Trong bài viết trước, chúng ta đã tìm hiểu về hệ tiên đề, các quy tắc suy luận và hai khái niệm quan trọng là tính nhất quán và tính đầy đủ. Đó là những nền tảng cần thiết để hiểu Định lý Bất toàn của Kurt Gödel.
Trong bài này, chúng ta sẽ tiếp cận một ý tưởng đặc biệt thông minh, có thể xem là chiếc chìa khóa mở ra toàn bộ chứng minh của Gödel:
Liệu chúng ta có thể biến mọi công thức toán học, mọi phát biểu logic và thậm chí cả những chứng minh toán học thành các con số tự nhiên hay không?
Câu trả lời là có.
Gödel đã tìm ra một phương pháp để thực hiện điều đó. Phương pháp này được gọi là đánh số Gödel (Gödel numbering).
Thoạt nhìn, việc gán số cho các ký hiệu toán học có vẻ chẳng có gì đặc biệt. Nhưng khi kết hợp với một kỹ thuật mã hóa thích hợp, chúng ta có thể biến những câu nói về công thức toán học thành những câu nói về số tự nhiên.
Và nhờ đó, toán học có thể bắt đầu nói về chính nó.
1. Ý tưởng: Mỗi ký hiệu toán học có một mã số riêng
Hãy xét một biểu thức toán học rất quen thuộc:
x + 2 = 5
Biểu thức này được tạo thành từ những ký hiệu:
x: biến số.
+: phép cộng.
2 và 5: các chữ số.
=: dấu bằng.
Bây giờ, hãy tưởng tượng chúng ta quy định mỗi ký hiệu có một mã số riêng:
| Ký hiệu | Mã số |
|---|---|
| x | 1 |
| + | 2 |
| = | 3 |
| 0 | 4 |
| 1 | 5 |
| 2 | 6 |
| 3 | 7 |
| 4 | 8 |
| 5 | 9 |
Theo quy ước này, biểu thức:
x + 2 = 5
được chuyển thành dãy số:
1, 2, 6, 3, 9
Như vậy, một biểu thức toán học đã được chuyển thành một dãy số tự nhiên.
Tuy nhiên, chúng ta mới chỉ giải quyết được một nửa vấn đề.
Một dãy số vẫn chưa phải là một số duy nhất. Gödel cần một cách để biến cả dãy số đó thành một số tự nhiên duy nhất.
Đây là lúc một tính chất đặc biệt của số nguyên tố được sử dụng.
2. Số nguyên tố và khả năng mã hóa
Chúng ta đều biết số nguyên tố là những số tự nhiên lớn hơn 1 chỉ có hai ước dương là 1 và chính nó.
Ví dụ:
2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23,...
Một tính chất cực kỳ quan trọng của số nguyên tố là:
Mọi số nguyên dương lớn hơn 1 đều có một cách phân tích duy nhất thành tích các thừa số nguyên tố, nếu không xét thứ tự các thừa số.
Ví dụ:
60 = 2² × 3 × 5
Hay:
360 = 2³ × 3² × 5
Tính chất này được gọi là định lý cơ bản của số học.
Gödel đã tận dụng tính chất đó để mã hóa một dãy số thành một số tự nhiên duy nhất.
Ý tưởng như sau.
Giả sử chúng ta có một dãy số:
a₁, a₂, a₃, ..., aₙ
Ta lấy n số nguyên tố đầu tiên:
2, 3, 5, 7, 11, ...
Sau đó, xây dựng số:
N = 2^a₁ × 3^a₂ × 5^a₃ × 7^a₄ × ...
Nói cách khác, mỗi số nguyên tố được dùng để mã hóa một vị trí trong dãy, còn số mũ của nó chính là giá trị tại vị trí đó.
Đây là một cách mã hóa rất thông minh.
Vì phân tích một số thành thừa số nguyên tố là duy nhất, chúng ta có thể khôi phục lại toàn bộ dãy ban đầu từ số N.
