← all shorts

Math

Gödel's Incompleteness - Math's Impossible Truth

#094 · 5 min read

A brick tower reaches towards the sky, with mathematical symbols floating around it, symbolizing Gödel's Incompleteness Theorem.

In 1931, a slight, hypochondriac logician in Vienna proved that mathematics could never prove everything true about itself. The result has not been undone in ninety-five years, and probably cannot be.

In the summer of 1930, a 24-year-old Austrian logician named Kurt Gödel travelled to Königsberg for a conference on the foundations of mathematics. On the last day, in a roundtable discussion, he mentioned almost in passing that he had found arithmetic statements which were true but could not be proven from the standard axioms. Only one person in the room, John von Neumann, appears to have understood what he had just said. Within weeks von Neumann had worked out a corollary on his own and written to Gödel about it. Gödel wrote back: he already had it. The paper appeared the following year in *Monatshefte für Mathematik und Physik*, twenty-five pages long, in German, with the modest title *On Formally Undecidable Propositions of Principia Mathematica and Related Systems*.

The context matters. For thirty years David Hilbert had been pushing a programme to put all of mathematics on an unshakeable footing: a finite set of axioms, a finite set of rules of inference, and a guarantee that every true statement of arithmetic could in principle be derived from them. The programme had a slogan — *Wir müssen wissen, wir werden wissen*, we must know, we shall know — which Hilbert had delivered as a radio address in Königsberg the day before Gödel spoke. The two events happened in the same city, forty-eight hours apart. One of them aged badly.

Gödel Incompleteness Theorem
Gödel Incompleteness Theorem janoma.cl · BY 2.0

The trick

Gödel's move was to make arithmetic talk about itself. He assigned a unique number — a Gödel number — to every symbol, every formula, and every proof in the formal system of *Principia Mathematica*. The statement "2+2=4" becomes a specific integer. So does the statement "there exists a proof of 2+2=4." Once formulas are numbers, statements *about* formulas are statements about numbers, which means they are themselves formulas inside the system. The system can now reason about its own reasoning.

A Vienna study in 1931 contains a typewriter
A Vienna study in 1931 contains a typewriter Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

With that machinery in place, Gödel constructed a sentence — call it *G* — which, when decoded, reads: *this sentence has no proof in the system*. Then he asked what happens if you try to prove it. Suppose *G* is provable. Then what *G* asserts is false, so the system has proven a false statement, and the system is inconsistent. Suppose *G* is unprovable. Then what *G* asserts is true, and we have a true sentence the system cannot reach. Either the system is broken, or it is incomplete. There is no third door.

Gödel, Dyson, Rees
Gödel, Dyson, Rees jurvetson · BY 2.0

A year later Gödel landed the second blow. The statement "this system is consistent" can itself be written in the language of the system. It too cannot be proven from inside. Any sufficiently strong formal system that *can* prove its own consistency is, by that very fact, inconsistent. Mathematics cannot vouch for itself.

What it did and did not break

The theorem does not say mathematicians cannot know things. It says no single formal system, fixed in advance, can capture all the truths of arithmetic. You can always bolt on a new axiom — for instance, the axiom that the old system is consistent — and prove more. But the new, larger system will have its own *G*, its own unreachable truth, and the process never terminates. The unprovable statements are not exotic curiosities sitting in some far corner of logic; they appear at the level of ordinary whole-number arithmetic.

A mechanical proof machine made of gears
A mechanical proof machine made of gears Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Real examples have since been found. Goodstein's theorem is a statement about sequences of integers that any schoolchild can check on small cases. It is true. It cannot be proven in Peano arithmetic. The Paris–Harrington theorem, a strengthening of a finite version of Ramsey's theorem, is similarly true and similarly out of reach. These are not pathological constructions; they are clean mathematical claims that happen to live on the wrong side of a fence Gödel showed must exist.

Kurt Gödel
Kurt Gödel AK Rockefeller · BY-SA 2.0

Hilbert never publicly conceded. He kept editing the programme, narrowing what "foundations" was supposed to deliver, until his death in 1943. Gödel left Vienna in 1940, walked across the Soviet Union and Japan to escape the war, and ended up at the Institute for Advanced Study in Princeton, where he became close friends with Einstein. The two of them would walk home together most afternoons. Einstein once said he came to the Institute mainly for the privilege of walking back with Gödel.

Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as
Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

What we still don't know

We do not know how far the damage extends to mathematics as actually practised. Almost everything working mathematicians prove sits comfortably inside ZFC, the standard set-theoretic axioms. Whether interesting open questions — the Riemann hypothesis, P versus NP — are independent of ZFC in Gödel's sense is, mostly, unknown.

Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna.
Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna. Unknown authorUnknown author · Public domain

We do not know what to make of the philosophical fallout. Roger Penrose has argued for forty years that incompleteness shows the human mind is not a computer, because we can "see" the truth of *G* from outside the system. Most logicians think the argument doesn't work. The debate is unresolved and may be unresolvable.

A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles
A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

We do not know whether Gödel himself believed in a Platonic realm of mathematical objects that the formal systems were failing to fully describe. His private notebooks suggest he did. He also believed, near the end of his life, that he was being poisoned, and starved himself to death in 1978 rather than eat food his wife had not prepared.

The sentence that broke mathematics weighed nothing and said nothing about the world. It only said something about itself, and that was enough.

1931年,维也纳一位身材瘦小、患有疑病症的逻辑学家证明,数学永远无法证明关于其自身的所有正确论断。在过去的九十五年里,这一结论从未被推翻,而且很可能永远无法被推翻。

1930年夏天,一位24岁的奥地利逻辑学家 Kurt Gödel 前往柯尼斯堡参加一个关于数学基础的会议。在最后一天的圆桌讨论中,他几乎是顺便提到,他发现了一些算术陈述,它们是正确的,但无法从标准公理中得到证明。当时在场的人中,似乎只有 John von Neumann 理解了他刚才说的话。几周之内,冯·诺依曼自己推导出了一个推论,并写信给哥德尔。哥德尔回信说:他已经得出了这个结论。这篇论文于次年发表在《数学与物理月刊》上,共25页,德文撰写,题目非常谦虚——《论〈数学原理〉及相关系统中的形式不可判定命题》。

背景非常重要。三十年来,David Hilbert 一直在推进一个计划,旨在将所有数学建立在坚不可摧的基础之上:一套有限的公理、一套有限的推理规则,并保证算术的每一个正确陈述在原则上都可以从中推导出来。该计划有一个口号——*Wir müssen wissen, wir werden wissen*(我们必须知道,我们必将知道)——这是希尔伯特在哥德尔发言的前一天,在柯尼斯堡发表广播演讲时说的话。这两件事发生在同一个城市,相隔48小时。然而,其中一件事在岁月的考验下显得有些不合时宜。

Gödel Incompleteness Theorem
Gödel Incompleteness Theorem janoma.cl · BY 2.0

诀窍

哥德尔的做法是让算术讨论其自身。他为《数学原理》形式系统中的每个符号、每个公式和每个证明分配了一个独特的数字——Gödel number(哥德尔数)。陈述“2+2=4”变成了一个特定的整数。陈述“存在2+2=4的证明”也是如此。一旦公式变成了数字,关于公式的陈述就是关于数字的陈述,这意味着它们本身就是系统内的公式。系统现在可以对自己的推理进行推理。

A Vienna study in 1931 contains a typewriter
A Vienna study in 1931 contains a typewriter Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

有了这套机制,哥德尔构建了一个句子——称之为 *G*——解码后写道:*本句子在系统内是无证明的*。然后他问,如果你试图证明它会发生什么。假设 *G* 是可证明的。那么 *G* 所断言的就是假的,因此系统证明了一个错误的陈述,系统就是不一致的。假设 *G* 是不可证明的。那么 *G* 所断言的就是真的,我们就有了一个系统无法触及的正确句子。要么系统崩溃了,要么它是不完备的。没有第三条路。

Gödel, Dyson, Rees
Gödel, Dyson, Rees jurvetson · BY 2.0

一年后,哥德尔给出了第二击。陈述“该系统是一致的”本身也可以用该系统的语言写出来。这同样无法从内部得到证明。任何足够强大的、能够证明自身一致性的形式系统,正因为这一事实,反而是不一致的。数学无法为自己担保。

它破坏了什么,没有破坏什么

该定理并没有说数学家无法认识事物。它说的是,没有任何一个预先确定的形式系统能够捕获算术的所有真理。你总是可以强行加入一个新的公理——例如,旧系统是一致的这一公理——并证明更多命题。但是,新的、更大的系统将会有它自己的 *G*,它自己无法触及的真理,这个过程永远不会终结。这些不可证明的陈述并不是坐在逻辑某个遥远角落的异国珍玩;它们就出现在普通整数算术的层面上。

A mechanical proof machine made of gears
A mechanical proof machine made of gears Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

此后人们发现了真实的例子。Goodstein's theorem(古德斯坦定理)是一个关于整数序列的陈述,任何学童都可以在较小的情形下进行验证。它是正确的。它无法在 Peano arithmetic(皮亚诺算术)中得到证明。帕里斯-哈林顿定理,即拉姆齐定理有限版本的一个强化版,同样是正确的,同样无法企及。这些并不是病态的构建;它们是干干净净的数学声称,只不过碰巧生活在哥德尔表明必须存在的栅栏的另一侧。

Kurt Gödel
Kurt Gödel AK Rockefeller · BY-SA 2.0

希尔伯特从未公开承认失败。他不断修改这一计划,缩小“基础”应该提供的内容,直到1943年去世。哥德尔于1940年离开维也纳,徒步穿越苏联和日本以躲避战争,最终来到普林斯顿的 Institute for Advanced Study(高等研究院),并在那里与爱迪生(注:原文为爱因斯坦)成为了密友。他们大多数下午都会一起散步回家。爱因斯坦曾说,他来高等研究院主要是为了有特权能与哥德尔一起散步回去。

Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as
Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

我们仍未知道的事

我们不知道这种破坏延伸到实际应用的数学中有多深。几乎所有工作中的数学家所证明的定理都安稳地存在于 ZFC(标准的集合论公理)之内。一些有趣的未解之谜——例如黎曼猜想、P对NP问题——在哥德尔的意义上是否独立于ZFC,在很大程度上仍然是未知的。

Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna.
Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna. Unknown authorUnknown author · Public domain

我们不知道如何看待哲学上的余波。Roger Penrose(罗杰·彭罗斯)四十年来一直认为,不完备性表明人类大脑不是计算机,因为我们可以从系统外部“看到” *G* 的真理性。大多数逻辑学家认为这个论点站不住脚。这场争论尚未解决,而且可能是无法解决的。

A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles
A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

我们不知道哥德尔本人是否相信存在一个形式系统无法完全描述的数学对象的柏拉图世界。他的私人笔记本表明他是相信的。在生命晚期,他还相信自己正被人下毒,并在1978年宁愿饿死也不吃任何不是他妻子亲手准备的食物。

打破数学的那个句子不占分量,也没有对世界做出任何阐述。它只说了关于它自己的一些事情,而这就足够了。

En 1931, un lógico vienés, delgado e hipocondríaco, demostró que las matemáticas nunca podrían probar todo lo que es verdadero sobre sí mismas. El resultado no ha sido revertido en noventa y cinco años, y probablemente no pueda serlo.

