Введение

Аксиома, постулат или предположение – это утверждение, принимаемое за истинное, служащее предпосылкой или отправной точкой для дальнейших рассуждений и аргументов. Слово происходит от древнегреческого слова ἀξίωμα, означающего «то, что считается достойным или уместным» или «то, что представляется очевидным». Точное определение варьируется в зависимости от области исследования. В классической философии аксиома – это утверждение, настолько очевидное или хорошо установленное, что оно принимается без споров и сомнений. В современной логике аксиома – это предпосылка или отправная точка для рассуждений. В математике аксиома может быть «логической аксиомой» или «нелогической аксиомой». Логические аксиомы принимаются за истинные в рамках системы логики, которую они определяют, и часто представляются в символической форме (например, (A и B) влечет A), в то время как нелогические аксиомы являются содержательными утверждениями об элементах области конкретной математической теории, например, a + 0 = a в арифметике целых чисел. Нелогические аксиомы также могут называться «постулатами» или «допущениями». В большинстве случаев нелогическая аксиома – это просто формальное логическое выражение, используемое в дедукции для построения математической теории, и может быть или не быть самоочевидной (например, постулат о параллельных прямых в евклидовой геометрии). Аксиоматизировать систему знаний – это показать, что ее утверждения могут быть выведены из небольшого, хорошо понятного набора предложений (аксиом), и обычно существует множество способов аксиоматизировать данную математическую область. Любая аксиома – это утверждение, служащее отправной точкой, из которой логически выводятся другие утверждения. Вопрос о том, является ли аксиома «истинной» (и если да, то что это означает), является предметом дискуссий в философии математики.

Этимология

Слово «аксиома» происходит от греческого слова ἀξίωμα (axíōma) – словесного существительного от глагола ἀξιόειν (axioein), означающего «считать достойным», но также и «требовать», которое, в свою очередь, происходит от ἄξιος (áxios), означающего «находящийся в равновесии» и, следовательно, «имеющий (такую же) ценность (как)», «достойный», «подходящий». Для древнегреческих философов и математиков аксиомы представлялись немедленно очевидными утверждениями, основополагающими и общими для многих областей исследования, и самоочевидно истинными, не требующими дальнейших аргументов или доказательств. Исходное значение слова «постулат» – «требовать»; например, Евклид требует согласия с тем, что некоторые действия возможны (например, любые две точки можно соединить прямой линией). Древние геометры проводили некоторое различие между аксиомами и постулатами. Комментируя книги Евклида, Прокл отмечает, что «Геминус считал, что этот [4-й] постулат следует отнести не к постулатам, а к аксиомам, поскольку он, в отличие от первых трех постулатов, не утверждает возможность некоторого построения, а выражает существенное свойство». Боэций переводил «постулат» как *petitio* и называл аксиомы *notiones communes*, но в более поздних рукописях это употребление не всегда соблюдалось последовательно.

