计算的极限（四）：有限的障壁

难料的世事

美国普林斯顿大学，1936年9月底。

离乡别井，总是一种冒险。即使是一衣带水的英国与美国，文化与传统上的微妙差异，不知制造了多少惶惑。而图灵这时来到普林斯顿，可以说是双重冒险。他刚申请了普林斯顿的奖学金，但却受不了漫长的等待：精英荟萃的普林斯顿实在太诱人了。

虽然图灵当时已是剑桥国王学院的研究员，每年有一笔比上不足比下有余的薪金，但人在他乡，经济上需要更多余裕。多申请一笔普林斯顿的奖学金，自然也合乎常理。

（普利斯顿大学当年数学系所在的范氏大楼）

但图灵没有拿到这笔奖学金。

在现在看来，这是件不可思议的事：即使是可计算性理论的奠基人，在这笔奖学金上竟然都得不到普林斯顿的青睐。但从当时的情况来看，图灵的遭遇又很合情合理。当时他只是一名小研究员，在学术上名气不大，论文也不多。即使关于图灵机的论文是可计算性理论的奠基石，但脱胎于逻辑的这个领域仍需时间洗练。没有人能参透未来，所以普林斯顿只能从现实角度考虑，而这个考虑的结果，就是拒绝图灵的申请。

但即使没有奖学金，普林斯顿对图灵来说，依然有着相当的吸引力。当时普林斯顿大学数学系与高等研究院共用一幢大楼，可谓人才济济。单在数理逻辑，丘奇自不用提，丘奇的学生克林（Kleene）和罗瑟（Rosser）也是一等一的好手，就连前文反复提到的哥德尔，在一年前访问过普林斯顿，而且计划再次访问。当时在普林斯顿的学者常常开这样的玩笑：如果希望瞻仰数学界的某位领头羊，只要呆在普林斯顿就好，他们总会过来的。人才与人才是相互吸引的，图灵选择冒险，自然有他的理由。

可惜人算不如天算。克林与罗瑟刚刚拿到博士学位，在外校取得了一席教职，已经离开了普林斯顿。哥德尔下一次访问要等到1939年。当时普林斯顿在可计算性理论上能拿得出手的，大概就只有丘奇。丘奇的λ演算在日后同样枝繁叶茂，但那将是本系列的另一个故事。

然而，丘奇的研究方式与图灵格格不入，他追求一切概念的严谨与形式化，甚至到达了难以容忍任何模糊描述的地步。从丘奇和图灵各自提出的可计算性的模型，也能看出二人研究风格的差异。丘奇的λ演算从模型本身的描述开始就充满了一种严谨精确、不可更改的气度，如同数学王国中又一块晶莹璀璨的宝石，可望而不可即；而图灵的图灵机则更为灵动直观，似乎在机械工房中就能找到它的身影，每个人都能明白它的原理。

可以想象这两种迥异的研究风格相遇时必然产生的矛盾。当年二人如何合作研究，在今天剩下的文件中只能窥见一鳞半爪，细节已然遗失于历史的尘埃之中。但从图灵的信件可以推测，他们一开始的合作并不顺利。尽管丘奇为人友善，尽管图灵勤勤恳恳，尽管二人都可以说是数理逻辑领域中的佼佼者，但他们首次合作并没有产生什么成果。当然，数学研究就是这样，失败才是正常情况，甚至可以说，数学研究就是在不断的失败上前进的。

幸而，图灵在数学上的兴趣不仅限于数理逻辑。从冯·诺依曼听来的一个有关群论的问题引起了图灵的兴趣，他很快就解决了这个问题，令冯·诺依曼对他大加青眼。也幸亏有了这个群论问题，图灵在普林斯顿的第一年不算颗粒无收。

但图灵最希望做的，还是有关数理逻辑的问题，他希望继续留在普林斯顿，跟随丘奇继续研究，虽然剑桥也有着强烈的吸引力。在再三的劝说后，他又申请了第二年的奖学金。这次，因为有冯·诺依曼的保荐，结果毫无悬念

