Кантор. Бесконечность в математике.

ГЛАВА 2 Кардинальные числа

Аристотель, Галилей и многие другие мыслители, жившие до XIX века, безапелляционно заявляли, что говорить о количестве членов бесконечного множества не имеет никакого смысла. В 1870-е годы этот подход был еще настолько распространен, что из осторожности никто бы не поставил его под вопрос, тем более в научной статье. Однако в 1874 году Кантор впервые ввел понятие «количества элементов бесконечного множества» и обозначил его как «кардинальное число (или мощность) множества».

Получив докторскую степень, еще в Берлине Кантор опубликовал три статьи в Zeitschrift fur Mathematik und Physik («Физико-математический журнал»): одну в 1868-м, а другие две — в 1869 году. В первой он рассматривал классическую арифметическую задачу и решал ее методами, которые даже по тем временам не были инновационными, зато в двух других приблизился к тому, что впоследствии обрело форму теории бесконечности.

Обе эти статьи были посвящены вычислению. В первой статье — (Jberdie einfachen Zahlensysteme («О простых числовых системах») — рассматривалось одно свойство иррациональных чисел, во второй — Zwei Satze iiber eine gewisse Zerlegung der Zahlen in unendliche Produckte («Две теоремы о разложении чисел на бесконечные множители») — возможность представить определенные числа как результат бесконечных произведений.

Тема «бесконечного произведения» затрагивала область исчисления, но надо пояснить, что здесь речь шла о потенциальной бесконечности. Так, если умножить 0,5 само на себя «бесконечное количество раз», то в результате получится 0, но это надо понимать в том смысле, что чем больше раз мы совершим это умножение, тем ближе мы подойдем к 0. Действительно, если мы перемножим 0,5 дважды, то получим 0,25; трижды — 0,125; четырежды — 0,0625, и так далее. Результат будет постепенно приближаться к 0. Здесь суть заключается в приближении, а не в актуально бесконечном произведении 0,5.

В наши дни [...] доказательства [...] Кантора по праву украшают мировой музей истории математики.

Мартин Гарднер, ^Нескучная математика. Калейдоскоп головоломок*, 1975 год

Пока Кантор писал эти статьи, на жизнь он зарабатывал уроками математики в женской гимназии и корпел над диссертацией на получение степени хабилитированного доктора. Она была необходима, чтобы преподавать в университете. Тема диссертации Кантора на латыни звучала как De transformatione jоплатит temariarum quadraticorum («О преобразовании тернарных квадратичных форм»).

Самым большим его желанием было получить место в университете Берлина или Геттингена, но пришлось довольствоваться положением в Галле. Он заступил на должность в 1869 году. Этот университет имел знаменательное прошлое, но в XIX веке слава его померкла. Кантор непрерывно пытался изыскать способ перевестись в Берлин или Геттинген, но все было напрасно, и ученый очень переживал по этому поводу.

В Галле под руководством Генриха Эдуарда Гейне (1821— 1881) Кантор окончательно сосредоточился на вычислении и с 1870 по 1872 год опубликовал пять статей (которые будут рассмотрены в следующей главе). В них он исследовал определенный тип бесконечных сумм. И хотя, как и бесконечные множества, они понимались потенциально, а не актуально бесконечными, именно вследствие этих первых работ в Галле Кантор задумался об актуальной бесконечности. Впервые она появилась в его научных трудах, хоть и неявно, в статье 1874 года.

Помимо публикации этой работы, разделившей его научную карьеру на «до» и «после», в 1874 году в жизни Кантора произошло еще одно важное событие — 9 августа он женился.

Валли Гутман, его невеста, тоже любила искусство, играла на фортепиано и брала уроки пения. Медовый месяц они провели в Интерлакене, туристическом городке Швейцарии. И чтобы лучше очертить характер ученого, отметим, что большую часть времени он беседовал о математике с Дедекиндом.

У Валли Гутман и Георга Кантора родились шестеро детей: четыре девочки и два мальчика. Веселый нрав Валли прекрасно дополнял серьезный и даже суровый характер Кантора и определял атмосферу их дома: как было принято в то время в кругах немецких университетских профессоров, семья вела очень активную общественную жизнь.

