数学向何处去？

孱弱无能的理智啊，你该有自知之明！

——帕斯卡

数学家们在试图决定什么是真正的数学，以及在进行新的数学创造时，应当以什么作为基础，其困惑与日俱增。我们前面的长篇大论揭示出数学当前的困难处境，甚至连数学家们的唯一安慰，即数学对科学的巨大适应性，也不复存在了。因为大多数数学家已经放弃了应用，进退维谷，何去何从？数学家们还指望什么？数学的本质又是什么？

首先，让我们回顾一下数学是如何落到这步田地，其中根本性的问题又是什么。最早创建数学的埃及和巴比伦数学家根本不会有能力预见到他们会建立一个什么样的结构，因此他们没有打下一个坚实的基础，而是直接建立在地面上。那时，地表看起来似乎就提供了一个可靠的基础，他们用来建造数学大厦的材料，即关于数学和几何图形的事实，取自关于土地的一些简单经验。现在我们对术语几何，即土地测量的不断使用就点出了数学的这个起源。

就像一座建筑，其晃动会随着高度增加而愈加明显，而在其上随意添加东西则更加危险。古希腊人不仅看到了这种危险，而且也进行了必要的重建，他们采用了两种方法。头一种方法是选一块坚实的地面，大厦就建在其上，这块坚实地面就是关于空间和正整数的自明真理。第二种方法是把钢筋加入框架之中，这些钢筋就是数学大厦结构中每一部分的演绎证明。

在古希腊时代数学发展的范围内，数学的结构（主要由欧几里得几何构成）被证明是稳固的。暴露出的一个缺陷是：考虑一个直线段，比如说通过放弃给线段、面积和体积赋予数值的想法摆脱了这种困境。因此，除了整数和可以归入几何学结构的那些以外，他们对算术和代数的发展没有什么贡献。确实，亚历山大里亚时期的希腊人，尤其是阿基米得，确实使用过无理数，但是这些并没有归入数学的逻辑结构之中。

印度人和阿拉伯人为数学大厦增加了新的一层，但他们对大厦的稳固性却充耳不闻。首先，大约在公元600年，印度人引入了负数。接着，不像希腊人那样挑剔的印度人和阿拉伯人不仅接受了无理数甚至还搞出了一套关于它们的运算规则。文艺复兴时期的欧洲人在最初接受希腊人、印度人和阿拉伯人的数学时还畏缩不前，然而，科学需要胜过一切，欧洲人克服了他们对数学逻辑上的合理性的焦虑。

通过扩展关于各种数的数学，印度人、阿拉伯人和欧洲人为数学大厦建造了一层又一层：复数，各种代数，微积分，微分方程，微分几何以及许多的学科。然而，他们用直觉和物理论据构成的木质栋梁取代了钢筋，但这些材料被证明不堪重负，而墙上裂缝已开始出现。到1800年，数学大厦再度告危，数学家们又赶紧用钢筋来替换木头。

当数学大厦的上层建筑得以加强之时，其基础——希腊人所选定的公理——却开始塌陷。非欧几何的发明揭示出欧几里得几何公理并非真正坚实的土地，只不过在表面看起来似乎坚实，非欧几何的公理也是如此。数学家们过去认为的自然的真实性——他们相信他们的头脑会对这种认识给出成功的证明——也被证明为不可靠的感觉。更添乱子的是，新的代数学的创立使得数学家们意识到数字的特性比几何的特性并不更真实一些。这样，整个数学大厦包括算术及其扩充：代数与分析就岌岌可危了。现在，高耸入云的数学大厦面临着即将崩溃和沉入沼泽中的危险。

为使数学大厦免于倾覆，就得采取强有力的措施，数学家接受了这个挑战。很清楚，没有能把数学建于其上的坚实土地，因为自然界看起来坚实的地面已被证明是骗人的。但也许能通过建立另一种类型的坚实基础来使大厦变得稳固，这包括精心措词的定义，一整套的公理和所有结论的精确证明，而无论凭直觉看来它们是多么地明显，还须用逻辑上的相容性取代真实性。各种理论相互之间应该紧密衔接，这样整个大厦将会稳如泰山（见第七章）。通过19世纪后期的公理化运动，数学家们似乎拥有了一座稳固的大厦。因此，虽然数学事实上已经失去其基础，数学却又一次度过了难关。

不幸的是，这种新结构的基础所用的水泥并没有很好地固化，建造者并不保证其坚固性。当集合论的矛盾暴露出来后，数学家们认识到他们的工作面临一个更严峻的危机。当然，他们不打算袖手旁观，坐视几个世纪的努力毁于一旦。因为坚固性依赖于为推理所选定的基础，很明显，只有重建全部基础才能挽大厦于将倾。在重建后的数学基础上，逻辑和数学公理都必须加强，因而建造者们决定将基础打得更深些。不幸的是，在以什么方式，在什么地方加强基础这一点上，他们没能达成一致。每个人都认为自己能确保坚实性，每个人都想按自己的方式重建。结果是产生了一片既谈不上巍然，又无坚实基础，无规无矩，四处展翼的危房，每一翼都自称数学的唯一殿堂，每间房屋都藏有数学思想的奇珍异宝。