值得玩味的是，冯·诺依曼的信中只字未提图灵在数理逻辑方面的成就。但以后见之明看来，图灵在可计算性理论上的工作，远远比他在群论上的工作意义重大而深远。此中对比，意味深长。然而我们不能说奖学金的管理者做错了什么，只能说他们错失了一段佳话。

图灵在普林斯顿的生活踏入第二年。作为博士导师的丘奇，向图灵提出了一个新的题目：探求超越哥德尔不完备性定理的方法。

图灵再次抓住了这个机遇。

一致的扩充

哥德尔的不完备性定理（参见希尔伯特之梦，以及梦的破灭以及计算的极限（零）），其实描述的就是数学本身的界限。在此之前，数学家认为真理必可达到，而希尔伯特的那句“我们必须知道，我们必将知道”，正是这项信念奏出的最强音。但哥德尔打破了这种幻想，他证明了，对于强得足以包含算术而又不自相矛盾的数学系统而言，“真”与“可证明”是两个彻底不同的概念。在这些系统中，存在着无法证明的真理。

哥德尔的不完备性定理有两条。

第一，一个“合适的”包含了算术系统的数学系统不可能同时是一致和完备的，也就是说，如果它没有自相矛盾，那么必定存在这样的命题，它们是真的，但无法证明。

第二，在这样的系统中，我们可以将“系统本身没有自相矛盾”表述为系统中的一个命题，而这个命题正是一个无法被证明的真命题。假设我们有一个包含算术系统，但又没有自相矛盾的数学系统T' role='presentation'>T，我们将表达“T' role='presentation'>T没有自相矛盾”的命题记作Cons(T)' role='presentation'>Cons(T)，那么，哥德尔的第二不完备性定理说的就是Con(T)' role='presentation'>Con(T)在T' role='presentation'>T中无法被证明。

你可能会有这样的疑问：如果把Cons(T)' role='presentation'>Cons(T)当作一条公理加进T' role='presentation'>T中，那么得到的新系统不就能证明T' role='presentation'>T没有自相矛盾了吗？这是否与哥德尔的定理矛盾？

但如果将Cons(T)' role='presentation'>Cons(T)作为新的公理，我们研究的公理系统就不再是T' role='presentation'>T，而是另一个系统T1=T∪{Cons(T)}' role='presentation'>T1=T∪{Cons(T)}，。虽然在新的系统T1' role='presentation'>T1中的确能证明Cons(T)' role='presentation'>Cons(T)，但它只表达了原有系统T' role='presentation'>T没有自相矛盾，而对于新系统T1' role='presentation'>T1，它不能表达这一点。结合了新的公理之后，表达系统本身没有自相矛盾的命题同样会产生变化。这就像一场猫捉老鼠的游戏，我们自以为封死了一切退路，把猎物逼进了墙角，但事实却是按下葫芦浮起瓢，在我们不知道的地方又出现了新的漏洞，狡猾的猎物得以全身而退。

值得一提的是，这种对公理系统的扩充方法有其独特之处：虽然新的系统比原来多了一条公理，阐述了原有体系的一致性，的确使公理系统变得更强大，但在某种意义上，这又是最保守的扩充方法。它仅仅假定了原有系统的一致性，看似没有引入什么新的知识，而得出的新系统的一致性也与原来的系统相同：如果原有系统是一致无矛盾的，阐述这一点的新公理自然不会引发矛盾；而如果原有系统本身就存在矛盾，那么它能证明一切命题，无论是真是假，那么加入新的公理也不会改变这一点。

这可能不是最有趣的扩充方法，但却是最稳妥的。如果随便添加公理，我们得到的更有可能得到的是一个自相矛盾的无用系统。与其矛盾，不如稳健。

但要用这种方法在系统内部证明自身的一致性，实际上并不可行。的确，我们可以多次重复添加公理的过程，得到从T_1、T_2开始的一系列理论系统，但它们的一致性是相同的，都依赖于起始的数学系统T，而且这一点是可以证明的。既然在起始的系统中不能证明自身的一致性，那么之后的一系列系统，无论重复多少次，都不可能证明自身的一致性。