Теперь проанализируем статью liber eine Eigenschaft des Inbegriffes alter reellen algebraischen Zahlen («Об одном свойстве совокупности всех действительных алгебраических чисел»), опубликованную Кантором в 1874 году в «Журнале Крелле». В этой статье уже содержались основные идеи, которые позже позволили Кантору прийти к своей теории бесконечности, несмотря на то что Карл Вейерштрасс посоветовал ему скрыть их или хотя бы не подчеркивать их революционность. О чем же говорилось в статье? Что это были за идеи? Почему их следствия были столь провокационными? И что же это за «действительные алгебраические числа»?

Начнем анализ с одного из первых утверждений теории Кантора.

Оно гласит, что два множества предметов можно соотнести друг с другом, если член одного из них сопоставим с членом другого так, что ни в одном из этих множеств не останется члена без пары. Галилей проделал это с группами натуральных чисел и квадратных (см. рисунок).

Говоря математическим языком, эта операция является «установлением взаимно однозначного соответствия» между членами множеств.

Заметим, что если в обоих множествах больше не осталось членов, то сказать «два множества эквивалентны» — значит сказать, что в них одинаковое количество членов.

Теория Кантора основывается на том, что вопреки мнению Галилея этот принцип может быть перенесен на актуально бесконечные группы без какого-либо противоречия. То есть можно утверждать, что если два множества эквивалентны, в них одинаковое количество членов. Именно это и хотел доказать Кантор.

Вопросы бесконечности бросали вызов разуму и воображению человека, как никакая другая проблема за всю историю человеческой мысли.

Эдвард Каснер и Джеймс Ньюмен, «Математика и воображение», 1940 год

Однако говорить о «количестве членов» актуально бесконечного множества несколько странно, потому что, как сказал бы Аристотель, не существует числа, которое выражает это количество. (По крайней мере его не существовало в середине 1870-х годов. А позже, как мы увидим, оно появится. Отметим также, что знаменитый символ °°, введенный в 1655 году английским математиком Джоном Валлисом, обозначает потенциальную бесконечность, а не актуальную.) Так Кантор был вынужден ввести понятие «кардинальное число». Оно выражает идею количества членов законченной или актуально бесконечной группы, не говоря о количестве открыто. Вообще-то Кантор употребил термин «мощность», но после математики изменили его на «кардинальное число». Сегодня оба термина употребляются наравне.

Кардинальное число множества, по Кантору, — это характеристика, которая сохраняется после абстрагирования сущности его членов, а также их взаимоотношений.

Возьмем группу букв, составляющих слово «небо». Их кардинальное число, по определению Кантора, можно записать как ****. Эти символы обозначают членов группы, природа которой рассматривается как абстракция. Кардинальное число последовательности чисел 2,3, 5,7 тоже было бы ****.

У обеих групп одно и то же кардинальное число, поскольку у них одинаковое количество членов (четыре, разумеется). Действительно, **** могло бы стать пусть примитивным, но действенным способом обозначения числа 4. Кардинальное число множества натуральных чисел выглядело бы как *********** (символы продолжаются бесконечно). Таким же было бы и кардинальное число множества квадратных чисел. Следуя рассуждениям Кантора, если два множества эквивалентны, у них одинаковая мощность.

Как теория Кантора решает парадокс Галилея, рассмотренный в главе 1? С одной стороны, очевидно, что натуральных чисел больше, чем квадратных, поскольку натуральные включают в себя квадратные. С другой стороны, взаимно однозначное соответствие двух множеств предполагает, что в них одинаковое количество членов.

Ответ Кантора основывается на том, что первое утверждение Галилея ложное. То, что множество квадратных чисел является частью множества натуральных чисел, верно, но из этого нельзя сделать вывод, что их больше, чем квадратных.

Когда речь идет о бесконечных множествах, совокупность необязательно больше части; другими словами, для актуально бесконечных групп не всегда действуют те же правила, что и для законченных. Квадратные числа входят в группу натуральных, но мощность и тех и других одинакова, так что никакого парадокса нет.

Интуиция говорит нам, что натуральных чисел должно быть вдвое больше по сравнению с парами, в то время как взаимнооднозначное соответствие подсказывает: в этих группах одно и то же количество членов.