En el verano de 1930, un lógico austriaco de 24 años llamado Kurt Gödel viajó a Königsberg para una conferencia sobre los fundamentos de las matemáticas. El último día, en una mesa redonda, mencionó casi de pasada que había encontrado enunciados aritméticos que eran verdaderos pero que no podían probarse a partir de los axiomas estándar. Solo una persona en la sala, John von Neumann, parece haber entendido lo que acababa de decir. En pocas semanas, von Neumann desarrolló un corolario por su cuenta y le escribió a Gödel al respecto. Gödel le respondió: ya lo tenía. El artículo apareció al año siguiente en *Monatshefte für Mathematik und Physik*, con veinticinco páginas de extensión, en alemán, y con el modesto título *Sobre proposiciones formalmente indecidibles de Principia Mathematica y sistemas relacionados*.

El contexto importa. Durante treinta años, David Hilbert había estado impulsando un programa para dotar a todas las matemáticas de una base inquebrantable: un conjunto finito de axiomas, un conjunto finito de reglas de inferencia y la garantía de que cada enunciado verdadero de la aritmética podría, en principio, derivarse de ellos. El programa tenía un lema — *Wir müssen wissen, wir werden wissen* (Debemos saber, sabremos) — que Hilbert había pronunciado en un discurso de radio en Königsberg el día anterior a la intervención de Gödel. Los dos acontecimientos ocurrieron en la misma ciudad, con cuarenta y ocho horas de diferencia. Uno de ellos envejeció mal.

Gödel Incompleteness Theorem
Gödel Incompleteness Theorem janoma.cl · BY 2.0

El truco

El movimiento de Gödel consistió en hacer que la aritmética hablara de sí misma. Asignó un número único — un Gödel number (número de Gödel) — a cada símbolo, cada fórmula y cada demostración en el sistema formal de *Principia Mathematica*. El enunciado "2+2=4" se convierte en un entero específico. También el enunciado "existe una demostración de 2+2=4". Una vez que las fórmulas son números, los enunciados *sobre* las fórmulas son enunciados sobre números, lo que significa que son ellos mismos fórmulas dentro del sistema. El sistema ahora puede razonar sobre su propio razonamiento.

A Vienna study in 1931 contains a typewriter
A Vienna study in 1931 contains a typewriter Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Con esa maquinaria en su lugar, Gödel construyó una frase — llamémosla *G* — que, al ser descodificada, dice: *esta oración no tiene demostración en el sistema*. Luego preguntó qué pasaría si se intentara probarla. Supongamos que *G* es demostrable. Entonces lo que *G* afirma es falso, por lo que el sistema ha demostrado un enunciado falso, y el sistema es inconsistente. Supongamos que *G* es indemostrable. Entonces lo que *G* afirma es verdadero, y tenemos una oración verdadera que el sistema no puede alcanzar. O bien el sistema está roto, o bien es incompleto. No hay una tercera puerta.

Gödel, Dyson, Rees
Gödel, Dyson, Rees jurvetson · BY 2.0

Un año después, Gödel asestó el segundo golpe. El enunciado "este sistema es consistente" puede escribirse en el lenguaje del sistema. Este tampoco se puede probar desde dentro. Cualquier sistema formal lo suficientemente fuerte que *pueda* probar su propia consistencia es, por ese mismo hecho, inconsistente. Las matemáticas no pueden responder por sí mismas.

Lo que rompió y lo que no rompió

El teorema no dice que los matemáticos no puedan saber cosas. Dice que ningún sistema formal único, fijado de antemano, puede capturar todas las verdades de la aritmética. Siempre se puede añadir un nuevo axioma — por ejemplo, el axioma de que el sistema anterior es consistente — y probar más cosas. Pero el nuevo sistema, más grande, tendrá su propio *G*, su propia verdad inalcanzable, y el proceso nunca termina. Los enunciados indemostrables no son curiosidades exóticas que se encuentran en algún rincón lejano de la lógica; aparecen al nivel de la aritmética ordinaria de los números enteros.

A mechanical proof machine made of gears
A mechanical proof machine made of gears Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Desde entonces, se han encontrado ejemplos reales. El Goodstein's theorem (teorema de Goodstein) es un enunciado sobre secuencias de enteros que cualquier escolar puede comprobar en casos pequeños. Es verdadero. No se puede probar en la Peano arithmetic (aritmética de Peano). El teorema de Paris-Harrington, un fortalecimiento de una versión finita del teorema de Ramsey, es igualmente verdadero e igualmente inalcanzable. No son construcciones patológicas; son afirmaciones matemáticas limpias que resultan vivir en el lado equivocado de una valla que Gödel demostró que debía existir.

Kurt Gödel
Kurt Gödel AK Rockefeller · BY-SA 2.0

Hilbert nunca lo admitió públicamente. Siguió editando el programa, estrechando lo que se suponía que debían ofrecer los "fundamentos", hasta su muerte en 1943. Gödel abandonó Viena en 1940, cruzó la Unión Soviética y Japón a pie y en tren para escapar de la guerra, y terminó en el Institute for Advanced Study de Princeton, donde se hizo amigo íntimo de Einstein. Los dos volvían caminando juntos a casa casi todas las tardes. Einstein dijo una vez que venía al Instituto principalmente por el privilegio de regresar caminando con Gödel.

Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as
Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Lo que aún no sabemos

No sabemos hasta dónde llega el daño en las matemáticas tal como se practican realmente. Casi todo lo que los matemáticos en activo demuestran encaja cómodamente dentro de ZFC, los axiomas estándar de la teoría de conjuntos. Si preguntas abiertas interesantes — como la hipótesis de Riemann o P frente a NP — son independientes de ZFC en el sentido de Gödel es, en su mayor parte, desconocido.

Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna.
Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna. Unknown authorUnknown author · Public domain

No sabemos qué hacer con las consecuencias filosóficas. Roger Penrose ha argumentado durante cuarenta años que la incompletitud demuestra que la mente humana no es una computadora, porque podemos "ver" la verdad de *G* desde fuera del sistema. La mayoría de los lógicos piensan que el argumento no funciona. El debate no está resuelto y puede que sea irresoluble.

A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles
A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

No sabemos si el propio Gödel creía en un reino platónico de objetos matemáticos que los sistemas formales no lograban describir por completo. Sus cuadernos privados sugieren que sí. También creía, hacia el final de su vida, que lo estaban envenenando, y se dejó morir de hambre en 1978 antes que comer alimentos que su esposa no hubiera preparado.

La frase que rompió las matemáticas no pesaba nada y no decía nada sobre el mundo. Solo decía algo sobre sí misma, y eso fue suficiente.

Em 1931, um lógico vienense franzino e hipocondríaco provou que a matemática nunca poderia provar tudo o que é verdadeiro sobre si mesma. O resultado não foi desfeito em noventa e cinco anos e, provavelmente, não pode ser.

No verão de 1930, um lógico austríaco de 24 anos chamado Kurt Gödel viajou para Königsberg para uma conferência sobre os fundamentos da matemática. No último dia, em uma mesa-redonda, ele mencionou quase de passagem que havia encontrado enunciados aritméticos que eram verdadeiros, mas não podiam ser provados a partir dos axiomas padrão. Apenas uma pessoa na sala, John von Neumann, parece ter compreendido o que ele acabara de dizer. Em poucas semanas, von Neumann desenvolveu um corolário por conta própria e escreveu a Gödel sobre isso. Gödel respondeu: ele já tinha a solução. O artigo apareceu no ano seguinte no *Monatshefte für Mathematik und Physik*, com vinte e cinco páginas de extensão, em alemão, com o modesto título *Sobre Proposições Formalmente Indecidíveis do Principia Mathematica e Sistemas Relacionados*.

O contexto importa. Por trinta anos, David Hilbert vinha defendendo um programa para colocar toda a matemática em uma base inabalável: um conjunto finito de axiomas, um conjunto finito de regras de inferência e a garantia de que cada enunciado verdadeiro da aritmética pudesse, em princípio, ser derivado deles. O programa tinha um lema — *Wir müssen wissen, wir werden wissen* (Precisamos saber, nós saberemos) — que Hilbert proferira em um discurso de rádio em Königsberg no dia anterior à fala de Gödel. Os dois eventos aconteceram na mesma cidade, com quarenta e oito horas de diferença. Um deles envelheceu mal.

Gödel Incompleteness Theorem
Gödel Incompleteness Theorem janoma.cl · BY 2.0

O truque

A jogada de Gödel foi fazer a aritmética falar sobre si mesma. Ele atribuiu um número único — um Gödel number (número de Gödel) — a cada símbolo, cada fórmula e cada prova no sistema formal do *Principia Mathematica*. A afirmação "2+2=4" torna-se um número inteiro específico. O mesmo ocorre com a afirmação "existe uma prova de 2+2=4". Uma vez que as fórmulas são números, as afirmações *sobre* fórmulas são afirmações sobre números, o que significa que são elas próprias fórmulas dentro do sistema. O sistema agora pode raciocinar sobre seu próprio raciocínio.

A Vienna study in 1931 contains a typewriter
A Vienna study in 1931 contains a typewriter Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Com essa engrenagem montada, Gödel construiu uma sentença — chamemo-la de *G* — que, quando decodificada, diz: *esta sentença não tem prova no sistema*. Ele então perguntou o que acontece se você tentar prová-la. Suponha que *G* seja provável. Então o que *G* afirma é falso, logo o sistema provou uma afirmação falsa, e o sistema é inconsistente. Suponha que *G* seja improvável. Então o que *G* afirma é verdadeiro, e temos uma sentença verdadeira que o sistema não pode alcançar. Ou o sistema está quebrado, ou está incompleto. Não há terceira porta.

Gödel, Dyson, Rees
Gödel, Dyson, Rees jurvetson · BY 2.0

Um ano depois, Gödel desferiu o segundo golpe. A afirmação "este sistema é consistente" pode, ela mesma, ser escrita na linguagem do sistema. Ela também não pode ser provada de dentro. Qualquer sistema formal suficientemente forte que *possa* provar sua própria consistência é, por esse mesmo fato, inconsistente. A matemática não pode avalizar a si mesma.

O que ele quebrou e o que não quebrou

O teorema não diz que os matemáticos não podem saber as coisas. Ele diz que nenhum sistema formal único, fixado com antecedência, pode capturar todas as verdades da aritmética. Você sempre pode anexar um novo axioma — por exemplo, o axioma de que o sistema antigo é consistente — e provar mais. Mas o novo sistema, maior, terá sua própria *G*, sua própria verdade inalcançável, e o processo nunca termina. As afirmações improváveis não são curiosidades exóticas situadas em algum canto distante da lógica; elas aparecem no nível da aritmética comum dos números inteiros.

A mechanical proof machine made of gears
A mechanical proof machine made of gears Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Desde então, exemplos reais foram encontrados. O Goodstein's theorem (teorema de Goodstein) é uma afirmação sobre sequências de inteiros que qualquer estudante pode verificar em casos pequenos. É verdadeiro. Não pode ser provado na Peano arithmetic (aritmética de Peano). O teorema de Paris-Harrington, um fortalecimento de uma versão finita do teorema de Ramsey, é igualmente verdadeiro e igualmente inalcançável. Não se trata de construções patológicas; são afirmações matemáticas limpas que por acaso vivem do lado errado de uma cerca que Gödel mostrou que deve existir.

Kurt Gödel
Kurt Gödel AK Rockefeller · BY-SA 2.0

Hilbert nunca admitiu publicamente a derrota. Ele continuou editando o programa, estreitando o que as "fundações" deveriam entregar, até sua morte em 1943. Gödel deixou Viena em 1940, viajou pela União Soviética e pelo Japão para escapar da guerra e acabou no Institute for Advanced Study em Princeton, onde se tornou amigo íntimo de Einstein. Os dois caminhavam juntos de volta para casa na maioria das tardes. Einstein disse uma vez que ia ao Instituto principalmente pelo privilégio de caminhar de volta com Gödel.

Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as
Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

O que ainda não sabemos

Não sabemos até que ponto o estrago se estende à matemática como ela é realmente praticada. Quase tudo o que os matemáticos ativos provam situa-se confortavelmente dentro de ZFC, os axiomas padrão da teoria dos conjuntos. Se perguntas abertas interessantes — como a hipótese de Riemann ou P versus NP — são independentes de ZFC no sentido de Gödel é, na maior parte, desconhecido.

Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna.
Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna. Unknown authorUnknown author · Public domain

Não sabemos o que fazer com as ramificações filosóficas. Roger Penrose argumenta há quarenta anos que a incompletude mostra que a mente humana não é um computador, porque podemos "ver" a verdade de *G* de fora do sistema. A maioria dos lógicos acha que o argumento não funciona. O debate não está resolvido e pode ser irresolvível.

A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles
A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Não sabemos se o próprio Gödel acreditava em um reino platônico de objetos matemáticos que os sistemas formais não conseguiam descrever totalmente. Seus cadernos privados sugerem que sim. Ele também acreditava, perto do fim de sua vida, que estava sendo envenenado, e morreu de fome em 1978 em vez de comer alimentos que sua esposa não tivesse preparado.

A sentença que quebrou a matemática não pesava nada e nada dizia sobre o mundo. Dizia apenas algo sobre si mesma, e isso foi o suficiente.

En 1931, un logicien viennois chétif et hypocondriaque prouva que les mathématiques ne pourraient jamais tout démontrer sur elles-mêmes. Ce résultat n'a pas été démenti en quatre-vingt-quinze ans, et ne le sera probablement jamais.

Au cours de l'été 1930, um logicien autrichien de 24 ans nommé Kurt Gödel se rendit à Königsberg pour une conférence sur les fondements des mathématiques. Le dernier jour, lors d'une table ronde, il mentionna presque en passant qu'il avait découvert des énoncés arithmétiques qui étaient vrais mais ne pouvaient pas être démontrés à partir des axiomes standards. Une seule personne dans la salle, John von Neumann, semble avoir compris ce qu'il venait de dire. En quelques semaines, von Neumann élabora seul un corollaire et écrivit à Gödel. Gödel lui répondit : il l'avait déjà. L'article parut l'année suivante dans la revue *Monatshefte für Mathematik und Physik*, long de vingt-cinq pages, rédigé en allemand, sous le titre modeste *Sur les propositions formellement indécidables des Principia Mathematica et des systèmes apparentés*.

Le contexte a son importance. Depuis trente ans, David Hilbert défendait un programme visant à donner aux mathématiques une assise inébranlable : un ensemble fini d'axiomes, un ensemble fini de règles d'inférence, et la garantie que tout énoncé vrai de l'arithmétique pourrait en principe en être déduit. Ce programme avait un slogan — *Wir müssen wissen, wir werden wissen* (Nous devons savoir, nous saurons) — que Hilbert avait prononcé lors d'une allocution radio à Königsberg la veille de l'intervention de Gödel. Les deux événements eurent lieu dans la même ville, à quarante-huit heures d'intervalle. L'un des deux a très mal vieilli.

Gödel Incompleteness Theorem
Gödel Incompleteness Theorem janoma.cl · BY 2.0

L'astuce

Le coup de génie de Gödel fut de faire parler l'arithmétique d'elle-même. Il attribua un nombre unique — un Gödel number (nombre de Gödel) — à chaque symbole, chaque formule et chaque démonstration du système formel des *Principia Mathematica*. L'énoncé "2+2=4" devient un entier spécifique. Il en va de même pour l'énoncé "il existe une démonstration de 2+2=4". Dès lors que les formules sont des nombres, les énoncés *sur* les formules sont des énoncés sur des nombres, ce qui signifie qu'ils sont eux-mêmes des formules au sein du système. Le système peut désormais raisonner sur son propre raisonnement.

A Vienna study in 1931 contains a typewriter
A Vienna study in 1931 contains a typewriter Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Grâce à cette machinerie, Gödel construisit une proposition — appelons-la *G* — qui, une fois décodée, se lit : *cette proposition n'est pas démontrable dans le système*. Puis il se demanda ce qui se passerait si l'on tentait de la démontrer. Supposons que *G* soit démontrable. Alors ce que *G* affirme est faux, le système a donc démontré un énoncé faux, et le système est incohérent. Supposons que *G* soit indémontrable. Alors ce que *G* affirme est vrai, et nous avons une proposition vraie que le système ne peut pas atteindre. Soit le système est défaillant, soit il est incomplet. Il n'y a pas de troisième voie.

Gödel, Dyson, Rees
Gödel, Dyson, Rees jurvetson · BY 2.0

Un an plus tard, Gödel porta le second coup. L'énoncé "ce système est cohérent" peut lui-même s'écrire dans le langage du système. Lui non plus ne peut pas être démontré de l'intérieur. Tout système formel suffisamment fort qui *peut* démontrer sa propre cohérence est, de ce fait même, incohérent. Les mathématiques ne peuvent pas se porter garantes d'elles-mêmes.

Ce que le théorème a brisé et préservé

Le théorème ne dit pas que les mathématiciens ne peuvent rien savoir. Il dit qu'aucun système formel unique, fixé à l'avance, ne peut englober toutes les vérités de l'arithmétique. On peut toujours ajouter un nouvel axiome — par exemple, l'axiome affirmant que l'ancien système est cohérent — et démontrer davantage de choses. Mais le nouveau système, plus vaste, aura sa propre proposition *G*, sa propre vérité inaccessible, et ce processus ne s'arrête jamais. Les énoncés indémontrables ne sont pas des curiosités exotiques reléguées dans un coin lointain de la logique ; ils apparaissent au niveau de l'arithmétique ordinaire des nombres entiers.

A mechanical proof machine made of gears
A mechanical proof machine made of gears Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Depuis, des exemples concrets ont été découverts. Le Goodstein's theorem (théorme de Goodstein) est un énoncé sur les suites d'entiers que tout écolier peut vérifier sur de petits nombres. Il est vrai. Il ne peut pas être démontré dans l' Peano arithmetic (arithmétique de Peano). Le théorème de Paris-Harrington, un renforcement d'une version finie du théorème de Ramsey, est tout aussi vrai et tout aussi inaccessible. Ce ne sont pas des constructions pathologiques ; ce sont des affirmations mathématiques claires qui se trouvent simplement du mauvais côté d'une frontière dont Gödel a prouvé l'existence.

Kurt Gödel
Kurt Gödel AK Rockefeller · BY-SA 2.0

Hilbert n'a jamais admis sa défaite publiquement. Il continua à retravailler son programme, restreignant ce que les "fondements" devaient apporter, jusqu'à sa mort en 1943. Gödel quitta Vienne en 1940, traversa l'Union soviétique et le Japon pour fuir la guerre, et finit par s'installer à l' Institute for Advanced Study de Princeton, où il devint un ami proche d'Einstein. Les deux hommes rentraient ensemble à pied la plupart des après-midis. Einstein confia un jour qu'il ne venait à l'Institut que pour avoir le privilège de marcher aux côtés de Gödel.

Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as
Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Ce que nous ignorons encore

Nous ignorons jusqu'où les dégâts s'étendent aux mathématiques telles qu'elles sont réellement pratiquées. Presque tout ce que les mathématiciens démontrent tient confortablement dans ZFC, les axiomes standards de la théorie des ensembles. La question de savoir si des problèmes ouverts majeurs — la conjecture de Riemann, le problème P contre NP — sont indépendants de ZFC au sens de Gödel demeure, pour l'essentiel, irrésolue.

Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna.
Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna. Unknown authorUnknown author · Public domain

Nous ignorons ce qu'il faut penser des implications philosophiques. Roger Penrose soutient depuis quarante ans que l'incomplétude montre que l'esprit humain n'est pas un ordinateur, car nous pouvons "voir" la vérité de *G* depuis l'extérieur du système. La plupart des logiciens estiment que cet argument ne tient pas. Le débat n'est pas tranché et pourrait bien être insoluble.

A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles
A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Nous ignorons si Gödel lui-même croyait en un monde platonicien d'objets mathématiques que les systèmes formels ne parvenaient pas à décrire pleinement. Ses carnets intimes suggèrent que oui. Il était également convaincu, vers la fin de sa vie, qu'on cherchait à l'empoisonner, et se laissa mourir de faim en 1978 plutôt que de consommer des aliments que sa femme n'avait pas préparés.

La phrase qui a brisé les mathématiques ne pesait rien et ne disait rien sur le monde. Elle parlait simplement d'elle-même, et cela suffisait.

1931 bewies ein schmächtiger, hypochondrischer Logiker in Wien, dass die Mathematik niemals alles über sich selbst beweisen kann. Das Ergebnis wurde in den vergangenen 95 Jahren nicht widerlegt und kann es wahrscheinlich auch nicht werden.

Im Sommer 1930 reiste ein 24-jähriger österreichischer Logiker namens Kurt Gödel zu einer Konferenz über die Grundlagen der Mathematik nach Königsberg. Am letzten Tag erwähnte er in einer Diskussionsrunde fast beiläufig, dass er auf arithmetische Sätze gestoßen sei, die zwar wahr, aber aus den Standardaxiomen nicht beweisbar seien. Nur eine Person im Raum, John von Neumann, schien verstanden zu haben, was er gerade gesagt hatte. Innerhalb weniger Wochen hatte von Neumann selbst ein Korollar ausgearbeitet und an Gödel geschrieben. Gödel schrieb zurück: Er habe es bereits. Die Arbeit erschien im folgenden Jahr in den *Monatsheften für Mathematik und Physik*, 25 Seiten lang, auf Deutsch, mit dem bescheidenen Titel *Über formal unentscheidbare Sätze der Principia Mathematica und verwandter Systeme*.

Der Kontext ist entscheidend. Seit dreißig Jahren hatte David Hilbert ein Programm vorangetrieben, um die gesamte Mathematik auf ein unumstößliches Fundament zu stellen: eine endliche Menge von Axiomen, eine endliche Menge von Schlussregeln und die Garantie, dass jeder wahre Satz der Arithmetik im Prinzip aus ihnen abgeleitet werden konnte. Das Programm hatte einen Slogan — *Wir müssen wissen, wir werden wissen* —, den Hilbert am Tag vor Gödels Vortrag in einer Radioansprache in Königsberg verkündet hatte. Die beiden Ereignisse fanden in derselben Stadt statt, 48 Stunden auseinander. Eines davon überstand die Zeit schlecht.

Gödel Incompleteness Theorem
Gödel Incompleteness Theorem janoma.cl · BY 2.0

Der Trick

Gödels Schachzug war es, die Arithmetik über sich selbst sprechen zu lassen. Er wies jedem Symbol, jeder Formel und jedem Beweis im formalen System der *Principia Mathematica* eine eindeutige Zahl — eine Gödel number (Gödelnummer) — zu. Der Satz „2+2=4“ wird zu einer bestimmten Ganzzahl. Ebenso der Satz „Es existiert ein Beweis für 2+2=4“. Wenn Formeln Zahlen sind, sind Aussagen *über* Formeln Aussagen über Zahlen, was bedeutet, dass sie selbst Formeln innerhalb des Systems sind. Das System kann nun über sein eigenes Denken nachdenken.

A Vienna study in 1931 contains a typewriter
A Vienna study in 1931 contains a typewriter Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Mit diesem Apparat konstruierte Gödel einen Satz — nennen wir ihn *G* —, der entschlüsselt lautet: *Dieser Satz ist im System nicht beweisbar*. Dann fragte er, was passiert, wenn man versucht, ihn zu beweisen. Angenommen, *G* ist beweisbar. Dann ist das, was *G* behauptet, falsch, das System hat also eine falsche Aussage bewiesen, und das System ist widersprüchlich. Angenommen, *G* ist unbeweisbar. Dann ist das, was *G* behauptet, wahr, und wir haben einen wahren Satz, den das System nicht erreichen kann. Entweder ist das System fehlerhaft oder es ist unvollständig. Es gibt keine dritte Tür.