那么，如果我们重复无限次，添加无限条公理呢？这样的话，无论使用了多少条公理，总有比它们更大的一条公理将会断言前面公理的一致性，一环扣一环，直至无穷，整个系统岂不是无懈可击？

系统的证明

从某个理论T0=T' role='presentation'>T0=T开始，逐次添加关于新理论一致性的公理Cons(Ti)' role='presentation'>Cons(Ti)，不断得到T1=T0+Cons(T0),T2=T1+Cons(T1),T3,…' role='presentation'>T1=T0+Cons(T0),T2=T1+Cons(T1),T3,…，一直到最后包含无穷条公理的T∞' role='presentation'>T∞，其中每一条公理都有更大的公理来断言它的一致性。似乎我们就得到了一个超越哥德尔不完备性定理的数学系统。

但事情当然不会那么顺利。

首先，在包含无穷条公理的数学系统中，如何在系统内部谈论它的一致性，这并非顺理成章。的确，从理论上来说，包含任意的无穷条公理的数学系统是存在的。但如果要在这种系统内思考，很快就会遇到困境。先不说在系统中进行推理，就算是阅读一个证明，也并非显然。要理解这一点，需要对“形式证明”有更具体的理解。

一个数学系统内的形式证明，实际上是一串有限的命题组合，其中的命题要么是系统内的公理，要么是此前命题明白无误的简单逻辑推论，而最后出现的命题就是这个形式证明要得出的结论，也就是要证明的定理。这种一环套一环的组合方式，恰好保证了最后结论的正确性。而我们在阅读一个形式证明时，也只需要顺次检查这些命题，看看每一个命题是否本身就是公理或者此前命题的推论，就能验证这个证明的正确性。

而如果要在系统内部用命题表达系统本身的一致性，就要用到哥德尔在证明他的不完备性定理时用到的技术。简单来说，我们需要“阅读证明”的这个过程能够完全机械化，即使将人脑换成图灵机，也可以完成类似的验证。但如果数学系统本身包含无穷条公理的话，这个机械的阅读过程可能甚至连第一步都无法开始：如果有无穷条公理，那么面对一个命题，又如何知道它是否一个公理呢？

打个比方，数学系统好比是座仓库，里边装的都是公理。现在有人给我们一件东西，比如说一本书，我们的任务则是查看仓库里是否有一模一样的存货。如果仓库里只有有限样东西，一个个清点总能完成任务；但如果仓库容纳了无数物件，即使仓库的确有相应的存货，如果清点的次序不当，也有可能永远也碰不上我们的目标。

同样，要判断某个命题是否给定的数学系统中的公理，如果公理只有有限条，那么一个一个比较，总能在有限时间内判断出来。但对于无穷条公理的情况，这种方法有着严重的缺陷。如果检查的命题的确是公理，那么有朝一日总会停止；但反过来，如果我们检查了很久，仍然没有找到它是公理的证据的话，因为我们没有清点公理的一般方法，所以同样无法断言是否有遗漏。

所以一般而言，在一个包含无穷条公理的数学系统中，我们甚至无法在有限时间内机械地判断一个证明是否正确。尽管形式上仍然可以对形式证明进行定义，但我们几乎无法有效地考察这样的定义。同样，在这类系统中，有关形式证明的概念，尤其是系统本身的一致性，也如同处于矛盾中的说谎者，根本无法被表达。在这些系统中，难以谈及有关证明论的问题。

然而，在数学家们平常使用的数学系统中，不乏包含无穷条公理的例子。其中包括策梅洛-弗兰克公理系统，它被认为是现代数学的公认基础；还有皮亚诺算术的一阶逻辑版本，这个版本在数理逻辑的研究中经常出现。虽然这些系统同样包含无穷条公理，但数学家们在使用这些系统进行证明时没有一丝的踌躇，似乎其中形式证明的意义理所当然，与我们之前的结论背道而驰，这又是为什么呢？