Брайан Банч, «Математические хитрости и парадоксы», 1982 год

Основываясь на этих рассуждениях, несколько лет спустя немецкий математик Рихард Дедекинд (1831-1916) предложил альтернативное определение актуальной бесконечности. Вместо того чтобы исходить из отрицания — множество бесконечно, когда оно не конечно, — он решил действовать от обратного. По Дедекинду, актуально бесконечное множество равномощно любому своему подмножеству (этим свойством обладают все актуально бесконечные группы и только они). Мысль Дедекинда была встречена благосклонно, и его определение до сих пор используется в области математической бесконечности.

Продолжим рассмотрение статьи Кантора 1874 года. Мы уже знаем, что множество всех натуральных чисел эквивалентно множеству квадратных чисел. Обратимся теперь к целым числам.

В их множество входят натуральные и отрицательные числа: -1, —2, —3, —4, ... Такое множество, как и квадратные числа, эквивалентно натуральным. Чтобы доказать это, достаточно продемонстрировать взаимно однозначное соответствие этих групп.

Предположим, что мы сопоставляем Ос 0, 1 с -1, 2 с -2, 3 с -3 и так далее.

Эта попытка провалится, так как в правой колонке не все числа будут целые, то есть некоторые целые числа останутся без пары. Но тот факт, что это решение неверное, не означает, что не существует правильного разбиения на пары. Действительно, если мы соотнесем натуральные числа 0,1,2,3,4,5,6,... с целыми 0,1, -1, 2, -2,3, -3,..., то получим взаимно однозначное соответствие между ними.

Кардинальное число целых чисел всегда будет *********... Следующая группа, которую мы должны рассмотреть, состоит из рациональных чисел. Слово «рациональный» происходит от латинского ratio, что означает и «разум», и «отношение», «деление». Таким образом, рациональные числа — это такие числа, которые можно записать в виде соотношения двух целых чисел (в математике их еще называют дробями). Рациональными являются числа

Целые числа также являются рациональными, например 3/1 = 3 и 0/1 = 0 (выражение 0/0 не представляет никакого рационального числа, как и 1/0, 2/0, 3/0...). Следовательно, мы можем доказать, что множество рациональных чисел включает в себя и множество целых чисел, которое, в свою очередь, включает множество натуральных чисел. И тем не менее между множеством рациональных чисел, с одной стороны, и множеством натуральных и целых чисел, с другой, есть фундаментальное различие. Чтобы объяснить его суть, нам понадобится числовая ось. Это прямая (ее можно представить себе как потенциально, так и как актуально бесконечную), на которой отмечены числа. Сначала выберем произвольную точку и отметим на ней число 0, а потом еще одну, на которой отметим 1.

Каждая из этих точек на самом деле является математической, то есть не обладает длиной, но в данном случае, чтобы сделать их видимыми, мы обозначим их маленькими окружностями.

Выбор места для точек 0 и 1 совершенно произволен, но, сделав его, мы обусловим расположение остальных чисел. Расстояние между 0 и 1 должно равняться расстоянию между 1 и 2, а также расстоянию между 2 и 3 и так далее. То же справедливо и для отрицательных чисел.

Георг Кантор в 1870 году по прибытии в Галльский университет.

Университет в Галле, приблизительно 1936 год.

Портрет Рихарда Дедекинда. Генрих Кенигсдорф, 1927 год.

Портрет Карла Теодора Вильгельма Вейерштрасса. Конрад Фер.

Немецкий математик Давид Гильберт (1862-1943) придумал задачу, в которой упрощенно излагается одно из следствий теории Кантора. Представим себе отель, в котором есть бесконечное количество комнат, обозначенных номерами 1, 2, 3, 4, 5 и так далее. В каждом номере есть постояльцы, которых мы для удобства так же обозначим числами 1, 2, 3, 4, 5 и так далее. Однажды в отель приезжает новый гость, назовем его Господином 0, но все номера заняты, а по правилам отеля двое людей не могут занимать один номер. Господин 0 уже собирается уходить, когда ему предлагают такой вариант: он поселится в номере 1, гость 1 — в номере 2, гость 2 — в номере 3 и так далее. Таким образом, Господин 0 сможет остановиться в отеле, и никто не останется без комнаты.

На языке математики эта история доказывает, что множество чисел 0, 1, 2, 3,4,... эквивалентно множеству чисел 1, 2, 3, 4, 5,... То есть любое бесконечное множество, к которому добавляется новый элемент, эквивалентно изначальному множеству.

