniej zubożało zdecydowanie matematykę i wymuszało
jej przebudowę.
29
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
Jeszcze dalej poszli tzw. ultraintuicjoniści chcący oprzeć
matematykę na aktualnych możliwościach poznawczych człowieka.
Według nich liczby skończone takie, jak na przykład
101010 winny być traktowane podobnie jak (nieosiągalna) nieskończoność,
skoro wszystkich atomów we wszechświecie jest
nie więcej niż 1080. Podejście takie jeszcze bardziej zatem zubaża
matematykę choć w zamian zwiększa efektywność i konstruktywność
jej tez.
Wszystkie te tezy należy widzieć w kontekście antynomii,
które pojawiły się w teorii mnogości. Ich źródłem było nieprecyzyjne,
intuicyjne tylko, pojęcie zbioru, którym operowano od
Cantora. Próbowano zatem zaradzić sprzecznościom poprzez
ograniczenie świata obiektów matematycznych do bardziej konkretnych,
konstruowalnych, bliższych dzięki intuicji. Ceną, jaką
trzeba było za to płacić, było ograniczenie i zubożenie matematyki.
Wszelkim takim próbom ograniczenia matematyki przez
wyrzucenie z niej sprawiającej kłopoty nieskończoności zdecydowanie
przeciwstawił się David Hilbert (18621943). Pisał:
To, co proponują Weyl i Brouwer, to nic innego, jak pójście w ślady
Kroneckera! Próbują oni uratować matematykę poprzez wyrzucenie
z niej wszystkiego, co sprawia kłopot [...]. Jeśli zgodzimy się
na proponowane przez nich reformy, to ryzykujemy utratę wielkiej
części naszych najbardziej wartościowych skarbów17.
17 Por. C. Reid, Hilbert, Springer Verlag, BerlinHeidelbergNew
York 1970, s. 155.
30
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
Jako matematyk uważał, że:
Z raju, który stworzył nam Cantor, nikt nie powinien móc nas
wypędzić18.
Wedle Hilberta należało pokazać, że pojęcie nieskończoności
aktualnej, tak potrzebne i wzbogacające matematykę, jest
bezpieczne. Zaproponował więc program ugruntowania matematyki
klasycznej operującej nieskończonością aktualną. Program
ten miał wyraźnie Kantowski charakter. Hilbert przyjął, że
zdania o nieskończoności nic nie znaczą same w sobie, nie mają
żadnej wartości logicznej (czyli nie są ani prawdziwe, ani fałszywe),
nie mogą też być używane w żadnych autentycznych sądach.
Nieskończoność jest wedle Hilberta ideą czystego rozumu
w sensie Kanta, tzn. jest pojęciem wewnętrznie niesprzecznym,
które nie ma swej realizacji w świecie rzeczywistym, gdyż przekracza
wszelkie doświadczenie. Jest jednak pojęciem niezbędnym
w matematyce, bo uzupełnia to, co konkretne.
Hilbert widział zresztą cały problem w szerszej perspektywie,
nie tylko z punktu widzenia matematyki. Pisał w pracy
Über das Unendliche:
[...] ostateczne wyjaśnienie istoty nieskończoności stało się konieczne
nie tylko w ramach specjalnych fachowych zaintereso-
18 Aus dem Paradies, das Cantor uns geschaffen hat, soll uns niemand
vertreiben können; D. Hilbert, Über das Unendliche, Mathematische
Annalen 1926, 95, s. 170.
31
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
wań naukowych, ale konieczne jest dla uczczenia samego umysłu
ludzkiego19.
Program Hilberta ugruntowania matematyki klasycznej
operującej nieskończonością aktualną przewidywał rozróżnienie
matematyki finitystycznej i matematyki infinitystycznej. Ta
pierwsza jest bezpieczna i ma solidne podstawy, ponieważ traktuje
o obiektach, które są jasno i bezpośrednio dane, ta druga
wymaga nowych podstaw. W tej pierwszej mamy do czynienia
ze zdaniami realnymi, które są w pełni sensowne, gdyż odwołują
się do obiektów konkretnych. Ta druga zawiera zdania
idealne odwołujące się do obiektów nieskończonych. Hilbert
był przekonany, że obiekty i metody infinitystyczne odgrywają
w matematyce rolę pomocniczą, są narzędziem pozwalającym
rozszerzać i rozwijać system prawd realnych. Dzięki nim możemy
w szczególności budować łatwiejsze, krótsze i bardziej
eleganckie dowody. Uważał przy tym, że niesprzeczność jest
wystarczającym warunkiem istnienia.
