ставить в однозначное соответствие с натуральными числами 1, 2, 3,… (Я объясню стоящие за этим идеи и терминологию чуть позже.) Если бы на свете существовал только один размер бесконечности, этот результат был бы очевиден, но он вскоре обнаружил доказательство того, что действительные числа несчетны. Об этом он опубликовал статью в 1874 г. – год, очень важный для Кантора в личном плане, поскольку именно тогда он женился на Вали Гутман; в этом браке у них родилось шестеро детей.
В поисках бесконечности еще большей, чем бесконечность действительных чисел, Кантор подумал о множестве всех точек в единичном квадрате. Ведь должен же квадрат с его двумя измерениями иметь больше точек, чем действительная прямая? Кантор высказал свое мнение в письме к Дедекинду:
Можно ли поверхность (скажем, квадрат, включающий его границы) однозначно соотнести с линией (скажем, отрезком прямой, включающим граничные точки) так, чтобы каждой точке на поверхности соответствовала точка на линии, и наоборот, каждой точке на линии соответствовала точка на поверхности? Я думаю, что ответить на этот вопрос было бы непростой задачей, несмотря на то что ответ представляется настолько очевидным «нет», что доказательство кажется почти ненужным.
Вскоре, однако, он обнаружил, что ответ вовсе не так очевиден, как ему казалось. («Доказательство кажется ненужным» для математика – как красная тряпка для быка, и он должен был бы понимать, чем это чревато.) В 1877 г. Кантор доказал, что на самом деле такое соответствие существует. «Я вижу это и не верю своим глазам!» – писал он. Но, когда он представил статью об этом в престижный «Журнал чистой и прикладной математики» (Journal für die reine und angewandte Mathematik), Леопольда Кронекера – блестящего, но ультраконсервативного математика и корифея того времени – его доводы не убедили, и лишь благодаря вмешательству Дедекинда статья была принята и опубликована. Кантор, в какой-то мере оправданно, никогда больше не подавал статьи в этот журнал. Вместо этого в период между 1879 и 1884 гг. он, вероятно под влиянием Феликса Клейна, отправлял основную массу своих работ по теории множеств и трансфинитным числам в журнал «Математические анналы» (Mathematische Annalen).
Прежде чем продолжить рассказ о Канторе, нам необходимо понять революционную природу его идей, а также разобраться, в первом приближении, что они собой представляют. Боюсь, что, изложив их в терминологии того времени, я только запутал бы вас, поэтому воспользуюсь послезнанием и перескажу несколько основных его идей современным языком.
В трактате «Беседы, касающиеся двух новых отраслей науки» Галилей поднял фундаментальный вопрос – несколько парадоксально – о бесконечности. Книга написана в форме беседы между Сальвиати, Симплицио и Сагредо. Сальвиати всегда побеждает в споре, Симплицио не имеет никаких шансов на победу, а задача Сагредо – поддерживать беседу. Сальвиати замечает, что можно соотнести счетные (натуральные) числа с квадратами так, чтобы каждое число соответствовало единственному квадрату, а каждый квадрат – единственному числу. Для этого достаточно поставить в соответствие каждому числу его квадрат:
В случае конечных чисел если два множества объектов могут быть соотнесены между собой таким образом, то в каждом из них должно содержаться одно и то же число элементов. Если у каждого из сидящих за столом есть свои нож и вилка, причем только один нож и одна вилка, то число вилок равно числу ножей и то и другое равно числу людей за столом. Таким образом, несмотря на то, что квадраты разделены значительными расстояниями и образуют довольно «разреженное» подмножество всех чисел, представляется, что квадратов существует ровно столько же, сколько и чисел. Сальвиати заключает: «Мы можем сделать вывод, что совокупность всех чисел бесконечна и атрибуты “равно”, “больше” и “меньше” не применимы к бесконечным, но только к конечным величинам».
Кантор понял, что на самом деле ситуация здесь не настолько печальна. Он использовал такого рода сопоставление (которое он называл взаимно однозначным соответствием), чтобы определить характеристику «равное число элементов» для множеств, будь они конечными или бесконечными. Это можно сделать – что само по себе достаточно интересно, – даже не зная, сколько в этих множествах на самом деле элементов. Мы сами только что проделали это с ножами и вилками. Так что с логической точки зрения «равное число элементов» предшествует просто «числу элементов». В этом нет ничего удивительного: так, мы можем увидеть, что два человека одинаковы по росту, даже если не знаем, какого они конкретно роста.