Gödel, Dyson, Rees
Gödel, Dyson, Rees jurvetson · BY 2.0

Ein Jahr später landete Gödel den zweiten Schlag. Die Aussage „Dieses System ist widerspruchsfrei“ kann selbst in der Sprache des Systems geschrieben werden. Auch sie kann von innen heraus nicht bewiesen werden. Jedes hinreichend starke formale System, das seine eigene Widerspruchsfreiheit beweisen *kann*, ist eben dadurch widersprüchlich. Die Mathematik kann sich nicht für sich selbst verbürgen.

Was es zerstört hat und was nicht

Der Satz besagt nicht, dass Mathematiker nichts wissen können. Er besagt, dass kein einzelnes, im Voraus festgelegtes formales System alle Wahrheiten der Arithmetik erfassen kann. Man kann immer ein neues Axiom hinzufügen — zum Beispiel das Axiom, dass das alte System widerspruchsfrei ist — und mehr beweisen. Aber das neue, größere System wird sein eigenes *G* haben, seine eigene unerreichbare Wahrheit, und der Prozess endet nie. Die unbeweisbaren Sätze sind keine exotischen Kuriositäten in einer fernen Ecke der Logik; sie tauchen auf der Ebene der gewöhnlichen Arithmetik der ganzen Zahlen auf.

A mechanical proof machine made of gears
A mechanical proof machine made of gears Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Seitdem wurden reale Beispiele gefunden. Das Goodstein's theorem (Goodstein-Theorem) ist eine Aussage über Zahlenfolgen, die jedes Schulkind an kleinen Beispielen überprüfen kann. Es ist wahr. Es kann in der Peano arithmetic (Peano-Arithmetik) nicht bewiesen werden. Das Paris-Harrington-Theorem, eine Verschärfung einer endlichen Version des Ramsey-Theorems, ist ebenso wahr und ebenso unerreichbar. Dies sind keine pathologischen Konstruktionen; es sind saubere mathematische Behauptungen, die zufällig auf der falschen Seite eines Zauns liegen, von dem Gödel gezeigt hat, dass er existieren muss.

Kurt Gödel
Kurt Gödel AK Rockefeller · BY-SA 2.0

Hilbert hat dies nie öffentlich eingestanden. Er überarbeitete das Programm weiter und verengte das, was die „Grundlagen“ leisten sollten, bis zu seinem Tod im Jahr 1943. Gödel verließ Wien 1940, reiste durch die Sowjetunion und Japan, um dem Krieg zu entkommen, und landete am Institute for Advanced Study in Princeton, wo er ein enger Freund von Einstein wurde. Die beiden gingen fast jeden Nachmittag zusammen nach Hause. Einstein sagte einmal, er sei hauptsächlich an das Institut gekommen, um das Privileg zu haben, mit Gödel nach Hause gehen zu dürfen.

Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as
Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Was wir noch nicht wissen

Wir wissen nicht, wie weit der Schaden für die tatsächlich praktizierte Mathematik reicht. Fast alles, was arbeitende Mathematiker beweisen, liegt sicher innerhalb von ZFC, den Standardaxiomen der Mengenlehre. Ob interessante offene Fragen — die Riemannsche Vermutung, P gegen NP — im Gödelschen Sinne unabhängig von ZFC sind, ist größtenteils unbekannt.

Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna.
Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna. Unknown authorUnknown author · Public domain

Wir wissen nicht, was wir aus den philosophischen Konsequenzen machen sollen. Roger Penrose argumentiert seit vierzig Jahren, dass die Unvollständigkeit zeigt, dass der menschliche Geist kein Computer ist, weil wir die Wahrheit von *G* von außerhalb des Systems „sehen“ können. Die meisten Logiker halten das Argument für falsch. Die Debatte ist ungelöst und vielleicht unlösbar.

A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles
A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Wir wissen nicht, ob Gödel selbst an ein platonisches Reich mathematischer Objekte glaubte, die von den formalen Systemen nicht vollständig beschrieben wurden. Seine privaten Notizbücher deuten darauf hin. Gegen Ende seines Lebens glaubte er auch, vergiftet zu werden, und hungerte sich 1978 zu Tode, anstatt Nahrung zu sich zu nehmen, die seine Frau nicht zubereitet hatte.

Der Satz, der die Mathematik zerbrach, wog nichts und sagte nichts über die Welt. Er sagte nur etwas über sich selbst, und das war genug.

Pada tahun 1931, seorang ahli logika yang kurus dan hipokondriak di Wina membuktikan bahwa matematika tidak akan pernah bisa membuktikan semua hal yang benar tentang dirinya sendiri. Hasil tersebut belum terbantahkan selama sembilan puluh lima tahun, dan kemungkinan besar tidak akan pernah bisa.

Pada musim panas tahun 1930, seorang ahli logika Austria berusia 24 tahun bernama Kurt Gödel pergi ke Königsberg untuk menghadiri konferensi tentang fondasi matematika. Pada hari terakhir, dalam diskusi panel, ia menyebutkan secara sepintas bahwa ia telah menemukan pernyataan aritmetika yang benar tetapi tidak dapat dibuktikan dari aksioma standar. Hanya satu orang di ruangan itu, John von Neumann, yang tampaknya memahami apa yang baru saja ia katakan. Dalam beberapa minggu, von Neumann telah merumuskan sebuah konsekuensi logis sendiri dan menulis surat kepada Gödel tentang hal itu. Gödel membalas: ia sudah menemukannya. Makalah tersebut terbit pada tahun berikutnya di *Monatshefte für Mathematik und Physik*, setebal dua puluh lima halaman, dalam bahasa Jerman, dengan judul yang sederhana *Tentang Proposisi-proposisi yang Tidak Dapat Diputuskan Secara Formal dari Principia Mathematica dan Sistem-sistem Terkait*.

Konteks ini penting. Selama tiga puluh tahun, David Hilbert telah mendorong sebuah program untuk menempatkan seluruh matematika pada landasan yang tak tergoyahkan: sekumpulan aksioma yang terbatas, sekumpulan aturan inferensi yang terbatas, dan jaminan bahwa setiap pernyataan aritmetika yang benar pada prinsipnya dapat diturunkan dari landasan tersebut. Program tersebut memiliki slogan — *Wir müssen wissen, wir werden wissen* (Kita harus tahu, kita akan tahu) — yang disampaikan Hilbert sebagai pidato radio di Königsberg sehari sebelum Gödel berbicara. Kedua peristiwa tersebut terjadi di kota yang sama, terpisah empat puluh delapan jam. Salah satunya menua dengan buruk.

Gödel Incompleteness Theorem
Gödel Incompleteness Theorem janoma.cl · BY 2.0

Triknya

Langkah Gödel adalah membuat aritmetika membicarakan dirinya sendiri. Ia menetapkan angka unik — sebuah Gödel number (nomor Gödel) — untuk setiap simbol, setiap rumus, dan setiap pembuktian dalam sistem formal *Principia Mathematica*. Pernyataan "2+2=4" menjadi bilangan bulat tertentu. Begitu pula dengan pernyataan "terdapat bukti dari 2+2=4". Setelah rumus berupa angka, pernyataan *tentang* rumus adalah pernyataan tentang angka, yang berarti pernyataan itu sendiri adalah rumus di dalam sistem. Sistem sekarang dapat menalar tentang penalarannya sendiri.

A Vienna study in 1931 contains a typewriter
A Vienna study in 1931 contains a typewriter Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Dengan mekanisme tersebut, Gödel menyusun sebuah kalimat — sebut saja *G* — yang ketika didekode berbunyi: *kalimat ini tidak memiliki bukti dalam sistem*. Kemudian ia bertanya apa yang terjadi jika Anda mencoba membuktikannya. Andaikan *G* dapat dibuktikan. Maka apa yang dinyatakan *G* adalah salah, sehingga sistem telah membuktikan pernyataan yang salah, dan sistem tersebut menjadi tidak konsisten. Andaikan *G* tidak dapat dibuktikan. Maka apa yang dinyatakan *G* adalah benar, dan kita memiliki kalimat benar yang tidak dapat dijangkau oleh sistem. Entah sistem tersebut rusak, atau tidak lengkap. Tidak ada pintu ketiga.

Gödel, Dyson, Rees
Gödel, Dyson, Rees jurvetson · BY 2.0

Setahun kemudian Gödel melancarkan pukulan kedua. Pernyataan "sistem ini konsisten" itu sendiri dapat ditulis dalam bahasa sistem tersebut. Pernyataan itu juga tidak dapat dibuktikan dari dalam. Sistem formal apa pun yang cukup kuat yang *dapat* membuktikan konsistensinya sendiri, berdasarkan fakta itu sendiri, adalah tidak konsisten. Matematika tidak dapat menjamin dirinya sendiri.

Apa yang dirusak dan tidak dirusak

Teorema ini tidak mengatakan bahwa matematikawan tidak dapat mengetahui berbagai hal. Teorema ini menyatakan bahwa tidak ada sistem formal tunggal, yang ditetapkan sebelumnya, yang dapat menangkap semua kebenaran aritmetika. Anda selalu dapat menambahkan aksioma baru — misalnya, aksioma bahwa sistem lama konsisten — dan membuktikan lebih banyak hal. Namun sistem baru yang lebih besar akan memiliki *G* sendiri, kebenaran tak terjangkau sendiri, dan proses tersebut tidak pernah berakhir. Pernyataan-pernyataan yang tidak dapat dibuktikan bukanlah keunikan eksotis yang berada di sudut logika yang jauh; pernyataan tersebut muncul pada tingkat aritmetika bilangan bulat biasa.

A mechanical proof machine made of gears
A mechanical proof machine made of gears Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Sejak saat itu, contoh-contoh nyata telah ditemukan. Goodstein's theorem (Teorema Goodstein) adalah pernyataan tentang urutan bilangan bulat yang dapat diperiksa oleh anak sekolah pada kasus-kasus kecil. Pernyataan tersebut benar. Pernyataan tersebut tidak dapat dibuktikan dalam Peano arithmetic (aritmetika Peano). Teorema Paris–Harrington, penguatan dari versi terbatas teorema Ramsey, juga benar dan sama-sama tidak dapat dijangkau. Ini bukanlah konstruksi patologis; ini adalah klaim matematika bersih yang kebetulan hidup di sisi pagar yang salah yang telah ditunjukkan Gödel bahwa pagar itu harus ada.

Kurt Gödel
Kurt Gödel AK Rockefeller · BY-SA 2.0

Hilbert tidak pernah mengakui kekalahannya secara terbuka. Ia terus merevisi program tersebut, mempersempit apa yang seharusnya dihasilkan oleh "fondasi", hingga kematiannya pada tahun 1943. Gödel meninggalkan Wina pada tahun 1940, berjalan melintasi Uni Soviet dan Jepang untuk menghindari perang, dan berakhir di Institute for Advanced Study di Princeton, tempat ia berteman akrab dengan Einstein. Keduanya akan berjalan pulang bersama hampir setiap sore. Einstein pernah berkata bahwa ia datang ke Institut terutama untuk mendapatkan hak istimewa berjalan pulang bersama Gödel.

Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as
Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Apa yang masih belum kita ketahui

Kita tidak tahu seberapa jauh kerusakan ini meluas pada matematika yang sebenarnya dipraktikkan. Hampir semua yang dibuktikan oleh para matematikawan yang bekerja berada di dalam ZFC, aksioma teori himpunan standar. Apakah pertanyaan terbuka yang menarik — seperti hipotesis Riemann, P vs NP — independen dari ZFC dalam pengertian Gödel, sebagian besar tidak diketahui.

Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna.
Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna. Unknown authorUnknown author · Public domain

Kita tidak tahu apa yang harus dilakukan dengan dampak filosofisnya. Roger Penrose telah berargumen selama empat puluh tahun bahwa ketidaklengkapan menunjukkan bahwa pikiran manusia bukanlah komputer, karena kita dapat "melihat" kebenaran *G* dari luar sistem. Kebanyakan ahli logika menganggap argumen tersebut tidak berhasil. Perdebatan ini belum terselesaikan dan mungkin tidak dapat diselesaikan.

A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles
A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Kita tidak tahu apakah Gödel sendiri percaya pada alam Platonis dari objek-objek matematika yang gagal dijelaskan secara lengkap oleh sistem formal. Buku catatan pribadinya menunjukkan bahwa ia mempercayainya. Ia juga percaya, menjelang akhir hayatnya, bahwa ia sedang diracuni, dan melaparkan dirinya sendiri hingga meninggal pada tahun 1978 daripada memakan makanan yang tidak disiapkan oleh istrinya.

Kalimat yang merusak matematika tidak memiliki bobot dan tidak mengatakan apa-apa tentang dunia. Kalimat itu hanya mengatakan sesuatu tentang dirinya sendiri, dan itu sudah cukup.

В 1931 году худощавый логик-ипохондрик из Вены доказал, что математика никогда не сможет доказать все истины о самой себе. Этот результат остается непоколебимым на протяжении девяноста пяти лет и, вероятно, никогда не будет опровергнут.

Летом 1930 года 24-летний австрийский логик по имени Kurt Gödel отправился в Кёнигсберг на конференцию по основаниям математики. В последний день на круглом столе он почти вскользь упомянул, что обнаружил арифметические утверждения, которые были истинными, но не могли быть доказаны на основе стандартных аксиом. Похоже, во всем зале только John von Neumann понял, о чем шла речь. Спустя пару недель фон Нейман самостоятельно вывел следствие и написал об этом Гёделю. Гёдель ответил: у него это решение уже было. Статья объемом в двадцать пять страниц была опубликована в следующем году в журнале *Monatshefte für Mathematik und Physik* на немецком языке под скромным названием *О формально неразрешимых предложениях Principia Mathematica и родственных систем*.

Исторический контекст имеет решающее значение. На протяжении тридцати лет David Hilbert продвигал программу по созданию для всей математики незыблемого фундамента: конечного набора аксиом, конечного набора правил вывода и гарантии того, что любое истинное арифметическое утверждение в принципе может быть выведено из них. У программы был девиз: *Wir müssen wissen, wir werden wissen* («Мы должны знать, мы будем знать»), с которым Гильберт выступил по радио в Кёнигсберге за день до речи Гёделя. Два этих события произошли в одном городе с разницей в сорок восемь часов. Одно из них проверку временем не прошло.

Gödel Incompleteness Theorem
Gödel Incompleteness Theorem janoma.cl · BY 2.0

Трюк

Идея Гёделя заключалась в том, чтобы заставить арифметику говорить о самой себе. Он присвоил уникальное число — Gödel number (число Гёделя) — каждому символу, формуле и доказательству в формальной системе *Principia Mathematica*. Утверждение «2+2=4» превращается в конкретное целое число. То же самое происходит с утверждением «существует доказательство того, что 2+2=4». Поскольку формулы стали числами, утверждения *о* формулах стали утверждениями о числах, а значит, они сами являются формулами внутри системы. Теперь система могла рассуждать о собственных рассуждениях.

A Vienna study in 1931 contains a typewriter
A Vienna study in 1931 contains a typewriter Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Используя этот аппарат, Гёдель сконструировал предложение (назовем его *G*), которое при расшифровке гласило: *это утверждение не имеет доказательства в системе*. Затем он спросил, что произойдет, если попытаться его доказать. Предположим, *G* доказуемо. Тогда утверждение *G* ложно, то есть система доказала ложное утверждение и является противоречивой. Предположим, *G* недоказуемо. Тогда утверждение *G* истинно, и перед нами истинное предложение, которое система не может получить. Либо система сломана, либо она неполна. Третьего не дано.

Gödel, Dyson, Rees
Gödel, Dyson, Rees jurvetson · BY 2.0

Год спустя Гёдель нанес второй удар. Утверждение «эта система непротиворечива» само по себе может быть записано на языке этой системы. И его тоже нельзя доказать изнутри. Любая достаточно сильная формальная система, которая *может* доказать собственную непротиворечивость, именно в силу этого факта является противоречивой. Математика не может поручиться за себя.

Что это сломало, а что нет

Теорема не утверждает, что математики ничего не могут знать. Она говорит, что ни одна заранее фиксированная формальная система не способна вместить все истины арифметики. Вы всегда можете добавить новую аксиому — например, аксиому о непротиворечивости старой системы — и доказать больше. Но у новой, более широкой системы будет свое предложение *G*, своя недостижимая истина, и этот процесс бесконечен. Недоказуемые утверждения — это не экзотические диковинки из далеких закоулков логики, они возникают на уровне обычной арифметики целых чисел.

A mechanical proof machine made of gears
A mechanical proof machine made of gears Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

С тех пор были найдены реальные примеры. Goodstein's theorem (теорема Гудстейна) — это утверждение о последовательностях целых чисел, которое любой школьник может проверить на небольших числах. Оно истинно. Но его невозможно доказать в Peano arithmetic (арифметике Пеано). Теорема Париса–Харрингтона, усиленная конечная версия теоремы Рамсея, аналогично истинна и аналогично недоказуема. Это не искусственные патологии; это чистые математические утверждения, которые оказались по ту сторону забора, существование которого доказал Гёдель.

Kurt Gödel
Kurt Gödel AK Rockefeller · BY-SA 2.0

Гильберт так и не признал поражения публично. Он продолжал корректировать программу, сужая требования к тому, что должны давать «основания», до самой своей смерти в 1943 году. Гёдель покинул Вену в 1940 году, перебрался через СССР и Японию, спасаясь от войны, и обосновался в Institute for Advanced Study в Принстоне, где стал близким другом Эйнштейна. Большинство дней они пешком возвращались домой вместе. Эйнштейн как-то признался, что приходил в Институт главным образом ради привилегии прогуляться обратно с Гёделем.

Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as
Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Чего мы до сих пор не знаем

Мы не знаем, насколько далеко эти последствия распространяются на математику в ее повседневном применении. Почти все, что доказывают практикующие математики, свободно укладывается в ZFC — стандартную систему аксиом теории множеств. Являются ли фундаментальные нерешенные вопросы — гипотеза Римана или равенство классов P и NP — независимыми от ZFC в смысле Гёделя, в большинстве случаев неизвестно.

Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna.
Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna. Unknown authorUnknown author · Public domain

Мы не знаем, как относиться к философским выводам. Roger Penrose на протяжении сорока лет утверждает, что неполнота доказывает, что человеческий разум не является компьютером, поскольку мы способны «видеть» истинность предложения *G* извне системы. Большинство логиков считают этот аргумент ошибочным. Спор остается открытым и, возможно, неразрешим.

A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles
A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

Мы не знаем, верил ли сам Гёдель в платоновский мир математических объектов, которые формальные системы не в состоянии полностью описать. Его личные дневники указывают на то, что верил. Ближе к концу жизни он также уверовал, что его пытаются отравить, и уморил себя голодом в 1978 году, отказываясь принимать пищу, приготовленную не его женой.

Предложение, разрушившее математику, ничего не весило и ничего не сообщало об устройстве мира. Оно говорило лишь о самом себе, и этого оказалось достаточно.

1931年、ウィーンの痩せっぽちで下気症(疑病症)の論理学者が、数学はそれ自体に関するすべての真理を証明することは決してできないということを証明した。この結果は95年間覆されておらず、おそらく今後も覆ることはない。

1930年の夏、 Kurt Gödel という24歳のオーストリアの論理学者が、数学の基礎に関する会議に出席するためケーニヒスベルクへ旅した。最終日の座談会で、彼は標準的な公理からは証明できないが真である算術的命題を発見したと、ほとんど何気なく口にした。その場にいた人々の中で、彼の発言の意味を真に理解したのは John von Neumann だけだったようである。数週間のうちにフォン・ノイマンは独自に系を導き出し、ゲーデルに手紙を書いた。ゲーデルは「すでにそれを得ている」と返答した。この論文は翌年、『数学物理月報』にドイツ語で掲載された。25ページに及ぶその論文には、『Principia Mathematicaおよび関連システムの形式的に決定不能な命題について』という控えめな題名が付けられていた。

歴史的文脈が重要である。30年もの間、 David Hilbert は数学全体を揺るぎない土台の上に置くためのプログラムを推進していた。それは、有限の公理系、有限の推論規則、そして算術のあらゆる真なる命題が原理的にそれらから導出できるという保証であった。このプログラムには「*Wir müssen wissen, wir werden wissen*(我々は知らねばならない、我々は知るであろう)」というスローガンがあり、ヒルベルトはゲーデルが発言する前日にケーニヒスベルクでのラジオ演説でこれを語ったばかりだった。同じ街で48時間の間隔を置いて起きた2つの出来事のうち、一方は悲惨な形で風化することになった。

Gödel Incompleteness Theorem
Gödel Incompleteness Theorem janoma.cl · BY 2.0

仕組み

ゲーデルの巧妙なアプローチは、算術自体に自己言及させることだった。彼は『Principia Mathematica』の形式システムにおけるすべての記号、論理式、および証明に対して、一意の番号( Gödel number :ゲーデル数)を割り当てた。これにより「2+2=4」という命題は特定の整数になり、「2+2=4の証明が存在する」という命題も同様に整数になる。論理式が数になれば、論理式に関する言明は数に関する言明になり、それはシステム内部の論理式そのものとなる。システムはそれ自体の推論について推論できるようになるのである。

A Vienna study in 1931 contains a typewriter
A Vienna study in 1931 contains a typewriter Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

この仕組みを用いて、ゲーデルは「 *G* 」と呼ぶ命題を構築した。これを解読すると、「*この命題はシステム内で証明できない*」となる。そして彼は、これを証明しようとすると何が起きるかを問いかけた。もし *G* が証明可能であると仮定する。すると *G* が主張している内容は偽であるため、システムは偽の命題を証明したことになり、システムは矛盾する。もし *G* が証明不能であると仮定する。すると *G* が主張している内容は真であり、システムが到達できない真なる命題が存在することになる。したがって、システムは矛盾しているか、あるいは不完全であるかのいずれかである。第3の選択肢は存在しない。

Gödel, Dyson, Rees
Gödel, Dyson, Rees jurvetson · BY 2.0

1年後、ゲーデルは第2の打撃を与えた。「このシステムは無矛盾である」という命題自体も、そのシステムの言語で記述できる。そしてこれもシステム内部からは証明できない。自らの無矛盾性を証明できるほど強力な形式システムは、まさにその事実によって、矛盾していることになる。数学は自己の正当性を保証できないのである。

何が崩壊し、何が維持されたか

この定理は、数学者が何も知り得ないと言っているわけではない。事前に固定された単一の形式システムでは、算術のすべての真理を捉えることはできないと言っているのである。新しい公理(例えば、元のシステムが無矛盾であるという公理)を追加して、さらに多くの命題を証明することは常に可能である。しかし、拡張された新しいシステムには、それ自体の新しい *G*、つまり到達不可能な独自の真理が必ず存在し、このプロセスが終着点に達することはない。証明不可能な命題は、論理学の辺境にひっそりと佇む特殊な例外ではなく、通常の整数算術のレベルでごく普通に出現する。