答案很简单：这些数学系统拥有特殊的性质，虽然包括无穷条公理，却能在有限的时间内判断某个命题是否其中的公理。在数理逻辑中，这些系统被称为可有效生成的公理系统。

“可有效生成的公理系统”，顾名思义，这种系统里的公理都是可以“有效生成”的，也就是说，存在一台图灵机，可以“生成”所有的公理，将它们一一打印到纸带上，而打印出来的命题则必定是系统中的公理。可以说，这样的公理系统可以约化为一台图灵机。

回到仓库的比喻的话，一个可有效生成的数学系统同样是公理的仓库，但其中有着某种规律。比如一个包揽全世界所有书的仓库（它的别名叫图书馆），要判断某样物品是否有存货就太简单了：只要是书，那就有存货；如果不是书，那就没有。无需费力找到具体的对应，但同样可以确定仓库中是否存在相同的存货。

如果一个数学系统是可有效生成的，那么可以构造一个图灵机来判断某个证明是否正确。它能仅仅承认那些系统内正确的证明，对于错误的证明则一律拒绝。那么，即使有无穷条公理，我们仍然能通过这台图灵机考察关于形式证明的性质，从而可以谈论所有有关证明论的问题，包括我们关心的系统一致性。

而我们希望讨论的扩充系统，也就是通过无穷次扩充得到的数学系统，的确是一个可有效生成的系统。所以，我们对它一致性的讨论是有意义的。

对于读者来说，可能会感觉这些围绕着无穷条公理的讨论仅仅是一种吹毛求疵。但对于数学，特别是数理逻辑而言，精确性无比重要。在日常生活中，我们使用的语言太模糊太杂乱，人们的本意常常迷失在语言当中，有时连人本身都不理解口中的言说。但在数理逻辑中，一切含糊都被符号明晰，没有歧义，没有矛盾，对就是对，错就是错。这种确定性，正是数学真理性的所在。

有限的障壁

无限扩充得到的公理系统T∞' role='presentation'>T∞，虽然能在其中表达系统本身的一致性，但它的一致性却不像我们想象中的那么显然。虽然对于其中的每一条新公理Cons(Tk)' role='presentation'>Cons(Tk)，都有比它更强大的另一条公理Cons(Tk+1)' role='presentation'>Cons(Tk+1)保证它的一致性，但这真的能证明包含无数条新公理的系统是一致无矛盾的吗？

我们重温一下一致性的定义：一个公理系统是一致无矛盾的，当且仅当系统中不存在对于假命题的证明。也就是说，无论系统有多大有多复杂，只要系统本身不能证明任意一个假命题，比如说“1=2”，那么这个系统就是一致的。

我们现在尝试考虑无限扩充得到的公理系统T∞' role='presentation'>T∞。要超越哥德尔不完备性定理，就需要在系统内部证明有关系统本身一致性的命题Cons(T∞)' role='presentation'>Cons(T∞)。假设系统中存在一个这样的形式证明P' role='presentation'>P，这意味着什么呢？

我们知道，形式证明的长度是有限的，毕竟无论是人类还是计算机，都无法完整阅读无限长的证明。所以，证明P' role='presentation'>P用到的公理也只有有限条。既然有限，那么其中形如Cons(Tk)' role='presentation'>Cons(Tk)的公理也有限，对应的k' role='presentation'>k必然有一个最大值，不妨设为N' role='presentation'>N。那么，证明P' role='presentation'>P中的所有公理，在更小的系统TN+1' role='presentation'>TN+1中早已存在，所以证明P' role='presentation'>P在TN+1' role='presentation'>TN+1中同样有效。也就是说，仅仅在TN+1' role='presentation'>TN+1中就可以证明T∞' role='presentation'>T∞的一致性，它也蕴含了更小的系统TN+1' role='presentation'>TN+1的一致性。

也就是说，因为形式证明的长度是有限的，如果无限扩充后的系统T∞' role='presentation'>T∞能超越不完备性定理，证明它自身的一致性，那么在之前有限次扩充中，必然已经存在一个系统，它能证明自身的一致性。根据之前的论述，这也表示一开始的出发点——也就是

系统T' role='presentation'>T——也能证明自身的一致性，而这是不可能的。

尽管我们尝试用无限来突破不完备性定理，但名为“有限”的障壁挡住了我们的去路。