3. Thử thực hiện một ví dụ cụ thể
Giả sử chúng ta muốn mã hóa dãy số:
1, 2, 3
Ta thực hiện theo công thức:
N = 2¹ × 3² × 5³
Tính toán:
N = 2 × 9 × 125
N = 2250
Như vậy, dãy số:
1, 2, 3
được mã hóa thành số:
2250
Bây giờ, giả sử chỉ biết số 2250, liệu chúng ta có thể khôi phục dãy ban đầu không?
Có.
Ta phân tích:
2250 = 2 × 3² × 5³
Đọc các số mũ theo thứ tự các số nguyên tố 2, 3, 5, ta thu được:
1, 2, 3
Dãy số ban đầu đã được khôi phục hoàn toàn.
Một ví dụ khác:
Dãy số 2, 1, 4 được mã hóa thành:
N = 2² × 3¹ × 5⁴
= 4 × 3 × 625
= 7500
Ta có thể kiểm tra ngược:
7500 = 2² × 3 × 5⁴
Suy ra dãy ban đầu là:
2, 1, 4.
Điều đáng chú ý là hai dãy số khác nhau sẽ tạo ra hai số mã hóa khác nhau.
Chẳng hạn:
Dãy 1, 2, 3 tạo ra số 2250.
Dãy 2, 1, 4 tạo ra số 7500.
Không có sự nhầm lẫn giữa hai dãy.
Đây chính là nguyên tắc cốt lõi của phương pháp mã hóa Gödel.
4. Mã hóa một công thức toán học hoàn chỉnh
Bây giờ, chúng ta quay lại biểu thức:
x + 2 = 5
Theo bảng mã ở phần 1, biểu thức này tương ứng với dãy số:
1, 2, 6, 3, 9
Áp dụng phương pháp mã hóa bằng số nguyên tố:
N = 2¹ × 3² × 5⁶ × 7³ × 11⁹
Đây là một số tự nhiên rất lớn.
Chúng ta không cần tính giá trị chính xác của nó. Điều quan trọng là:
Công thức x + 2 = 5 đã được đại diện bởi một số tự nhiên duy nhất.
Nếu biết số mã hóa, chúng ta có thể phân tích nó thành thừa số nguyên tố và khôi phục lại dãy ký hiệu ban đầu.
Như vậy, một công thức toán học vốn được viết bằng các ký hiệu x, +, = đã được chuyển thành một con số.
Đây là một bước chuyển đổi rất quan trọng.
5. Không chỉ công thức, cả chứng minh toán học cũng có thể được mã hóa
Đến đây, chúng ta mới mã hóa được các công thức.
Nhưng mục tiêu của Gödel còn lớn hơn thế.
Ông muốn mã hóa cả những chứng minh toán học.
Hãy nhớ rằng một chứng minh toán học là một chuỗi hữu hạn các công thức, trong đó mỗi công thức phải được tạo ra từ tiên đề hoặc suy ra hợp lệ từ những công thức trước đó.
Ví dụ, giả sử một chứng minh gồm ba dòng:
A → B
A
B
Dòng thứ ba được suy ra từ hai dòng đầu bằng quy tắc Modus Ponens.
Nếu mỗi công thức đã có một số Gödel riêng, chúng ta có thể xem toàn bộ chứng minh là một dãy số.
Sau đó, tiếp tục sử dụng phương pháp mã hóa bằng số nguyên tố để biến cả dãy số ấy thành một số tự nhiên duy nhất.
Như vậy:
Một ký hiệu được mã hóa thành một số.
Một công thức được mã hóa thành một số.
Một chuỗi công thức được mã hóa thành một số.
Một chứng minh hoàn chỉnh cũng được mã hóa thành một số.
Đây là một kết quả vô cùng quan trọng.
Bởi vì từ đây, chúng ta có thể nghiên cứu các chứng minh toán học bằng cách nghiên cứu những tính chất của số tự nhiên.