Matematykę infinistyczną należało zatem ugruntować
i usprawiedliwić za pomocą narzędzi finitystycznych, wykorzystując
narzędzia stworzonej przez niego teorii dowodu. W tym
celu należało całą matematykę klasyczną zrekonstruować jako
duży, szczegółowo opisany system sformalizowany, a następnie,
19 [...] die endgültige Aufklärung über das Wesen des Unendlichen
weit über den Bereich spezieller fachwissenschaftlicher Interessen
vielmehr zur Ehre des menschlichen Verstandes selbst notwendig geworden
ist; tamże, s. 163
32
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
abstrahując od treści aksjomatów i reguł dowodzenia, a biorąc
pod uwagę jedynie kształt napisów a więc obiektów konkretnych
i skończonych wykazać, że taki system jest niesprzeczny.
W ten sposób kontrowersyjne pojęcie nieskończoności aktualnej
zostanie dobrze ugruntowane i usprawiedliwione.
Początkowo Hilbert i jego uczniowie uzyskiwali sukcesy
w realizacji tego programu. Niestety wyniki Kurta Gödla (1906
1978), tzn. jego twierdzenia o niezupełności, pokazały, że programu
Hilberta nie da się zrealizować w jego oryginalnej postaci.
Nie można bowiem za pomocą słabych (w tym wypadku
skończonych, finitystycznych) środków wykazać niesprzeczności,
a więc ugruntować matematyki operującej nieskończonością
aktualną. Tak więc redukcjonistyczny pomysł Hilberta nie
może być przeprowadzony. Dalsze badania pokazały jednak, że
można go zrealizować częściowo, tzn. spore fragmenty matematyki
klasycznej, więcej nawet, fragmenty z punktu widzenia
normalnej, nieskażonej dociekaniami logicznymi matematyki
zadowalająco duże, mogą zostać finitystycznie ugruntowane.
* * *
Przedstawiliśmy zarys rozwoju pojęcia nieskończoności w matematyce
i zmagania z nim matematyków. Jaka jest dziś sytuacja?
Do czego doprowadziły te wysiłki? Czy udało się ujarzmić
nieskończoność?
Nieskończoność jest w matematyce klasycznej zadomowiona,
trudno wyobrazić sobie matematykę bez nieskończono33
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
ści aktualnej, której wymaga już choćby definicja/konstrukcja
tak fundamentalnego pojęcia, jak pojęcie liczby rzeczywistej.
Oczywiście są kierunki, które kosztem ograniczenia i zubożenia
matematyki rezygnują z nieskończoności aktualnej i zadowalają
się (co najwyżej) nieskończonością potencjalną. Stanowią one
jednak margines głównego nurtu matematyki. Z drugiej strony
nie ma zadowalającej wszystkich zainteresowanych filozoficznej
koncepcji nieskończoności w matematyce, niemożliwe zdaje
się pełne wyjaśnienie i zrozumienie natury nieskończoności na
gruncie filozofii matematyki. Nie przeszkadza to jednak w korzystaniu
z niej i odwoływaniu się do niej przez matematyków.
Na czym zatem opierają się oni? Otóż podstawą jest tu aksjomatyczna
teoria mnogości. Wobec antynomii, na które uwagę
zwrócił już Cantor i które starał się eliminować, próbowano
ugruntować teorię zbiorów za pomocą metody aksjomatycznej.
Pierwszy system aksjomatów zaproponował w roku 1908 Ernst
Zermelo (18711953),rozbudowano go później przez dołączenie
kilku dodatkowych aksjomatów (Abraham Fraenkel, Thoralf
Skolem). Dziś system ten jest najszerzej akceptowany i używany
nazywa się go systemem Zermela-Fraenkla i oznacza
jako ZF lub ZFC, gdy dołącza się doń aksjomat wyboru. Można
więc powiedzieć, że system ZF(C) jest w tej chwili standardową
matematyczną teorią nieskończoności.