Положение каждого рационального числа также строго определено. Если мы разделим отрезок между 0 и 1 на шесть равных частей, первой точке после 0 будет соответствовать число 1/6, второй — 2/6 (обратим внимание, что 2/6 = 1/3), третьей — 3/6 (то есть 1/2) и так далее.

Существуют ли рациональные числа между 1/3 и 1/2? Да, так как, например, есть их среднее арифметическое, 5/12. А между 1/3 и 5/12? Тоже: их средним арифметическим будет 3/8. Таким образом, как бы близко друг к другу ни располагались два рациональных числа, между ними всегда будут другие рациональные числа.

Из этого следует, что любой отрезок числовой оси, каким бы маленьким он ни был, всегда будет содержать бесконечное количество рациональных чисел. В этом и заключается различие между рациональными и целыми числами. Разумеется, ни натуральные, ни целые числа этим свойством не обладают. Следовательно, мы можем утверждать, что рациональных чисел на числовой оси больше, чем натуральных, но все-таки между ними есть взаимно однозначное соответствие.

Чтобы объяснить, как оно возникает (и открыл его Кантор), отметим на оси дроби, полученные с помощью двух натуральных чисел. Сначала запишем единственную дробь, составляющие которой в сумме равны 2:1/1. Затем дроби, составляющие которых в сумме равны 3: 1/2 и 2/1. После дроби, составляющие которых в сумме равны 4:1/3 и 3/1, опуская дробь 2/2, так как 2/2 = 1/1, а ее мы уже отметили. Продолжим с дробями, составляющие которых в сумме дают 5, затем 6 и так далее, всегда опуская дроби, равные уже записанным. У нас получится ось, которая в начале выглядит следующим образом.

Если мы продолжим эту линию на достаточное расстояние, в конце концов на ней появится какое-то положительное рациональное число (мы представляем эту ось как потенциально бесконечную). Чтобы включить и другие рациональные числа, поставим в начале 0 и будем чередовать положительные и отрицательные числа:

После этого, чтобы закончить соответствие, соотнесем 0 с первым числом оси, 1 — со вторым, 2-е третьим и так далее.

Таким образом, мы доказали, что между множествами натуральных и рациональных чисел есть взаимно однозначное соответствие.

Но Кантор в статье 1874 года, следуя совету Вейерштрасса, не упоминал об этих соответствиях (лишь намекнул), а также о кардинальных числах. Как тогда он мог утверждать, что некая группа чисел эквивалентна группе натуральных чисел? Для этого Кантор использовал понятие, которое стало одним из основных в его теориях: последовательность.

В последовательности всегда есть первое число, второе и так далее. Существуют последовательность нечетных натуральных чисел (1, 3, 5, 7, 9, 11, ...) и последовательность простых чисел (2, 3, 5, 7, 11,...). Последовательности могут иметь и конечное число членов, но мы рассмотрим только те из них, которые, как в предыдущих примерах, состоят из бесконечного количества не повторяющихся членов.

Заметим, что для установления взаимно однозначного соответствия между натуральными и целыми числами мы должны сначала представить их в виде последовательности: 0,1, -1, 2, -2, 3, -3,... То же самое необходимо для установления соответствия между натуральными и рациональными числами:

Следовательно, утверждение, что некое множество чисел эквивалентно множеству натуральных чисел, означает, что его члены могут быть представлены в виде последовательности.

Я бы с удовольствием вставил комментарий о фундаментальном различии между группами, но убрал его, следуя совету господина Вейерштрасса.

Георг Кантор в письме Рихарду Дедекинду 27 декабря 1873 года

Используя это следствие, Кантор не стал упоминать в своей статье ни об эквивалентности натуральным числам, ни об общем кардинальном числе, а просто рассмотрел возможность организации членов некоей группы в виде последовательности.

Теперь вернемся к числовой оси и предположим, что мы уже отметили числа 0 и 1. Исходя из этих отметок, позиции других чисел тоже строго определены. Будет ли ось полностью заполнена, если мы отметим на ней рациональные числа? Другими словами, можно ли записать все числа как соотношение двух целых чисел? Ответ на оба вопроса: нет. После того как мы нанесем на ось все рациональные числа, на ней все равно останутся точки, которым не будет соответствовать никакое число. Открытие иррациональных чисел приписывается Пифагору (VI век до н.э.), хотя, возможно, это был кто-то из его учеников. Иррациональные числа не могут быть представлены в виде соотношения целого и натурального числа, например √2-1,4142.... .. и π = 3,14159... Дополняют ось вещественные числа.