6. Một bước tiến lớn: Biến câu hỏi logic thành câu hỏi số học
Hãy tưởng tượng chúng ta đặt câu hỏi:
"Có tồn tại một chứng minh cho công thức A hay không?"
Thông thường, đây là một câu hỏi thuộc về logic.
Nhưng nếu mỗi chứng minh đều có một mã số, câu hỏi trên có thể được chuyển thành:
"Có tồn tại một số tự nhiên n sao cho n mã hóa một chứng minh hợp lệ của A hay không?"
Đây đã là một câu hỏi về số tự nhiên.
Tương tự, chúng ta có thể đặt câu hỏi:
Một số n có phải là mã của một công thức hợp lệ không?
Một số n có phải là mã của một chứng minh không?
Một chứng minh có kết luận là công thức A hay không?
Có tồn tại một chứng minh của công thức A không?
Những câu hỏi này có thể được diễn đạt bằng các quan hệ số học.
Đó chính là bước chuyển quan trọng mà Gödel đã thực hiện.
Ông đã đưa những khái niệm tưởng như thuộc về thế giới logic trừu tượng vào thế giới của các số tự nhiên.
7. Vì sao phát hiện này lại dẫn đến Định lý Bất toàn?
Đến đây, chúng ta đã có một công cụ rất đặc biệt.
Giả sử có một hệ thống toán học đủ mạnh để nghiên cứu số tự nhiên.
Hệ thống đó có thể:
Mã hóa các công thức thành số.
Mã hóa các chứng minh thành số.
Diễn đạt những quan hệ giữa các mã số.
Diễn đạt câu hỏi liệu một công thức có thể được chứng minh hay không.
Điều này tạo ra một khả năng rất kỳ lạ.
Chúng ta có thể xây dựng một mệnh đề toán học mà nội dung của nó nói về chính khả năng chứng minh của nó.
Hãy tưởng tượng có một câu như sau:
"Tôi không thể được chứng minh."
Nếu câu này đúng, thì nó không thể được chứng minh.
Nếu nó có thể được chứng minh, thì nội dung của nó lại nói rằng nó không thể được chứng minh.
Nghe giống một nghịch lý logic nổi tiếng:
"Câu này là sai."
Tuy nhiên, mệnh đề Gödel không đơn giản là một trò chơi ngôn ngữ như vậy. Nó được xây dựng bằng những công thức số học chính xác, dựa trên kỹ thuật mã hóa mà chúng ta vừa tìm hiểu.
Đây là điểm khác biệt căn bản giữa một nghịch lý ngôn ngữ thông thường và lập luận toán học của Gödel.
8. Điều cần nhớ sau bài viết này
Chúng ta đã đi qua một trong những ý tưởng quan trọng nhất của chứng minh Gödel.
Hãy tóm tắt lại:
Thứ nhất: Mỗi ký hiệu toán học được gán một số tự nhiên.
Thứ hai: Mỗi công thức toán học trở thành một dãy số.
Thứ ba: Dãy số có thể được mã hóa thành một số tự nhiên duy nhất bằng cách sử dụng các số nguyên tố.
Thứ tư: Một chứng minh toán học, vốn là một chuỗi công thức, cũng có thể được mã hóa thành một số tự nhiên.
Thứ năm: Những câu hỏi về công thức và chứng minh có thể được chuyển thành những câu hỏi về số học.
Đây chính là nền móng để Gödel xây dựng lập luận bất toàn.
Tuy nhiên, có một câu hỏi vẫn còn bỏ ngỏ:
Làm thế nào để một công thức toán học có thể nói về chính số Gödel của nó?
Làm thế nào để xây dựng một mệnh đề có nội dung:
"Mệnh đề mang số Gödel này không thể được chứng minh trong hệ thống đang xét"?
Đây chính là vấn đề mà chúng ta sẽ giải quyết trong bài tiếp theo.
Và có lẽ, đó cũng là phần hấp dẫn nhất của toàn bộ câu chuyện.