A mechanical proof machine made of gears
A mechanical proof machine made of gears Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

その後、具体的な実例が発見されている。 Goodstein's theorem (グッドスタインの定理)は、小学生でも小さなケースで検証できる整数列に関する命題である。これは真であるが、 Peano arithmetic (ペアノ算術)では証明できない。ラムゼーの定理の有限版を強化したパリス=ハーリントン定理も同様に真であるが、証明不可能である。これらは病的な構造物ではなく、ゲーデルが存在を示した境界線の向こう側にたまたま位置する、純粋な数学的言明である。

Kurt Gödel
Kurt Gödel AK Rockefeller · BY-SA 2.0

ヒルベルトは敗北を公に認めようとはしなかった。彼は1943年に亡くなるまで、このプログラムの修正を続け、「基礎」がもたらすべき役割を縮小させようとした。ゲーデルは1940年にウィーンを去り、戦争を逃れるためソ連と日本を経由して、プリンストンの Institute for Advanced Study (高等研究所)に行き着いた。そこで彼はアインシュタインと親しい友人になった。2人はほとんどの日の午後、一緒に歩いて家へ帰った。アインシュタインはかつて、自分が研究所に来る主な理由は「ゲーデルと一緒に歩いて帰る特権を得るためだ」と語っている。

Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as
Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

未だ解明されていない謎

この影響が、実際に研究されている現代数学にどれほど及んでいるかは分かっていない。現役の数学者が証明するほぼすべての定理は、標準的な集合論の公理系である ZFC の内部に収まっている。黎曼予想やP対NP問題のような重要な未解決問題が、ゲーデルの意味においてZFCから独立(証明も反証も不可能)であるかどうかは、大半が不明のままである。

Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna.
Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna. Unknown authorUnknown author · Public domain

哲学的な影響をどう解釈すべきかも分かっていない。 Roger Penrose (ロジャー・ペンローズ)は40年間にわたり、人間はシステムの外部から *G* の真理性を見抜くことができるため、不完全性定理は人間の精神がコンピュータではないことを示していると主張してきた。しかし、ほとんどの論理学者はその議論が成立していないと考えている。この議論は決着がついておらず、解決不能であるかもしれない。

A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles
A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

ゲーデル自身が、形式システムでは完全には記述しきれない数学的対象のプラトン的世界を信じていたかどうかも、完全には分かっていない。彼の私的なノートからは、彼がそれを信じていたことが伺える。彼はまた、晩年に自分が毒殺されると思い込み、妻が作っていない食事を口にすることを拒み続け、1978年に餓死した。

数学を破壊したその一文は、何の重みもなく、世界について何一つ語っていなかった。それはただ、自分自身について語っていただけであり、それだけで十分だったのである。

1931년 빈의 깡마르고 병약한 한 논리학자가 수학은 결코 자기 자신에 대해 모든 것을 증명할 수 없다는 것을 증명했다. 이 결과는 95년 동안 무너지지 않았으며, 아마 앞으로도 무너지지 않을 것이다.

1930년 여름, Kurt Gödel이라는 24세의 오스트리아 논리학자가 수학의 기초에 관한 학회에 참석하기 위해 쾨니히스베르크로 향했다. 마지막 날 원론 토론에서 그는 표준 공리계로는 증명할 수 없지만 참인 산술적 명제를 발견했다고 지나가는 말처럼 언급했다. 그 회의실에서 그의 말을 제대로 이해한 사람은 오직 John von Neumann뿐이었던 것으로 보인다. 몇 주 안에 폰 노이만은 스스로 그 추론을 유도해 내어 괴델에게 편지를 보냈다. 괴델은 자신도 이미 그 결론을 가지고 있다고 답장을 보냈다. 이 논문은 이듬해 *Monatshefte für Mathematik und Physik*에 독일어로 출간되었으며, 25페이지 분량에 『Principia Mathematica 및 관련 체계의 형식적 결정불능 명제들에 대하여』라는 겸손한 제목이 붙어 있었다.

역사적 맥락이 중요하다. 30년 동안 David Hilbert는 모든 수학을 흔들리지 않는 토대 위에 올려놓으려는 프로그램을 추진하고 있었다. 즉, 유한한 공리계, 유한한 추론 규칙, 그리고 산술의 모든 참인 문장이 원칙적으로 이로부터 도출될 수 있다는 보장이었다. 이 프로그램의 슬로건은 "*Wir müssen wissen, wir werden wissen*"(우리는 알아야만 한다, 우리는 알게 될 것이다)로, 힐베르트가 괴델이 발표하기 바로 전날 쾨니히스베르크 라디오 방송에서 연설한 내용이었다. 두 사건은 같은 도시에서 48시간 간격으로 일어났다. 그러나 둘 중 하나는 세월의 흐름을 이겨내지 못했다.

Gödel Incompleteness Theorem
Gödel Incompleteness Theorem janoma.cl · BY 2.0

묘책

괴델의 묘책은 산술이 자기 자신에 대해 말하게 만드는 것이었다. 그는 『Principia Mathematica』의 형식 체계 속 모든 기호, 논리식, 증명에 고유한 번호인 Gödel number(괴델 수)를 부여했다. "2+2=4"라는 문장은 특정 정수가 된다. "2+2=4의 증명이 존재한다"라는 문장도 마찬가지다. 논리식이 수가 되면, 논리식에 *대한* 문장은 수에 대한 문장이 되며, 이는 곧 시스템 내부의 논리식이 된다. 체계는 이제 자신의 추론에 대해 추론할 수 있게 된다.

A Vienna study in 1931 contains a typewriter
A Vienna study in 1931 contains a typewriter Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

이 도구를 바탕으로 괴델은 문장 *G*를 구성했는데, 이를 해독하면 다음과 같다. *이 문장은 체계 내에서 증명할 수 없다*. 그리고 그는 이를 증명하려고 할 때 어떤 일이 일어나는지 물었다. *G*가 증명 가능하다고 가정해 보자. 그러면 *G*가 주장하는 바는 거짓이 되므로 체계는 거짓인 문장을 증명한 셈이 되며, 체계는 모순된다. 반대로 *G*가 증명 불가능하다고 가정해 보자. 그러면 *G*가 주장하는 바는 참이 되며, 체계가 도달할 수 없는 참인 문장이 존재하게 된다. 결국 체계가 모순적이거나 불완전한 것 중 하나다. 세 번째 길은 없다.

Gödel, Dyson, Rees
Gödel, Dyson, Rees jurvetson · BY 2.0

일 년 후 괴델은 두 번째 타격을 가했다. "이 체계는 일관적이다"라는 문장 역시 체계의 언어로 쓰일 수 있다. 이것 또한 내부에서 증명할 수 없다. 자신의 일관성을 증명할 수 있을 만큼 강력한 형식 체계는, 바로 그 사실 때문에 일관되지 않은 체계가 된다. 수학은 자기 자신을 증명할 수 없다.

깨진 것과 깨지지 않은 것

이 정리가 수학자들이 아무것도 알 수 없다는 뜻은 아니다. 미리 고정된 단일 형식 체계로는 산술의 모든 진리를 담아낼 수 없다는 의미다. 언제나 새로운 공리(예를 들어 이전 체계가 일관적이라는 공리)를 덧붙여 더 많은 것을 증명해 나갈 수 있다. 그러나 새롭게 확장된 체계는 여전히 자신만의 *G*, 즉 도달할 수 없는 고유한 진리를 갖게 되며 이 과정은 끝없이 반복된다. 증명 불가능한 문장들은 논리학의 먼 구석에 있는 기이한 예외가 아니라, 지극히 평범한 정수 산술의 수준에서 나타난다.

A mechanical proof machine made of gears
A mechanical proof machine made of gears Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

이후 실제 사례들이 발견되었다. Goodstein's theorem(굿스타인 정리)은 초등학생도 몇 가지 사례로 검증할 수 있는 정수 수열에 관한 문장이다. 이는 참이지만, Peano arithmetic(페아노 산술)로는 증명할 수 없다. 램지 정리의 유한 버전을 강화한 패리스-해링턴 정리 역시 참이지만 도달할 수 없다. 이들은 병적인 구성물이 아니라, 괴델이 존재해야만 한다고 보여준 경계선 너머에 우연히 위치하게 된 명확한 수학적 주장들이다.

Kurt Gödel
Kurt Gödel AK Rockefeller · BY-SA 2.0

힐베르트는 공식적으로 패배를 인정하지 않았다. 그는 1943년 사망할 때까지 프로그램을 수정하며 '토대'가 제공해야 할 범위를 좁혀 나갔다. 괴델은 1940년 빈을 떠나 전쟁을 피해 소련과 일본을 거쳐 프린스턴의 Institute for Advanced Study(고등연구소)에 정착하여 아인슈타인과 깊은 우정을 나누었다. 두 사람은 거의 매일 오후 함께 걸어서 퇴근하곤 했다. 아인슈타인은 자신이 연구소에 나오는 가장 큰 이유가 "괴델과 함께 걸어서 퇴근하는 특권을 누리기 위해서"라고 말한 적이 있다.

Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as
Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

아직 우리가 모르는 것들

이 피해가 실제 연구되는 수학 영역에 얼마나 큰 영향을 미치고 있는지는 알 수 없다. 수학자들이 증명하는 거의 모든 것은 표준 집합론 공리계인 ZFC의 범주 안에 편안히 안착해 있다. 리만 가설이나 P 대 NP 문제 같은 흥미로운 미해결 질문들이 괴델이 말한 의미에서 ZFC로부터 독립적인지는 대체로 알 수 없다.

Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna.
Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna. Unknown authorUnknown author · Public domain

철학적 파장에 대해서도 명확한 해석이 없다. Roger Penrose는 불완전성이 인간의 마음이 컴퓨터가 아님을 보여준다고 40년 동안 주장해 왔다. 우리가 시스템 외부에서 문장 *G*의 참됨을 '볼' 수 있기 때문이라는 논리다. 그러나 대부분의 논리학자는 이 주장이 성립하지 않는다고 본다. 논쟁은 해결되지 않았으며 어쩌면 해결 불가능할 수도 있다.

A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles
A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

괴델 자신이 형식 체계가 온전히 묘사하지 못하는 수학적 대상들의 플라톤적 세계를 믿었는지 여부도 분명치 않다. 그의 개인 연구 노트는 그가 이를 믿었음을 시사한다. 그는 또한 말년에 누군가 자신을 독살하려 한다고 믿었고, 아내가 준비하지 않은 음식은 먹지 않으려다 1978년 결국 스스로 굶어 죽었다.

수학을 무너뜨린 그 한 문장은 아무런 무게도 나가지 않았으며 세상에 대해 아무것도 말해주지 않았다. 그저 자기 자신에 대해 이야기했을 뿐이고, 그것으로 충분했다.

في عام 1931، أثبت عالم منطق نمساوي هزيل ومصاب بوهام المرض في فيينا أن الرياضيات لا يمكنها أبداً إثبات كل شيء صحيح عن نفسها. لم يتم التراجع عن هذه النتيجة منذ خمسة وتسعين عاماً، وربما لا يمكن التراجع عنها أبداً.