Современное развитие

Урок, извлеченный математикой за последние 150 лет, заключается в том, что полезно отделить смысл от математических утверждений (аксиом, постулатов, предложений, теорем) и определений. Необходимо признать необходимость примитивных понятий, или неопределенных терминов и концепций, в любом исследовании. Такая абстракция или формализация делает математическое знание более общим, способным к различным интерпретациям и, следовательно, полезным в разных контекстах. Алессандро Падоа, Марио Пьери и Джузеппе Пеано были пионерами в этом направлении. Структуралистская математика идет дальше, разрабатывая теории и аксиомы (например, теорию поля, теорию групп, топологию, векторные пространства) без привязки к конкретному применению. Различие между "аксиомой" и "постулатом" стирается. Постулаты Евклида продуктивно обосновываются тем, что они приводят к обширному набору геометрических фактов. Истинность этих сложных фактов опирается на принятие базовых гипотез. Однако, отказавшись от пятого постулата Евклида, можно получить теории, имеющие смысл в более широком контексте (например, гиперболическая геометрия). Следовательно, необходимо быть готовым использовать такие термины, как "линия" и "параллельность", с большей гибкостью. Развитие гиперболической геометрии научило математиков рассматривать постулаты как чисто формальные утверждения, а не как факты, основанные на опыте. Когда математики используют аксиомы теории поля, их намерения еще более абстрактны. Утверждения теории поля не относятся к какому-либо конкретному применению; математик теперь работает в полной абстракции. Существует множество примеров полей; теория поля дает верные знания обо всех них. Неверно утверждать, что аксиомы теории поля являются "утверждениями, которые принимаются за истинные без доказательств". Скорее, аксиомы теории поля – это набор ограничений. Если какая-либо система сложения и умножения удовлетворяет этим ограничениям, то можно сразу узнать много дополнительной информации об этой системе. Современная математика формализует свои основания настолько, что математические теории можно рассматривать как математические объекты, а сама математика – как область логики. Фреге, Рассел, Пуанкаре, Гильберт и Гёдель – ключевые фигуры в этом развитии. Еще один урок, извлеченный из современной математики, заключается в тщательной проверке предполагаемых доказательств на наличие скрытых предположений. В современном понимании, набор аксиом – это любая совокупность формально сформулированных утверждений, из которых следуют другие формально сформулированные утверждения посредством применения определенных, четко определенных правил. В этом представлении логика становится просто еще одной формальной системой. Набор аксиом должен быть непротиворечивым; из аксиом невозможно вывести противоречие. Набор аксиом также должен быть не избыточным; утверждение, которое может быть выведено из других аксиом, не обязательно должно рассматриваться как аксиома. Первоначальной надеждой современных логиков было то, что различные отрасли математики, а возможно, и вся математика, могут быть выведены из непротиворечивого набора базовых аксиом. Ранним успехом формалистской программы стала формализация Гильбертом евклидовой геометрии и связанное с этим доказательство непротиворечивости этих аксиом. В более широком контексте была предпринята попытка основать всю математику на теории множеств Кантора. Однако появление парадокса Рассела и подобных антиномий наивной теории множеств поставило вопрос о том, что любая такая система может оказаться противоречивой. Формалистский проект потерпел неудачу столетие назад, когда Гёдель показал, что для любого достаточно большого набора аксиом (например, аксиом Пеано) можно построить утверждение, истинность которого независима от этого набора аксиом. Как следствие, Гёдель доказал, что непротиворечивость теории, такой как арифметика Пеано, является недоказуемым утверждением в рамках этой теории. Есть основания полагать, что арифметика Пеано непротиворечива, поскольку она удовлетворяется системой натуральных чисел – бесконечной, но интуитивно понятной формальной системой. Однако в настоящее время не существует известного способа доказать непротиворечивость современных аксиом Цермело-Френкеля для теории множеств. Более того, используя методы принуждения (Коэна), можно показать, что гипотеза континуума (Кантора) независима от аксиом Цермело-Френкеля. Таким образом, даже этот очень общий набор аксиом нельзя считать окончательным основанием для математики.