Чтобы ввести конкретные числа, достаточно выделить некое стандартное множество и сказать, что любое другое множество, элементы которого могут быть поставлены во взаимно-однозначное соответствие с элементами стандартного множества, имеют с ним одинаковую мощность. Очевидный выбор стандартного образца для бесконечного множества – множество натуральных чисел, определяющее трансфинитное кардинальное множество, мощность которого Кантор назвал «алеф-нуль». Здесь алеф – первая буква еврейского алфавита, а нуль – это нуль. В символьном виде это можно записать как ℵ0. По определению, любое множество, взаимно однозначно соответствующее множеству натуральных чисел, имеет мощность ℵ0. Сальвиати доказал, что множество квадратов тоже имеет мощность ℵ0.
Это утверждение кажется парадоксальным – ведь существуют, очевидно, и числа, не являющиеся квадратами; мало того, «большинство» чисел не является квадратами. Мы можем разрешить этот парадокс, условившись о том, что удаление некоторого числа элементов из бесконечного множества не уменьшает его мощности. Там, где речь идет о мощности множеств, целое не обязано быть больше своей части. Однако нам нет нужды следовать за Сальвиати и отвергать саму идею сравнения: мы получим разумные результаты, если будем считать, что целое больше или равно части. В конце концов, весь смысл бесконечности как понятия состоит в том, что она не всегда ведет себя как конечные числа. Главный вопрос здесь – как далеко мы можем зайти и какие проблемы сможем решить.
Следующим крупным открытием Кантора стало то, что множество рациональных чисел (для простоты ограничимся только положительными) тоже имеет мощность ℵ0. Их можно поставить во взаимно однозначное соответствие с натуральными числами так:
Чтобы получить верхнюю строку, мы упорядочиваем рациональные числа не в числовой последовательности, а иначе. Определим сложность рационального числа как сумму его числителя и знаменателя. Будем рассматривать только те рациональные числа, у которых числитель и знаменатель не имеют общих множителей, чтобы не включить одно и то же число дважды. К примеру, 2/3 и 4/6 – это одно и то же рациональное число; возьмем из них только первое. Для начала разделим рациональные числа на классы в порядке возрастания сложности. Каждый такой класс конечен. Затем упорядочим, в пределах каждого класса, дроби по возрастанию числителя. Таким образом, класс сложности 5 упорядочится так:
1/4 2/3 3/2 4/1.
Легко доказать, что любое положительное рациональное число будет включено в один из классов один, и только один раз. Натуральным числом, которое будет поставлено ему в соответствие, станет номер этого числа в окончательном упорядоченном списке.
До настоящего момента нам могло казаться, что ℵ0 – это всего лишь хитроумный символ для обозначения бесконечности и что все бесконечности одинаковы. Однако следующее открытие взрывает такое предположение. Множество действительных чисел невозможно поставить во взаимно однозначное соответствие со множеством натуральных чисел.
Первое доказательство Кантора 1874 г. было нацелено на одну из проблем теории чисел – существование трансцендентных чисел. Алгебраическое число – это число, удовлетворяющее некоторому полиномиальному уравнению с целыми коэффициентами; к примеру, это число являющееся решением уравнения x2–2 = 0. Если число не является алгебраическим, его называют трансцендентным. К примеру, не известно было никакого подобного уравнения, которому удовлетворяли бы числа e и π, и предполагалось, что они трансцендентны; эта гипотеза оказалась верной. Лиувиль доказал существование трансцендентного числа в 1844 г., но пример, который он при этом использовал, был совершенно искусственным. Кантор доказал, что «большинство» действительных чисел трансцендентны; для этого он показал, что множество алгебраических чисел имеет мощность ℵ0, но мощность множества действительных чисел больше, чем ℵ0. В его доказательстве принимается допущение о том, что множество действительных чисел счетно и возможно построение последовательности вложенных интервалов, исключающих каждое действительное число по очереди. Пересечение этих интервалов (можно доказать, что оно не пустое) должно содержать некоторое действительное число, но, каким бы это число ни было, мы его уже исключили.
В 1891 г. он нашел более простое доказательство – знаменитый диагональный метод. Предположим (чтобы затем прийти к противоречию), что действительные числа (для простоты – между 0 и 1) счетны. Тогда можно поставить им во взаимнооднозначное соответствие счетные, то есть натуральные, числа. В десятичной нотации любое соответствие такого рода принимает вид
1 0, a1a2a3a4…
2 0, b1b2b3b4…
3 0, c1c2c3c4…
4 0, d1d2d3d4…
… …
Согласно нашему предположению, любое действительное число найдется где-то в этом списке. А теперь мы построим такое число, которого в этом списке нет. Определим последовательные десятичные знаки,