في صيف عام 1930، سافر عالم منطق نمساوي يبلغ من العمر 24 عاماً يدعى Kurt Gödel إلى كونيغسبرغ لحضور مؤتمر حول أسس الرياضيات. وفي اليوم الأخير، في حلقة نقاشية مستديرة، ذكر بشكل عابر أنه وجد عبارات حسابية صحيحة ولكن لا يمكن إثباتها من البديهيات القياسية. ويبدو أن شخصاً واحداً فقط في القاعة، وهو John von Neumann، قد فهم ما قاله للتو. وخلال أسابيع، صاغ فون نيومان استنتاجاً بمفرده وكتب إلى غودل حول هذا الموضوع. ورد عليه غودل بأنه توصل إليه بالفعل. ونُشرت الورقة في العام التالي في مجلة *Monatshefte für Mathematik und Physik*، وكانت تقع في خمس وعشرين صفحة باللغة الألمانية تحت العنوان المتواضع *حول القضايا غير القابلة للتقرير رسمياً في كتاب Principia Mathematica والأنظمة ذات الصلة*.

إن السياق التاريخي مهم هنا. فمنذ ثلاثين عاماً، كان David Hilbert يدفع ببرنامج لوضع الرياضيات بأكملها على أساس لا يتزعزع: مجموعة محدودة من البديهيات، ومجموعة محدودة من قواعد الاستدلال، وضمان إمكانية اشتقاق كل عبارة حسابية صحيحة منها من حيث المبدأ. وكان للبرنامج شعار — *Wir müssen wissen, wir werden wissen* (يجب أن نعرف، وسوف نعرف) — والذي ألقاه هيلبرت في خطاب إذاعي في كونيغسبرغ في اليوم السابق لتحدث غودل. وحدث الحدثان في المدينة نفسها بفارق ثمان وأربعين ساعة فقط. ولكن أحدهما لم يصمد أمام اختبار الزمن.

Gödel Incompleteness Theorem
Gödel Incompleteness Theorem janoma.cl · BY 2.0

الحيلة

كانت خطوة غودل هي جعل الحساب يتحدث عن نفسه. فخصص رقماً فريداً — وهو رقم غودل Gödel number — لكل رمز وصيغة وإثبات في النظام الرسمي لكتاب *Principia Mathematica*. وتتحول العبارة "2+2=4" إلى عدد صحيح محدد. وكذلك العبارة "يوجد إثبات لـ 2+2=4". وبمجرد أن تصبح الصيغ أرقاماً، تصبح العبارات *حول* الصيغ عبارات عن أرقام، مما يعني أنها هي نفسها صيغ داخل النظام. ويمكن للنظام الآن أن يستدل على استدلاله الخاص.

A Vienna study in 1931 contains a typewriter
A Vienna study in 1931 contains a typewriter Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

ومع وجود هذه الآلية في مكانها، صاغ غودل جملة — لنسمها *G* — والتي تقرأ عند فك تشفيرها: *هذه الجملة ليس لها إثبات في النظام*. ثم سأل عما يحدث إذا حاولت إثباتها. لنفترض أن الجملة *G* قابلة للإثبات. إذن ما تؤكده *G* خاطئ، وبالتالي يكون النظام قد أثبت عبارة خاطئة، ويكون النظام غير متسق. لنفترض أن الجملة *G* غير قابلة للإثبات. إذن ما تؤكده *G* صحيح، ولدينا جملة صحيحة لا يمكن للنظام الوصول إليها. إما أن النظام معطل أو أنه غير مكتمل. ولا يوجد باب ثالث.

Gödel, Dyson, Rees
Gödel, Dyson, Rees jurvetson · BY 2.0

وبعد عام، وجه غودل ضربته الثانية. فالعبارة "هذا النظام متسق" يمكن كتابتها بلغة النظام نفسه. وهي أيضاً لا يمكن إثباتها من الداخل. وأي نظام رسمي قوي بما يكفي *يمكنه* إثبات اتساقه الذاتي هو، بموجب هذه الحقيقة ذاتها، غير متسق. فالرياضيات لا يمكنها أن تضمن نفسها بنفسها.

ما الذي كسرته النظرية وما لم تكسره

لا تقول النظرية إن علماء الرياضيات لا يمكنهم معرفة الأشياء. بل تقول إنه لا يوجد نظام رسمي واحد، محدد مسبقاً، يمكنه استيعاب كل حقائق الحساب. ويمكنك دائماً إضافة بديهية جديدة — على سبيل المثال، البديهية القائلة بأن النظام القديم متسق — وإثبات المزيد. لكن النظام الجديد الأكبر سيكون له جملة *G* الخاصة به، وحقيقته التي لا يمكن الوصول إليها، ولا تنتهي هذه العملية أبداً. والعبارات غير القابلة للإثبات ليست مجرد غرائب غامضة تقبع في زاوية بعيدة من المنطق؛ بل تظهر على مستوى حساب الأعداد الصحيحة العادية.

A mechanical proof machine made of gears
A mechanical proof machine made of gears Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

وقد تم العثور على أمثلة حقيقية منذ ذلك الحين. فنظرية غودشتاين Goodstein's theorem هي عبارة عن متتاليات من الأعداد الصحيحة يمكن لأي تلميذ في المدرسة التحقق منها في الحالات البسيطة. وهي صحيحة ولكن لا يمكن إثباتها في حساب بيانو Peano arithmetic. ونظرية باريس-هارينغتون، وهي تقوية لنسخة محدودة من نظرية رامزي، صحيحة بالقدر نفسه وغير قابلة للوصول إليها أيضاً. هذه ليست تركيبات مرضية؛ بل هي ادعاءات رياضية واضحة تصادف وجودها على الجانب الخطأ من السياج الذي أظهر غودل أنه يجب أن يكون موجوداً.

Kurt Gödel
Kurt Gödel AK Rockefeller · BY-SA 2.0

ولم يتراجع هيلبرت علناً أبداً. واستمر في تعديل البرنامج، وتضييق ما كان من المفترض أن تقدمه "الأسس"، حتى وفاته عام 1943. وغادر غودل فيينا عام 1940، وسار عبر الاتحاد السوفيتي واليابان للهروب من الحرب، وانتهى به المطاف في معهد الدراسات المتقدمة Institute for Advanced Study في برينستون، حيث أصبح صديقاً مقرباً لأينشتاين. وكان الاثنان يسيران معاً إلى المنزل في معظم فترات بعد الظهر. وقال أينشتاين ذات مرة إنه جاء إلى المعهد بشكل أساسي للحصول على امتياز السير مع غودل.

Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as
Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

ما لا نزال نجهله

لا نعرف إلى أي مدى يمتد الضرر إلى الرياضيات كما تُمارس بالفعل. فكل ما يثبته علماء الرياضيات تقريباً يقع بشكل مريح داخل بديهيات ZFC القياسية لنظرية المجموعات ZFC. وما إذا كانت الأسئلة المفتوحة المثيرة للاهتمام — مثل فرضية ريمان، أو مسألة P مقابل NP — مستقلة عن بديهيات ZFC بمعني غودل أم لا، فهو أمر غير معروف في الغالب.

Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna.
Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna. Unknown authorUnknown author · Public domain

ولا نعرف ماذا نصنع بالتبعات الفلسفية للنظرية. فقد جادل روجر بنروز Roger Penrose لمدة أربعين عاماً بأن عدم الاكتمال يظهر أن العقل البشري ليس حاسوباً، لأننا نستطيع "رؤية" حقيقة الجملة *G* من خارج النظام. ويعتقد معظم علماء المنطق أن هذه الحجة لا تصمد. والجدل لا يزال قائماً وقد لا يكون قابلاً للحل.

A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles
A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

ولا نعرف ما إذا كان غودل نفسه يؤمن بعالم أفلاطوني من الكائنات الرياضية التي تفشل الأنظمة الرسمية في وصفها بالكامل. وتشير دفاتر ملاحظاته الخاصة إلى أنه كان يؤمن بذلك. كما كان يعتقد، قرب نهاية حياته، أنه يتعرض للتسميم، وجوع نفسه حتى الموت عام 1978 بدلاً من تناول طعام لم تعده زوجته.

إن الجملة التي كسرت الرياضيات لم تكن تزن شيئاً ولم تقل شيئاً عن العالم. لقد قالت شيئاً عن نفسها فقط، وكان ذلك كافياً.

१९३१ में, वियना के एक दुबले-पतले, हिस्टीरिया से पीड़ित तर्कशास्त्री ने साबित कर दिया कि गणित कभी भी अपने बारे में सब कुछ सच साबित नहीं कर सकता। यह परिणाम पचानवे वर्षों से बदला नहीं जा सका है, और शायद कभी बदला भी नहीं जा सकता।

१९३० की गर्मियों में, Kurt Gödel नामक २४ वर्षीय ऑस्ट्रियाई तर्कशास्त्री गणित की नींव पर एक सम्मेलन के लिए कोनिग्सबर्ग गए थे। अंतिम दिन, एक गोलमेज चर्चा में, उन्होंने लगभग यूँ ही उल्लेख किया कि उन्हें ऐसे अंकगणितीय कथन मिले हैं जो सत्य थे लेकिन मानक सिद्धांतों से सिद्ध नहीं किए जा सकते थे। कमरे में केवल एक व्यक्ति, John von Neumann, ने समझा कि उन्होंने अभी क्या कहा था। कुछ ही हफ्तों में वॉन न्यूमैन ने अपने दम पर एक निष्कर्ष निकाला और इसके बारे में गोडेल को लिखा। गोडेल ने वापस लिखा: उनके पास यह पहले से ही था। यह पत्र अगले वर्ष *Monatshefte für Mathematik und Physik* में जर्मन भाषा में प्रकाशित हुआ, जो २५ पृष्ठ लंबा था और इसका मामूली शीर्षक था *प्रिंसिपिया मैथमैटिका और संबंधित प्रणालियों के औपचारिक रूप से अनिर्धारित प्रस्तावों पर*।

संदर्भ महत्वपूर्ण है। तीस वर्षों से David Hilbert संपूर्ण गणित को एक अडिग नींव पर रखने के लिए एक कार्यक्रम चला रहे थे: सिद्धांतों का एक सीमित समूह, अनुमान के सीमित नियम, और यह गारंटी कि अंकगणित के प्रत्येक सत्य कथन को सैद्धांतिक रूप से उनसे प्राप्त किया जा सकता है। इस कार्यक्रम का एक नारा था — *Wir müssen wissen, wir werden wissen* (हमें जानना चाहिए, हम जानेंगे) — जिसे हिल्बर्ट ने गोडेल के बोलने से एक दिन पहले कोनिग्सबर्ग में एक रेडियो संबोधन में दिया था। दोनों घटनाएं एक ही शहर में, अड़तालीस घंटे के अंतराल पर हुईं। उनमें से एक इतिहास के पन्नों में बहुत खराब साबित हुई।

Gödel Incompleteness Theorem
Gödel Incompleteness Theorem janoma.cl · BY 2.0

युक्ति

गोडेल की युक्ति अंकगणित को अपने बारे में बात करने के लिए प्रेरित करने की थी। उन्होंने *प्रिंसिपिया मैथमैटिका* की औपचारिक प्रणाली में प्रत्येक प्रतीक, प्रत्येक सूत्र और प्रत्येक प्रमाण को एक अनूठा नंबर — Gödel number (गोडेल नंबर) — दिया। कथन "2+2=4" एक विशिष्ट पूर्णांक बन जाता है। वैसे ही कथन "2+2=4 का प्रमाण मौजूद है" भी एक पूर्णांक बन जाता है। एक बार जब सूत्र नंबर बन जाते हैं, तो सूत्रों के *बारे में* कथन नंबरों के बारे में कथन बन जाते हैं, जिसका अर्थ है कि वे स्वयं प्रणाली के भीतर सूत्र बन जाते हैं। प्रणाली अब अपने स्वयं के तर्क के बारे में तर्क कर सकती है।

A Vienna study in 1931 contains a typewriter
A Vienna study in 1931 contains a typewriter Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