Именно они — включая в себя рациональные и иррациональные числа — не оставляют на оси ни одной свободной точки.

Мы вернемся к вещественным числам в следующей главе, так как они занимают важное место в развитии научных теорий Кантора. А пока рассмотрим вопрос: эквивалентно ли множество вещественных чисел множеству натуральных чисел (как в случае с целыми и рациональными числами)? Ответ стал одним из главных открытий Кантора: нет, эти множества неэквивалентны, то есть между ними нельзя установить взаимно однозначное соответствие.

Для доказательства недостаточно привести один пример неудавшегося соответствия, требуется показать, что провалом закончится любая попытка установить взаимно однозначное соответствие между натуральными и вещественными числами. Невозможно сделать так, чтобы каждое натуральное число соответствовало вещественному.

Для наглядности рассмотрим конкретный случай, в котором попытка установить соответствие оборачивается неудачей. Этот пример действителен для любой другой попытки, поэтому можно утверждать, что установить соответствие невозможно никоим способом. Попробуем найти пару для каждого вещественного числа из группы натуральных чисел и увидим, что какое-то вещественное число обязательно останется без пары (ниже показаны натуральные числа только от 0 до 4, хотя на самом деле этот список продолжается бесконечно).

Принцип, по которому распределялись числа, неясен, но это и не важно, так как данный метод работает вне зависимости от того, какое правило принято за основу. Обратим внимание на цифры после запятой.

Теперь рассмотрим диагональ, которая стремится от левого верхнего угла к правому нижнему. Она настолько важна в этом доказательстве, что само доказательство получило название диагонального метода.

Число, которое мы ищем (то, которому не найдется пары), начинается с 0,... а цифры после запятой будут зависеть от чисел, отмеченных по диагонали. Чтобы получить первую цифру после запятой, возьмем первую цифру диагонали и прибавим 1 (если это цифра 9, то запишем только 0). В нашем случае это цифра 3, поэтому число начнется с 0,4... Чтобы получить следующую цифру, прибавим 1 ко второму числу диагонали (опять же если это 9, мы запишем 0). Для третьей цифры числа возьмем третье число диагонали и так далее. В нашем примере мы получим 0,41162...

Число, которое мы только что высчитали, не соотнесено ни с каким натуральным, мы пропустили его при раздаче пар. Как мы можем быть в этом уверены? Дело в том, что найденное число не может быть тем, которое соотносится с 0, потому что они различаются первой цифрой после запятой; не может быть тем, которое соотносится с 1, потому что у них разные вторые цифры после запятой; не может быть тем, которое соотносится с 2, потому что у них разные третьи цифры после запятой, и так далее до бесконечности.

Поскольку для одного числа не нашлось соответствия, наш пример взаимно однозначного соответствия между множествами натуральных и вещественных чисел является неправильным. Любая другая попытка закончится неудачей по этой же причине, следовательно, между рассматриваемыми множествами нет взаимно однозначного соответствия.

Если немного изменить этот ход рассуждений, можно доказать, что множество чисел, содержащихся в любом, даже самом маленьком отрезке числовой оси, не эквивалентно множеству натуральных чисел. Множество вещественных чисел (или чисел одного отрезка оси) нельзя представить в виде последовательности, как в 1874 году заявил Кантор. Надо заметить, что доказательство, приведенное Кантором, было не совсем таким. Диагональный метод был описан лишь в 1892 году в статье Über eine elementare Frage der Mannigfaltigkeitslehre («Об одном элементарном вопросе учения о многообразиях»).

В статье 1874 года Кантор не говорил ни о целых, ни о рациональных числах. Он доказал, что вещественные числа не могут быть представлены как последовательность, и рассмотрел еще одно множество — множество алгебраических чисел.

Обратимся к древней и очень известной задаче о квадратуре круга, впервые сформулированной древнегреческими геометрами в V веке до н.э. Она состоит в том, чтобы при помощи линейки без делений и циркуля построить квадрат с той же площадью, как у заданной окружности.