Sytuacja nie jest jednak tak prosta, gdyż obok ZF istnieją
też inne, równie uprawnione i uzasadnione systemy aksjomatyczne
teorii mnogości, czyli inne aksjomatyczne ujęcia
nieskończoności. Mamy zatem w szczególności systemy
34
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
von Neumanna-Gödla-Bernaysa i Kelleya-Morsea, w których
odróżnia się klasy i zbiory, system Ackermanna, system
semizbiorów Vopěnki, w którym rozróżnia się klasy, zbiory
i tzw. semizbiory, czyli podklasy zbiorów niebędące zbiorami,
tzw. alternatywną teorię mnogości Vopěnki, podobną do teorii
semizbiorów, ale mającą wiele wspólnego z analizą niestandardową
Robinsona i z ideami ultraintuicjonistów, systemy oparte
na teorii typów, systemy Quinea, które próbują łączyć Russella
idee typizacji wyrażeń i Zermela idee ograniczania rozmiaru.
Każdy z tych systemów ma swoje zalety i wady. Dla przykładu:
alternatywna teoria mnogości pozwala inaczej w duchu Leibniza
ugruntować rachunek różniczkowy i całkowy, w niektórych
przypadkach pozwala rozwiązać problemy otwarte20, systemy
Quinea odwołują się do typów, co jest dla matematyka
czymś obcym, ale za to jest ostatnio używane w programowaniu.
Wszystkie te systemy są zgodnie z twierdzeniami Gödla
o niezupełności niezupełne, tzn. istnieją w nich zdania nierozstrzygalne
oraz nie mamy i nigdy mieć nie będziemy absolutnych
dowodów ich niesprzeczności. Zatem niemożliwe wydaje
się pełne zrozumienie natury nieskończoności za pomocą narzędzi
matematycznych. Nie wiemy też, czy systemy teorii mnogości
są bezpieczne (z logicznego punktu widzenia). Zatem praktyczne
przekonanie o ich niesprzeczności bazować musi na tym,
że dotąd żadnej niesprzeczności w nich nie znaleziono, a jeśli
20 Więcej na temat alternatywnej teorii mnogości i jej filozofii por.
Vopěnka (1983) oraz Murawski (2002), 138141.
35
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
znaleziono, to potrafiono ją wyeliminować. Pozostaje więc tylko
wiara w niesprzeczność, a niesprzeczność to przecież podstawowa
cecha i fundamentalny wymóg w stosunku do każdej teorii.
Znamy konkretne zdania nierozstrzygalne na przykład dla
systemu Zermela-Fraenkla są nimi w szczególności aksjomat
wyboru i (uogólniona) hipoteza kontinuum. Można więc mówić
o teorii ZF z/bez aksjomatu wyboru i z/bez hipotezy kontinuum.
Wszystkie te wersje są w sobie niesprzeczne, choć wzajemnie
sprzeczne. Są zatem dobrymi teoriami nieskończoności, ale różnymi
i niezgodnymi z sobą. A zatem możliwych jest wiele różnych
teorii nieskończoności. Którą z nich wybrać w matematyce?
Jakie własności przypisać nieskończoności? Jaki jest więc
świat matematyki?
Przy okazji badań nad hipotezą kontinuum pojawiła się (już
u Gödla) idea wzbogacenia aksjomatów teorii mnogości o nowe
aksjomaty nieskończoności postulujące istnienie dużych liczb
kardynalnych, a zatem dużych nieskończoności. Mamy zatem
aksjomaty postulujące istnienie liczb kardynalnych nieosiągalnych,
liczb Mahlo, liczb mierzalnych, zwartych, superzwartych
itd. Należy jednak zapytać, na jakiej podstawie możemy przyjmować
takie duże nieskończoności i czy pomogą one rozstrzygnąć
hipotezę kontinuum dotyczącą zresztą dwóch nieskończoności
najniżej stojących w hierarchii. Gödel sugerował, że
należy odwołać się do intuicji matematycznej nie sprecyzował
jednak, czym ona w istocie jest. Inni, na przykład A. Kanamori
i M. Magidor mówią o zasadach teologicznych czy racjach
czysto formalnych. Jeśli chodzi o drugą kwestię, to żaden
36
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
z rozważanych dotąd aksjomatów dużych nieskończoności nie
pozwolił rozstrzygnąć hipotezy kontinuum, z którą zmagał się
przecież już sam Cantor.