Другие науки

Экспериментальные науки, в отличие от математики и логики, также имеют общие основополагающие утверждения, из которых можно построить дедуктивные рассуждения для формулирования положений, предсказывающих свойства, либо все еще общие, либо гораздо более специализированные для конкретного экспериментального контекста. Например, законы Ньютона в классической механике, уравнения Максвелла в классическом электромагнетизме, уравнение Эйнштейна в общей теории относительности, законы Менделя в генетике, закон Дарвина о естественном отборе и т.д. Эти основополагающие утверждения обычно называют принципами или постулатами, чтобы отличить их от математических аксиом. Фактически, роль аксиом в математике и постулатов в экспериментальных науках различна. В математике аксиому не "доказывают" и не "опровергают". Набор математических аксиом задает набор правил, определяющих концептуальную область, в которой теоремы логически вытекают. Напротив, в экспериментальных науках набор постулатов должен позволять выводить результаты, которые соответствуют или не соответствуют экспериментальным данным. Если постулаты не позволяют делать экспериментальные предсказания, они не формируют научную концептуальную основу и должны быть дополнены или уточнены. Если постулаты позволяют делать предсказания об экспериментальных результатах, то сравнение с экспериментом позволяет фальсифицировать (опровергнуть) теорию, основанную на этих постулатах. Теория считается достоверной до тех пор, пока она не была фальсифицирована. Переход между математическими аксиомами и научными постулатами всегда несколько размыт, особенно в физике. Это связано с широким использованием математических инструментов для обоснования физических теорий. Например, при введении законов Ньютона редко явно оговаривается необходимость знания Евклидовой геометрии или дифференциального исчисления, которые они подразумевают. Это стало более очевидным, когда Альберт Эйнштейн впервые представил специальную теорию относительности, где инвариантной величиной является не Евклидова длина (определяемая как ) >, а интервал пространства-времени Минковского (определяемый как ), а затем общую теорию относительности, где плоская геометрия Минковского заменяется псевдоримановой геометрией на искривленных многообразиях. В квантовой физике некоторое время сосуществовали два набора постулатов, что является наглядным примером фальсификации. "Копенгагенская школа" (Нильс Бор, Вернер Гейзенберг, Макс Борн) разработала операциональный подход с полным математическим формализмом, включающим описание квантовой системы векторами ("состояниями") в сепарабельном гильбертовом пространстве и физических величин как линейных операторов, действующих в этом пространстве. Этот подход полностью фальсифицируем и до сих пор дает наиболее точные предсказания в физике. Однако он имеет неудовлетворительный аспект – не позволяет ответить на вопросы, которые естественно возникают. По этой причине Альберт Эйнштейн, Эрвин Шрёдингер и Дэвид Бом в течение некоторого времени разрабатывали альтернативный подход, основанный на "скрытых переменных". Он был создан, чтобы попытаться дать детерминированное объяснение таким явлениям, как квантовая запутанность. Этот подход исходил из предположения, что описание Копенгагенской школы неполно и постулировал существование некой пока неизвестной переменной, которую необходимо добавить в теорию, чтобы ответить на некоторые вопросы, на которые она не отвечает (основополагающие элементы которого обсуждались в рамках парадокса ЭПР в 1935 году). Принимая эти идеи всерьез, Джон Белл в 1964 году вывел предсказание, которое привело бы к различным экспериментальным результатам (неравенства Белла) в случае Копенгагенской интерпретации и подхода со скрытыми переменными. Эксперимент впервые был проведен Аленом Аспеком в начале 1980-х годов, и его результаты исключили простой подход со скрытыми переменными (сложные скрытые переменные все еще могут существовать, но их свойства могут оказаться еще более проблематичными, чем проблемы, которые они пытаются решить). Это не означает, что концептуальная структура квантовой физики теперь можно считать завершенной, поскольку остаются открытые вопросы (граница между квантовым и классическим мирами, что происходит во время квантового измерения, что происходит в полностью замкнутой квантовой системе, такой как сама Вселенная, и т.д.).

Математическая логика

В области математической логики проводится чёткое различие между двумя понятиями аксиом: логическими и нелогическими (отчасти напоминающее древнее различие между "аксиомами" и "постулатами" соответственно).

Логические аксиомы

Это определенные формулы в формальном языке, которые истинны во всех интерпретациях, то есть формулы, которые выполняются при любом присваивании значений. Обычно в качестве логических аксиом принимают как минимум минимальный набор тавтологий, достаточный для доказательства всех тавтологий в языке; однако в случае логики предикатов требуется больше логических аксиом, чтобы доказать логические истины, которые не являются тавтологиями в строгом смысле.

Нелогические аксиомы

Нелогические аксиомы – это формулы, выполняющие роль предположений, специфичных для данной теории. Рассуждения о двух различных структурах, например, о натуральных и целых числах, могут опираться на одни и те же логические аксиомы; нелогические аксиомы призваны отразить особенности конкретной структуры (или набора структур, таких как группы). Таким образом, нелогические аксиомы, в отличие от логических, не являются тавтологиями. Другим названием нелогической аксиомы является постулат. Почти каждая современная математическая теория начинается с заданного набора нелогических аксиом, и предполагалось, что в принципе любую теорию можно аксиоматизировать таким образом и формализовать до элементарного языка логических формул. В математическом дискурсе нелогические аксиомы часто просто называют аксиомами. Это не означает, что утверждается их истинность в каком-либо абсолютном смысле. Например, в некоторых группах групповая операция коммутативна, и это можно постулировать введением дополнительной аксиомы, но без этой аксиомы мы можем успешно развивать (более общую) теорию групп, и даже принять её отрицание в качестве аксиомы для изучения некоммутативных групп. Таким образом, аксиома представляет собой элементарную основу для формальной логической системы, которая вместе с правилами вывода определяет дедуктивную систему.