Линейка в те времена была обычным прямоугольником для рисования отрезков, на ней не было никаких делений. Ограничительные условия этой задачи свойственны всей древнегреческой геометрии, и происходили они от элитарного представления о науке: измерениями занимались «низшие классы» — купцы и ремесленники, — а геометры и философы работали с идеальными фигурами и понятиями, не опускаясь до «второстепенного» и используя инструменты, годные для создания «чистых» фигур (прямых и окружностей) без их измерения.

В течение веков было сделано множество попыток получить квадратуру круга, но ни одна из них не увенчалась успехом. Никто не был в состоянии найти решение этой задачи; с другой стороны, не было доказано, что решение невозможно.

Если r — это радиус окружности, то ее площадь рассчитывается как πr². Пусть вас не удивляет, что число π связано с этой задачей. Действительно, мы можем доказать, что задача вычислить квадратуру круга эквивалентна другой: взяв за единицу измерения любой отрезок, построить при помощи линейки без делений другой отрезок, длина которого равнялась бы π раз этой единице. Другими словами, построить отрезок длины π.

То, что эти задачи эквивалентны, означает: если допустимо построить отрезок длины π, то можно построить и квадратуру круга, и наоборот. Если же одно из этих построений неосуществимо, то неосуществимо и другое. Первый важный шаг в решении этой задачи был сделан в XVIII веке, когда доказали, что для того чтобы построить отрезок с помощью линейки и циркуля, его длина должна соответствовать алгебраическому числу. Точное определение алгебраического числа слишком сложное, достаточно сказать, что таким называется число, являющееся решением уравнения определенного типа (такого, в котором задействованы целые числа). К тому же не все алгебраические числа могут быть найдены с помощью циркуля и линейки, а только отвечающие определенным требованиям.

Числа, не являющиеся алгебраическими, получили название «трансцендентных». В начале XIX века этот термин считался сугубо теоретическим, поскольку хотя и было известно, что все рациональные числа являются алгебраическими (как и некоторые иррациональные, например √2), существование трансцендентных чисел еще не стало фактом. В частности, предстояло установить, является π алгебраическим или трансцендентным числом.

Первое трансцендентное число нашел французский математик Жозеф Лиувилль (1809-1882) в 1844 году. Сейчас его называют постоянной Лиувилля. Оно начинается с 0,11000100 0000000000000001000... (первая 1 стоит на первом месте после запятой, вторая на месте 1-2 = 2, третья на месте 1 · 2 · 3 = 6 и так далее). Лиувилль обнаружил также еще несколько трансцендентных чисел, похожих на это. В 1873 году другой математик, Шарль Эрмит (1822-1901), открыл, что трансцендентным является число е (основание натуральных логарифмов).

В статье 1874 года Кантор тоже внес большой вклад в эту область, косвенно доказав, что любой отрезок числовой оси содержит бесконечное количество трансцендентных чисел.

Каким образом? Усовершенствовав метод, позволяющий показать, что рациональные числа могут организоваться в последовательность, Кантор доказал, что и множество алгебраических чисел, содержащихся в любом отрезке числовой оси, может быть представлено в виде последовательности. Вещественные числа, расположенные на том же самом отрезке, напротив, последовательностью быть не могут. Это означает, что два этих множества не могут быть одинаковыми, так как одно обладает свойством, отсутствующим у другого. Следовательно, на произвольном отрезке числовой оси все числа не могут быть алгебраическими, но не могут не быть трансцендентными. Таким образом, на каждом отрезке числовой оси есть трансцендентные числа, а на всей прямой — бесконечное количество трансцендентных чисел. Доказательство было непрямым, поэтому отметим: из рассуждений Кантора следует, что существует бесконечное количество трансцендентных чисел, хотя ученый и не привел ни одного конкретного примера.

Если бы Луивилль и Эрмит не обнародовали свои открытия, едва совершив их, то в 1874 году не было бы известно ни одного трансцендентного числа, и Кантор доказал бы существование бесконечного количества чисел неизвестного рода. Нужно отметить, что в тот момент некоторые математики отнеслись к ним с большим скепсисом. Что же произошло с числом π? В 1882 году немецкий математик Карл Луис Фердинанд фон Линдеман (1852-1939) доказал, что число π тоже является трансцендентным, и положил таким образом конец поискам квадратуры круга: стало ясно, что эта задача не может быть решена.