我们年少的时候肯定读过七个盲人和大象的故事，每个人摸到了象的不同部分，由此得出了自己关于大象的结论。数学，也许可以说是一种比大象更优美的结构，对于从不同角度观察它的基础建造者来说，呈示出不同的知识体系。

因此，数学发展到了这样一个阶段，逻辑主义、直觉主义、形式主义和集合论公理化主义，哪一种可以被合适地称之为数学，人们各执己见，而且，每一种数学结构都有某种程度上截然不同的上层建筑。因此，直觉主义者在他们应该接受什么作为基本的、合理的直觉问题上意见不一致：仅仅只有整数还是也包括一些无理数？排中律只适用于有限集合还是也可用于可数集？还有构造性方法的概念问题。逻辑主义者则单一地依赖逻辑，而且对于可约性公理、选择公理及无穷公理还怀有疑虑。集合论公理化主义者则可以沿几个不同方向中的任一个前进，这取决于他们对选择公理和连续统假设的取舍。甚至形式主义者也能遵循不同的路径，其中一些有别于将用于建立相容性的元数学原理。希尔伯特所倡导的有穷性定理不足以证明即使是一阶谓词的相容性，更不用说去建立希尔伯特的形式数学系统的相容性了，因此，用到了非有穷的方法（见第十二章）。还有，在希尔伯特所界定的范围内，哥德尔证明任何有意义的形式系统都包含不可判定的命题。它们是独立于公理之外的，我们可以以这样的命题或者它的反命题作为补充公理。然而，在完成了这种选择后，按哥德尔的结果，这个扩大了的系统仍包含不能判定的命题，因而又可以再进行一次选择。事实上这个过程可以无限进行下去。

逻辑主义者、形式主义者和集合论公理化主义者都依赖于公理化的基础。在本世纪头几十年中，这种基础被拥为建立数学的可以选用的基础。但是哥德尔的理论表明，没有一个公理体系可以包含属于任何一种结构的所有真理，勒尔海姆-斯科伦定理则表明每一个体系包含的真理比预计的要多。只有直觉主义者才能不在乎公理化的方法所提出的问题。

所有这些关于哪个基础最好这一问题的不一致和不确定性以及缺乏相容性的证明，就像达摩克里斯之剑①一样悬在数学家头上。无论一个人接受哪种数学哲学，他都冒着自相矛盾的危险。

对数学大厦这几种相互抵触的方法揭示了这样一个主要事实：不是只有一种而是有很多种数学，数学这个词应从多种意义上进行理解，也许可用于任何一种方法。哲学家桑塔亚那（GeorgeSantayana）曾经说过，“不存在什么上帝，上帝也是凡夫俗子。”今天，人们可以说，不存在这样一种被普遍接受的科学，而希腊人是其奠基者。事实上，数学家现在所面对的选择多样性可以用雪莱的诗句来描述：

看啊，

在这无边无际的荒原上

思维之翼究竟栖身何方。

很显然，我们还得生活在可预见的未来，其中对所需要的数学是什么并无定论。

关于什么是真正的数学，有许多截然不同的观点。如何使它们一致起来的任何希望——最起码也应使得关于什么是合适的数学发展方向这一问题的众多观点相互调和——在于看清楚是什么问题迫使数学家们接受不同观点。最基本的问题是什么是证明，然后是对于这一问题不同观点的后果，在什么是合理的数学上也有些不一致。

数学证明曾被认为应该总是一个清晰明确、无可辩驳的过程。确实，这一点已被忽略了几个世纪（见第五～八章），但数学家们总体来说还是知道这一事实的。概念就摆在那里，它一直是数学家们或多或少有意识坚持的标准和范例。

是什么引起人们对证明过程的关注，甚至于互相矛盾呢？过去的逻辑观点被普遍接受了两千年，其中由亚里士多德所限定的各种原理都是绝对真理。长时期的似乎可靠的应用使人们对其正确性信心十足。但是数学家们逐渐意识到这些逻辑原理和欧几里得几何公理一样，都是经验的产物。因此他们对什么是合理的原理开始感到不安。这样直觉主义者觉得应该限制排中律的应用，如果过去没有证明逻辑原理是不变的，我们还会认为现在正确的原理将来也一定如此吗？