Примеры

В данном разделе приведены примеры математических теорий, которые полностью разработаны на основе набора нелогических аксиом (аксиом, в дальнейшем). Строгое изложение любой из этих тем начинается со спецификации этих аксиом. Фундаментальные теории, такие как арифметика, действительный анализ и комплексный анализ, часто представляются неаксиоматически, но подразумевается, либо явно, либо неявно, что используемые аксиомы являются аксиомами теории множеств Зермело — Френкеля с аксиомой выбора, сокращенно ZFC, или какой-либо очень близкой системой аксиоматической теории множеств, например, теорией множеств фон Неймана — Бернейса — Гёделя, являющейся консервативным расширением ZFC. Иногда используются несколько более сильные теории, такие как теория множеств Морса — Келли или теория множеств с сильно недоступным кардиналом, допускающим использование вселенной Гротендика, однако на практике большинство математиков могут доказать все необходимое в более слабых системах, чем ZFC, например, в арифметике второго порядка. Изучение топологии в математике охватывает топологию множеств, алгебраическую топологию, дифференциальную топологию и все связанные с ними инструменты, такие как теория гомологий и теория гомотопий. Развитие абстрактной алгебры привело к возникновению теории групп, колец, полей и теории Галуа. Этот список можно расширить, включив в него большинство областей математики, в том числе теорию меры, эргодическую теорию, теорию вероятностей, теорию представлений и дифференциальную геометрию.

Евклидова геометрия

Вероятно, самым старым и самым известным списком аксиом являются 4 + 1 постулата Евклида о планиметрии. Аксиомы называют "4 + 1", поскольку на протяжении почти двух тысячелетий подозревали, что пятый (параллельный) постулат ("через точку, не лежащую на прямой, проходит ровно одна параллельная ей прямая") может быть выведен из первых четырех. В конечном итоге было установлено, что пятый постулат независим от первых четырех. Можно предположить, что через точку, не лежащую на прямой, проходит ровно одна параллельная прямая, или бесконечно много таких прямых. Этот выбор приводит к двум альтернативным геометриям, в которых сумма внутренних углов треугольника равна соответственно точно 180 градусам или меньше, и они известны как евклидова и гиперболическая геометрии. Если также отказаться от второго постулата ("прямую можно неограниченно продолжать"), то возникает эллиптическая геометрия, в которой через точку, не лежащую на прямой, не проходит ни одной параллельной прямой, и в которой сумма внутренних углов треугольника превышает 180 градусов.

Реальный анализ

Цели исследования относятся к области действительных чисел. Действительные числа однозначно определяются (с точностью до изоморфизма) свойствами дедекиндово полного упорядоченного поля, а именно тем, что любое непустое множество действительных чисел, ограниченное сверху, имеет наименьшую верхнюю грань. Однако, для формулирования этих свойств в виде аксиом требуется использование логики второго порядка. Теоремы Лёвенхейма — Сколема показывают, что если мы ограничиваемся логикой первого порядка, то любая аксиоматическая система для действительных чисел имеет другие модели, включая как модели, меньшие по мощности, чем действительные числа, так и модели, большие по мощности. Некоторые из последних изучаются в нестандартном анализе.

Дедуктивные системы и полнота

Дедуктивная система состоит из набора логических аксиом, набора нелогических аксиом и набора правил вывода. Желательным свойством дедуктивной системы является полнота. Система считается полной, если для любой формулы, то есть для любого утверждения, являющегося логическим следствием , существует доказательство этого утверждения из . Иногда это выражается как "все истинное доказуемо", но следует понимать, что "истинное" здесь означает "сделанное истинным набором аксиом", а не, например, "истинное в заданной интерпретации". Теорема о полноте Гёделя устанавливает полноту определенного широко используемого типа дедуктивной системы. Важно отметить, что "полнота" имеет здесь иной смысл, чем в контексте первой теоремы о неполноте Гёделя, которая утверждает, что не существует рекурсивного, непротиворечивого набора нелогических аксиом теории арифметики, который был бы полным, в том смысле, что всегда найдется арифметическое утверждение, которое нельзя ни доказать, ни опровергнуть из данного набора аксиом. Таким образом, существует понятие полноты дедуктивной системы и понятие полноты набора нелогических аксиом. Теорема о полноте и теорема о неполноте, несмотря на свои названия, не противоречат друг другу.

Дальнейшее обсуждение

Ранние математики рассматривали аксиоматическую геометрию как модель физического пространства, и, очевидно, могла существовать только одна такая модель. Идея о том, что могут существовать альтернативные математические системы, вызывала серьезное беспокойство у математиков XIX века, и создатели систем, таких как булева алгебра, предпринимали значительные усилия, чтобы вывести их из традиционной арифметики. Галуа незадолго до своей трагической гибели показал, что эти усилия были в основном бесполезны. В конечном итоге, абстрактные параллели между алгебраическими системами оказались важнее деталей, и так родилась современная алгебра. В современном представлении аксиомы могут представлять собой любой набор формул, при условии, что они не признаны противоречивыми.