На этом мы закончим разговор о статье 1874 года. Но в чем же заключались ее революционные последствия, которые Вейерштрасс посоветовал скрыть?

Вернемся к диагональному методу: с его помощью было доказано, что попытка установить взаимно однозначное соответствие между множествами простых и вещественных чисел окончится неудачей, так как всегда останутся вещественные числа без пары. Теперь вспомним пример с парами танцоров из предыдущей главы. Если бы нам заранее сказали, что вне зависимости от того, как сформируются пары, все равно останутся женщины без партнера, мы сразу заключили бы, что женщин больше, чем мужчин. Если в любом случае остаются вещественные числа без пары, это означает, что их больше, чем натуральных, но не в том смысле, что одно множество входит в другое, а в смысле их мощности. Кардинальное число (мощность) вещественных чисел («количество членов» в нем) больше, чем у натуральных чисел.

Целые, натуральные и рациональные числа обладают одинаковой мощностью, а «уровень бесконечности» вещественных чисел выше, чем натуральных. Их бесконечное множество «больше» бесконечного множества натуральных. Таким образом, Георг Кантор не только осмелился сравнить два бесконечных континуума — это возмутило бы и Аристотеля, и Галилея,— но и пришел к выводу, что некоторые бесконечности больше других. Иными словами, его доказательство касательно трансцендентных чисел таково: бесконечность множества вещественных чисел больше бесконечности алгебраических чисел, следовательно, должно быть бесконечное множество вещественных чисел, которые не являются алгебраическими, то есть бесконечные трансцендентные числа. В 1874 году эти идеи были настолько революционными, что Вейерштрасс посоветовал Кантору скрыть их. Но почему же тогда Кантор все-таки занялся ими? Из чистого противоречия?

Число называется алгебраическим, если является решением уравнения типа a_nxⁿ + a_n-X1^n-1 + ... + a_X1 + a₀ = 0, где a_n, a_n-1,... ,a₀ — целые числа, а a_n ≠ 0. Например, 7/5 — алгебраическое число, так как является решением уравнения 5х - 7 = 0; еще один пример алгебраического числа — √3, которое является решением уравнения х² - 3 = 0. Это уравнение называется уравнением второй степени, так как наибольшая степень х в нем — х²; уравнение, приведенное вначале, — уравнение первой степени (напомним, что x = x1). Мы можем доказать, что √3 является не только решением уравнения x² - 3 = 0, но и уравнения третьей степени х³ - х² - 3х + 3 = 0, и уравнения четвертой степени х⁴ - 9 = 0, и уравнения пятой степени, и шестой и так далее. Однако √3 не является решением уравнений степени меньше 2, которое при этом удовлетворяет всем вышеуказанным условиям. Самая меньшая возможная степень для √3 — вторая, поэтому говорят, что √3 — это алгебраическое число степени 2. Другими алгебраическими числами степени 2 являются, например, √2 и

(1 + √5)/2,

(Другой стороны, можно доказать, что 3√2 — число степени 3, что √2 + √3 — число степени 4, и что все рациональные числа, как в случае с 7/5, являются алгебраическими числами степени 1. Итак, чтобы удалось построить отрезок с помощью линейки без делений и циркуля, его длина должна соответствовать алгебраическому числу, причем степени 1, 2, 4, 8,16 или любой другой, делящейся на 2. Поскольку π — не алгебраическое число, отрезок этой длины такими инструментами построить нельзя. Также нельзя построить отрезок длиной √2, поскольку, хотя это и алгебраическое число, его степень равна 3.

Он задумался о них еще в ходе первых исследований в Галле, и результаты работы привели его к тому, чтобы отнестись к ним серьезно. В 1883 году Кантор писал:

«К мысли о том, чтобы рассматривать бесконечно большое не только в форме безгранично возрастающего [...], но также закрепить его математически с помощью чисел в определенной форме завершенно бесконечного, я пришел почти против собственной воли и в противоречии с ценными для меня традициями, логически вынужденный к этому ходом многолетних научных усилий и попыток. Поэтому я не думаю, что могут найтись доводы, на которые я не сумел бы ответить».

Какие же исследования подтолкнули его допустить возможность существования актуальной бесконечности? Ответ на этот вопрос будет дан в следующей главе.