Dzięki teorii mnogości (niezależnie od tego, że możliwe są
różne jej ujęcia) matematyka dysponuje matematycznym, niezależnym
od filozofii pojęciem nieskończoności, które można badać
metodami matematycznymi, a więc ściśle; wiemy dokładnie,
co wiemy i czego nie wiemy o nieskończoności (aktualnej)
i co zależy oraz jak zależy od nieskończoności. Nieskończoność
przestała więc być pojęciem podejrzanym, ma swoje stabilne
miejsce w matematyce, a matematyka wymagająca nieskończoności
aktualnej uzyskała bazę i podstawy choć niejednoznaczne.
Teoria mnogości jako teoria nieskończoności stała się
bazą, podstawą i światem matematyki.
Nieskończoność jest w matematyce niezbędna słusznie
więc matematycy, w szczególności Hilbert, jej bronili. Co więcej,
nieskończoność jest potrzebna także w tych częściach matematyki,
które traktują o obiektach skończonych, na przykład
w teorii liczb zajmującej się własnościami liczb naturalnych
0, 1, 2, 3, ...Pokazują to wyraźnie wyniki Parisa-Kirbyego-Harringtona
podające przykłady prawdziwych własności liczb naturalnych,
których nie można wykazać w systemie aksjomatycznym
arytmetyki, a które można udowodnić używając pewnych
środków teorii mnogości, czyli dopuszczając pewną formę nieskończoności.
Innymi słowy: co najmniej pierwszy stopień
pozaskończoności
w teorii mnogości Cantora jest konieczny dla
matematyki (dokładniej: kombinatoryki) skończonej.
37
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
Dodajmy jeszcze, że w teorii mnogości definiuje się zazwyczaj
skończoność poprzez nieskończoność, tzn. powiada się, że
zbiór jest skończony, jeśli nie jest nieskończony. Okazuje się, że
można też próbować definiować skończoność wprost, ale wtedy
możliwe są różne definicje, które są równoważne jedynie przy
założeniu aksjomatu wyboru, który sam jest kontrowersyjny
oraz niesprzeczny i niezależny od ogólnie akceptowanego korpusu
aksjomatów teorii mnogości.
Dalej więc chyba aktualne są słowa Hilberta z jego pracy
Über das Unendliche:
Nieskończoność, tak jak żadne inne pytanie, od dawna bardzo
głęboko poruszała umysł ludzki; nieskończoność, jak żadna inna
idea, oddziaływała tak pobudzająco i owocnie na umysł; nieskończoność
jednakże, jak żadne inne pojęcie, wymaga wyjaśnienia21.
Wobec zaś braku definitywnych rozstrzygnięć wielu kwestii
dotyczących nieskończoności, pozostaje podzielić opinię Paula
J. Cohena, który w pracy The Discovery of Forcing powiada:
Jedyną rzeczywistością, którą naprawdę pojmujemy jest rzeczywistość
naszego doświadczenia. Mamy jednak cudowną zdolność
21 Das Unendliche hat wie keine andere Frage von jeher so tief das
Gemüt der Menschen bewegt; das Unendliche hat wie kaum eine andere
Idee auf den Verstand so anregend und fruchtbar gewirkt; das
Unendliche ist aber auch wie kein anderer Begriff so der Aufklärung
bedürftig; D. Hilbert, Über das Unendliche, dz. cyt., s. 163.
38
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
do ekstrapolacji. Prawa nieskończoności są ekstrapolacjami naszego
doświadczenia ze skończonością. Jeśli jest coś nieskończonego,
to być może to właśnie dzięki cudownej intuicji, którą
posiadamy, jesteśmy w stanie wyczuć, które aksjomaty będą prowadzić
do niesprzecznego i pięknego systemu, takiego jak nasza
współczesna teoria mnogości22.
I dodaje:
Dla mnie to [właśnie] estetyka może pełnić bardzo dobrze rolę
ostatecznego arbitra. Zgadzam się z Hilbertem, że Cantor stworzył
dla nas raj. Myślę, że dla Hilberta był to raj, gdyż sprawiał,
że matematyka, którą kochał, znajduje się poza wszelką krytyką,
dawał jej podstawę, która wytrzymywała wszelką krytykę. Dla
mnie jest to raczej raj pięknych wyników, które w ostateczności
dotyczą tylko skończoności, ale żyją w nieskończoności naszych
umysłów23.