在逻辑学派创始后，提出了关于证明的第二个问题：逻辑原理应该包括什么？虽然罗素和怀特海毫不犹豫地在他们的《数学原理》首版中引入了无穷公理和选择公理，他们后来还是理所当然地退缩了。他们不仅承认了逻辑原理不是绝对的真理而且承认了这两个公理不是逻辑公理。在《原理》的第二版中，开头就没有列出这两个公理，而需要用它们来证明一些定理的地方都特别地指了出来。

除了关于什么是可接受的逻辑原理这一问题的不同观点之外，逻辑本身能有多大用处这一问题也在争论之中。我们知道，逻辑学家们坚决主张逻辑足以满足全部数学的需要，然而，就像刚提到的那样，他们后来在无穷公理和选择公理的问题上含糊其辞。形式主义者认为只有逻辑是不够的，为了奠定数学的基础，还得在逻辑公理中加入数学公理。集合论公理化主义者则对逻辑原理漫不经心，有些人甚至不愿提及它们。原理上的直觉主义者干脆省略了逻辑。

还有一个问题是存在的概念。例如，证明每个多项式方程至少有一个根的过程就建立了一个存在定理。任何证明，如果是相容的，就可以为逻辑主义者、形式主义者和集合论公理化主义者所接受。然而，即使一个证明不用排中律，它也不会给出计算存在量的方法，因此，这种存在性证明对直觉主义者来说是难以接受的。直觉主义者也不愿意接受超穷基数和超穷序数，因为它们对人的直觉来说并不明显，而且也不能在直觉主义者的构造性或可计算性意义上得到。这是关于什么构成存在这一问题的不同标准的又一个例子。这个问题，即在什么意义上不仅个体，比如说一个方程的一个根的存在，而且整个数学的存在是个极重要的问题，在本章的后面还要详加讨论。

对什么是合理的数学这一问题的关注起源于另一个原因。什么是可接受的数学公理？一个典型的例子是我们是否使用选择公理。在这个问题上，数学家们进退维谷。不用它或者否定它就意味着放弃数学中的大部分；而用它呢，则不仅导致自相矛盾而且还会导致直觉上不合理的结论（见第十二章）。

数学家们无力证明数学的相容性玷污了数学的理想。矛盾不期而遇，虽然它们都或多或少用可以接受的方法解决了，但新矛盾还会出现的危险使得一些数学家怀疑为保证严密性所付出的非凡努力。

如果数学不是一个独一无二的、严格的逻辑结构，那么它是什么呢？它是人们任何时候都乐于使用，经过逻辑筛选、提炼和组织的一系列伟大的直觉。人们愈是努力尝试提纯这些概念，系统化数学的演绎性结构，数学的直觉性就愈复杂。但数学正是建造在某种直觉之上的，这些直觉是我们的感觉器官、大脑和外部世界相结合的产物。它是一个人为的构造，任何为其寻求绝对基础的尝试注定是要失败的。

数学通过一系列伟大的直觉的进步而发展，这种发展后来通过不断地修正错误，建立起在当时可以接受的证明。终极的证明是不存在的，新的反例总是会逐渐推翻已有的证明。然后这些证明就会得到更正，并且被错误地认为从此可以一劳永逸了。但是历史告诉我们，这仅仅意味着对这个证明关键性的检验尚未来到，这种检验常被人们一厢情愿地推迟。问题不仅在于挑错不会得到什么荣誉，也在于有理由质疑这个定理证明的数学家也许想在他自己的工作中引用这个定理。数学家们更关心建立他们自己的理论而不是找出现有结果的缺陷。

有几个学派曾尽力想把数学纳入人类逻辑的范围之内，但是直觉否认这种思想。在坚实的基础上建立起来的可靠的、无可置疑的一贯正确的数学的概念当然起源于古希腊人的梦想，体现在欧几里得的成果之中。在二十多个世纪之中，这种梦想一直引导着数学家们的思想，但是很显然，数学家被“鬼才”欧几里得误导了。

事实上，数学家并不像通常所认为的那样依赖于严格的证明。他的创造对他来说，其意义超过任何形式化，这个意义赋予其创造的存在性和现实性。从一个公理结构中推导出一个精确结果的尝试在某些方面是有所帮助的，但并不能真正巩固其地位。

直觉甚至比逻辑更令人满意和放心。当一个数学家问自己为什么某个结果应站得住脚时，他寻求的是一种直觉的理解。事实上，如果所证出来的结果没有直觉意义，那么这种严格证明对他来说就一文不值。如果确实是这样，他就会非常挑剔地检查证明，如果证明看来是对的，他才会努力去找出他自己直觉上的毛病。数学家们总想弄清楚一系列的演绎推理之所以成功的内在原因。彭加勒说过：“当一个比较长的论证导出了一个简单的、惊人的结果后，在我们表明了我们可以预见的，即使不是全部结果，至少也是主要特征之前，我们是不会满意的。”