उस मशीनरी के साथ, गोडेल ने एक वाक्य का निर्माण किया — मान लें कि वह *G* है — जिसे डिकोड करने पर पढ़ा जाता है: *इस वाक्य का प्रणाली में कोई प्रमाण नहीं है*। फिर उन्होंने पूछा कि क्या होता है यदि आप इसे साबित करने का प्रयास करते हैं। मान लें कि *G* सिद्ध करने योग्य है। तो *G* जो दावा करता है वह झूठ है, इसलिए प्रणाली ने एक गलत कथन को साबित कर दिया है, और प्रणाली असंगत हो जाती है। मान लें कि *G* अप्रमाणित है। तो *G* जो दावा करता है वह सत्य है, और हमारे पास एक सत्य वाक्य है जिसे प्रणाली छू नहीं सकती। या तो प्रणाली टूट चुकी है, या यह अपूर्ण है। कोई तीसरा रास्ता नहीं है।

Gödel, Dyson, Rees
Gödel, Dyson, Rees jurvetson · BY 2.0

एक साल बाद गोडेल ने दूसरा प्रहार किया। कथन "यह प्रणाली सुसंगत है" को स्वयं प्रणाली की भाषा में लिखा जा सकता है। इसे भी भीतर से साबित नहीं किया जा सकता। कोई भी पर्याप्त मजबूत औपचारिक प्रणाली जो अपनी स्वयं की संगति को साबित *कर सकती है*, उसी तथ्य से असंगत साबित हो जाती है। गणित स्वयं अपनी विश्वसनीयता की पुष्टि नहीं कर सकता।

इसने क्या तोड़ा और क्या नहीं

यह प्रमेय यह नहीं कहता कि गणितज्ञ चीजों को जान नहीं सकते। यह कहता है कि पहले से तय की गई कोई भी औपचारिक प्रणाली अंकगणित के सभी सत्यों को नहीं समेट सकती। आप हमेशा एक नया सिद्धांत जोड़ सकते हैं — उदाहरण के लिए, यह सिद्धांत कि पुरानी प्रणाली सुसंगत है — और अधिक साबित कर सकते हैं। लेकिन नई, बड़ी प्रणाली का अपना *G* होगा, अपना स्वयं का अप्राप्य सत्य, और यह प्रक्रिया कभी समाप्त नहीं होगी। अप्रमाणित कथन तर्क के किसी दूर के कोने में बैठी कोई अजीब चीजें नहीं हैं; वे सामान्य पूर्णांक अंकगणित के स्तर पर दिखाई देते हैं।

A mechanical proof machine made of gears
A mechanical proof machine made of gears Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

तब से वास्तविक उदाहरण पाए गए हैं। Goodstein's theorem (गुडस्टीन का प्रमेय) पूर्णांकों के अनुक्रमों के बारे में एक कथन है जिसे कोई भी स्कूली बच्चा छोटे मामलों में सत्यापित कर सकता है। यह सत्य है। इसे Peano arithmetic (पीनो अंकगणित) में सिद्ध नहीं किया जा सकता। पेरिस-हैरिंगटन प्रमेय, जो रैमसे प्रमेय के एक सीमित संस्करण का सुदृढ़ीकरण है, समान रूप से सत्य है और समान रूप से अप्राप्य है। ये कोई असामान्य संरचनाएं नहीं हैं; ये स्पष्ट गणितीय दावे हैं जो उस बाड़ के गलत पक्ष में रहते हैं जिसे गोडेल ने दिखाया था कि उसका अस्तित्व होना ही चाहिए।

Kurt Gödel
Kurt Gödel AK Rockefeller · BY-SA 2.0

हिल्बर्ट ने कभी भी सार्वजनिक रूप से हार स्वीकार नहीं की। वे इस कार्यक्रम में संशोधन करते रहे, उस दायरे को छोटा करते रहे जिसे 'नींव' को प्रदान करना था, जब तक कि १९४३ में उनकी मृत्यु नहीं हो गई। गोडेल ने १९४० में वियना छोड़ दिया, युद्ध से बचने के लिए सोवियत संघ और जापान की यात्रा की, और प्रिंसटन में Institute for Advanced Study (इंस्टीट्यूट फॉर एडवांस्ड स्टडी) पहुंचे, जहाँ वे आइंस्टीन के घनिष्ठ मित्र बन गए। वे दोनों अधिकांश दोपहर को एक साथ पैदल घर जाते थे। आइंस्टीन ने एक बार कहा था कि वे संस्थान में मुख्य रूप से गोडेल के साथ वापस टहलने के विशेषाधिकार के लिए आते थे।

Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as
Hilbert's dream appears as a physical construction site inside a grand library: workers as Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

हम अभी भी क्या नहीं जानते हैं

हम नहीं जानते कि यह क्षति वास्तव में अभ्यास किए जाने वाले गणित तक कितनी दूर तक फैली हुई है। काम करने वाले गणितज्ञ जो कुछ भी साबित करते हैं, वह लगभग सब कुछ ZFC (सेट-थ्योरी के मानक सिद्धांतों) के दायरे में आराम से रहता है। क्या दिलचस्प अनसुलझे प्रश्न — जैसे रिमान परिकल्पना, P बनाम NP — गोडेल के अर्थ में ZFC से स्वतंत्र हैं, यह अधिकांशतः अज्ञात है।

Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna.
Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna. Unknown authorUnknown author · Public domain

हम नहीं जानते कि इसके दार्शनिक परिणामों का क्या किया जाए। Roger Penrose (रोजर पेनरोस) ने चालीस वर्षों से तर्क दिया है कि अपूर्णता दिखाती है कि मानव मन एक कंप्यूटर नहीं है, क्योंकि हम प्रणाली के बाहर से *G* की सत्यता को "देख" सकते हैं। अधिकांश तर्कशास्त्रियों का मानना है कि यह तर्क काम नहीं करता है। यह बहस अनसुलझी है और शायद अनसुलझने योग्य भी है।

A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles
A logician assigns numbers to formal pieces using a table covered with carved blank tiles Illustration · AI-generated (FLUX.1-dev)

हम यह नहीं जानते कि गोडेल स्वयं गणितीय वस्तुओं के एक प्लैटोनिक साम्राज्य में विश्वास करते थे या नहीं, जिसे औपचारिक प्रणालियाँ पूरी तरह से वर्णित करने में विफल रही थीं। उनकी निजी कॉपियां संकेत देती हैं कि वे मानते थे। वे अपने जीवन के अंत में यह भी मानते थे कि उन्हें जहर दिया जा रहा है, और १९७८ में भूख के कारण उनकी मृत्यु हो गई क्योंकि उन्होंने ऐसा कोई भी भोजन खाने से मना कर दिया था जिसे उनकी पत्नी ने तैयार न किया हो।

जिस वाक्य ने गणित को तोड़ा, उसका कोई वजन नहीं था और उसने दुनिया के बारे में कुछ नहीं कहा। उसने केवल अपने बारे में कुछ कहा, और वही काफी था।

Image sources & licenses (7)
  1. Gödel Incompleteness Theorem — janoma.cl, BY 2.0. Source (openverse)
  2. Gödel, Dyson, Rees — jurvetson, BY 2.0. Source (openverse)
  3. Kurt Gödel — AK Rockefeller, BY-SA 2.0. Source (openverse)
  4. Portrait of Kurt Gödel, one of the most significant logicians of the 20th century, as a student in Vienna. — Unknown authorUnknown author, Public domain. Source (commons)
  5. Gödel első nemteljességi tétele — Mozo, Public domain. Source (commons)
  6. Gedenktafel, Kurt Gödel 1906-1978, Himmel-Str43, Vienna, Grinzing — Anton-kurt, Public domain. Source (commons)
  7. Kurt Gödel — AK Rockefeller, BY-SA 2.0. Source (openverse)

Mentioned in this article

Sources

  1. Gödel, K. (1931). "Über formal unentscheidbare Sätze der Principia Mathematica und verwandter Systeme I." Monatshefte für Mathematik und Physik 38, 173–198.
  2. Nagel, E. & Newman, J. R. (2001). Gödel's Proof (revised ed., ed. Hofstadter). New York University Press.
  3. Goldstein, R. (2005). Incompleteness: The Proof and Paradox of Kurt Gödel. W. W. Norton.
  4. Smullyan, R. (1992). Gödel's Incompleteness Theorems. Oxford University Press.
  5. Dawson, J. W. (1997). Logical Dilemmas: The Life and Work of Kurt Gödel. A K Peters.
Production storyboard

The 90-second video script behind this article.

EN script

Mathematics cannot prove all true statements. This isn't a guess - a mathematician proved it mathematically in 1931. Kurt Gödel broke math with math. For centuries, mathematicians believed everything true could eventually be proven. They were building a complete, consistent system where every statement was either provably true or provably false. Then Gödel showed up and destroyed the dream. He constructed a mathematical statement that essentially says: This statement cannot be proven. Think about it. If the statement is false, then it CAN be proven, which would make it true. Contradiction. But if the statement is true, then it cannot be proven - exactly what it claims. So it must be true AND unprovable. Gödel proved that in any mathematical system complex enough to do basic arithmetic, there will always be true statements that cannot be proven within that system. Always. No matter how many rules you add. No matter how powerful your system becomes. You can never capture all truth. This isn't a limitation of human intelligence. It's baked into the structure of logic itself. There are mathematical truths that exist beyond the reach of proof. We can know they're out there, but we can never reach them with formal logic. The universe is stranger than math can describe. And Gödel proved that too.

HI script

Mathematics sabhi true statements prove nahi kar sakti. Ye guess nahi hai - ek mathematician ne 1931 mein mathematically prove kiya. Kurt Gödel ne math ko math se toda.

Mathematics sabhi true statements prove nahi kar sakti. Ye guess nahi hai - ek mathematician ne 1931 mein mathematically prove kiya. Kurt Gödel ne math ko math se toda. Centuries tak, mathematicians believe karte the ki jo bhi true hai eventually prove ho sakta hai. Wo ek complete, consistent system bana rahe the jahan har statement ya provably true hoti ya provably false. Phir Gödel aaya aur dream destroy kar diya. Usne ek mathematical statement construct ki jo essentially kehti hai: Is statement ko prove nahi kiya ja sakta. Socho iske baare mein. Agar statement false hai, toh wo prove HO SAKTI hai, jo use true bana degi. Contradiction. Lekin agar statement true hai, toh use prove nahi kiya ja sakta - exactly jo wo claim karti hai. Toh wo true AUR unprovable honi chahiye. Gödel ne prove kiya ki kisi bhi mathematical system mein jo basic arithmetic karne ke liye enough complex ho, hamesha true statements hongi jo us system ke andar prove nahi ki ja saktin. Hamesha. Chahe kitne bhi rules add karo. Chahe tumhara system kitna bhi powerful ho jaye. Tum kabhi all truth capture nahi kar sakte. Ye human intelligence ki limitation nahi hai. Ye logic ke structure mein baked hai. Aise mathematical truths hain jo proof ki reach se bahar exist karte hain. Hum jaan sakte hain ki wo hain, lekin hum unhe formal logic se kabhi reach nahi kar sakte. Universe math se stranger hai. Aur Gödel ne wo bhi prove kiya.

  1. 01

    1930 Königsberg conference room with mathematicians and a tower of blank wooden blocks

  2. 02

    1931 Vienna study with typewriter, journal proofs, and numbered wooden tokens

  3. 03

    Mechanical proof machine with a token unreachable by its own mechanism

  4. 04

    Library construction site with a stone tower missing one block

  5. 05

    Logician encoding shapes into numbers using blank tiles and wooden beads

  6. 06

    Proof-checking machine unable to inspect its own hidden foundation bolt