22 The only reality we truly comprehend is that of our own experience.
But we have a wonderful ability to extrapolate. The laws of the
infinite are extrapolations of our experience with the finite. If there is
something infinite, perhaps it is the wonderful intuition we have which
allow us to sense what axioms will lead to a consistent and beautiful
system as our contemporary set theory; P.J. Cohen, The discovery of
forcing, Rocky Mountain Journal of Mathematics 2002, 32, s. 1099
23 For me, it is the aesthetics which may very well be the final arbiter.
I agree with Hilbert that Cantor created a paradise for us. For Hilbert,
I think it was a paradise because it put the mathematics he loved beyond
all criticism, gave it a foundation that would withstand all criticism. For
me, it is rather a paradise of beautiful results, in the end only dealing
with the finite but living in the infinity of our own minds; tamże, s. 1100
39
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
Bibliografia
Arystoteles, Fizyka, tłum. K. Leśniak, Państwowe Wydawnictwo
Naukowe, Warszawa 1968.
Bedurftig Th., Murawski R., Philosophie der Mathematik, Walter
de Gruyter, Berlin/New York 2010; wydanie drugie rozszerzone:
Walter de Gruyter, Berlin/Boston 2012.
Bolzano B.,. Paradoxien des Unendlichen. Herausgegeben aus dem
schriftlichen Nachlasse des Verfassers von Dr. Fr. Přihonsky,
bei C.H. Reclam Sen., Leipzig 1850, przekład polski: Paradoksy
nieskończoności, tłum. Ł. Pakalska, Państwowe Wydawnictwo
Naukowe, Warszawa 1966.
Cantor G., Mitteilungen zum Lehre vom Transfiniten, Zeitschrift
für Philosophie und philosophische Kritik 18871888, 91,
s. 81125 oraz 92, s. 240265. Przedruk [w:] G. Cantor, Gesammelte
Abhandlungen mathematischen und philsophischen
Inhalts, red. E. Zermelo, Verlag von Julius Springer, Berlin
1932 (reprint: Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg/New York
1980), s. 378439. Przekład polski fragmentów: O pozaskończoności,
[w:] R. Murawski, Filozofia matematyki. Antologia
tekstów klasycznych, Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu
im. Adama Mickiewicza, Poznań 1986, s. 160171.
Cohen P.J., The discovery of forcing, Rocky Mountain Journal of
Mathematics 2002, 32, s. 1071 1100.
Dauben J.W., Georg Cantor. His Mathematics and Philosophy of
Infinite, Harvard University Press, Cambridge, Mass.London
1979.
Dedekind R., Was sind und was sollen die Zahlen?, Friedrich Vieweg
und Sohn, Braunschweig 1888. Przekład polski fragmentów:
O zbiorach nieskończonych, [w:] R. Murawski, Filozofia
matematyki. Antologia tekstów klasycznych, Wydawnictwo
Naukowe Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza, Poznań
1986, s. 155.
40
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
Euklides, Euklidesa początków geometryi ksiąg ośmioro, to iest
sześć pierwszych, jedenasta i dwunasta z dodanemi przypisami
dla pożytku młodzi akademickiey wytłumaczone przez Józefa
Czecha, nakładem i drukiem Iózefa Zawadzkiego, typografa
Imperatorskiego Wileńskiego Uniwersytetu, Wilno 1807.
Euklides, Euclidis Elementa, post I.L. Heiberg, edidit E.S. Stamatis,
Bibliotheca Scriptorum Graecorum et Romanorum Teubneriana,
BSB B.G. Teubner Verlagsgesellschaft, Leipzig 1969.
Galileo Galilei, Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno
a due nuove scienze attenenti alla meccanica e i movimenti
locali, Leyden 1638.
Hilbert D., Über das Unendliche, Mathematische Annalen 1926,
95, s. 161190. Przekład polski: O nieskończoności, [w:]
R. Murawski, Filozofia matematyki. Antologia tekstów klasycznych,
Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu im. Adama
Mickiewicza, Poznań 1986, s. 288307.
Leibniz G.W., Nouveaux essais sur lentendement humain, 1704.
Przekład polski: Nowe rozważania dotyczące rozumu ludzkiego,
tłum. I. Dąmbska, Państwowe Wydawnictwo Naukowe,
Warszawa 1955. Przedruk fragmentów: O nieskończoności,
[w:] R. Murawski, Filozofia matematyki. Antologia tekstów
klasycznych, Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu im.
Adama Mickiewicza, Poznań 1986, s. 98101.
Meschkowski H., Aus den Briefbüchern Georg Cantors, Archive
for History of Exact Sciences 19621966, 2, s. 503519.
Mikołaj z Kuzy, De docta ignorantia, 1440. Reprint [w:] Mikołaj
z Kuzy, Nicolae Cusae Cardinalis Opera, Paris 1514, oraz
Nikolaus von Kues, Philosophisch-Theologische Schriften,
Lateinisch-Deutsch, (ed.) L. Gabriel, Herder Verlag, Wien
19641967, vol. IIII. Przekład polski: O oświeconej niewiedzy,
tłum. I. Kania, Wydawnictwo ZNAK, Kraków 1997.
Mikołaj z Kuzy, De mathematica perfectione, 1488. Reprint [w:]
Mikołaj z Kuzy, Nicolae Cusae Cardinalis Opera, Paris 1514,
41
Nieskończoność w matematyce. Zmagania z potrzebnym, acz...
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
oraz Nikolaus von Kues, Philosophisch-Theologische Schriften,
Lateinisch-Deutsch, (ed.) L. Gabriel, Herder Verlag, Wien
19641967, vol. IIII.
Mikołaj z Kuzy, Liber de mente, 1448. Reprint [w:] Mikołaj z Kuzy,
Nicolae Cusae Cardinalis Opera, Paris 1514, oraz Nikolaus
von Kues, Philosophisch-Theologische Schriften, Lateinisch-
-Deutsch, (ed.) L. Gabriel, Herder Verlag, Wien 19641967,
vol. IIII.
Mikołaj z Kuzy, Nicolae Cusae Cardinalis Opera, Paris 1514.
Murawski R., G. Cantora filozofia teorii mnogości, Studia Filozoficzne
1984, 1112 (9228229), s. 7588. Przekład angielski:
Cantors Philosophy of Set Theory, [w:] R. Murawski, Essays
in the Philosophy and History of Logic and Mathematics,
Editions Rodopi, AmsterdamNew York, NY 2010, s. 1528.
Murawski R., Filozofia matematyki. Antologia tekstów klasycznych,
Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza,
Poznań 1986; wydanie drugie: Poznań 1994; wydanie
trzecie: Poznań 2003.
Murawski R., Filozofia matematyki. Zarys dziejów, Wydawnictwo
Naukowe PWN, Warszawa 1995; wydanie drugie: Warszawa
2001; wydanie piąte: Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu
im. Adama Mickiewicza, Poznań 2013.
Murawski R., Współczesna filozofia matematyki. Wybór tekstów,
Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2002.
Nikolaus von Kues, Philosophisch-Theologische Schriften, Lateinisch-
Deutsch, (ed.) L. Gabriel, Herder Verlag, Wien 1964
1967, vol. IIII.
Pascal B., Pensées sur la religion et autres sujets, Paris 1659. Przekład
polski: Myśli, tłum. T. Żeleński (Boy), Instytut Wydawniczy
PAX, Warszawa 1972.
Poincaré H., Dernieres pensées, Ernst Flammarion, Éditeur, Paris
1920. Przekład polski fragmentów: Logika nieskończoności,
[w:] R. Murawski, Filozofia matematyki. Antologia tekstów
42
Roman Murawski
Zagadnienia Filozoficzne w Nauce | LV 2014
klasycznych, Wydawnictwo Naukowe Uniwersytetu im.
Adama Mickiewicza, Poznań 1986, s. 252261.
Proklos Diadochus, Kommentar zum ersten Buch von Euklids
Elementen, Halle (Saale) 1945. Oryginał grecki w: Procli
Diadochi in Primum Elementorum Librum Commentarii, ed.
G. Friedlein, B.G. Teubner, Leipzig 1873; reprint: G. Olms,
Hildesheim 1967. Przekład polski fragmentów: Z Komentarza
do Elementów Euklidesa, [w:] R. Murawski, Filozofia matematyki.
Antologia tekstów klasycznych, Wydawnictwo Naukowe
Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza, Poznań 1986,
s. 5158.
Reid C., Hilbert, Springer Verlag, BerlinHeidelbergNew York
1970.
|