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No paraíso, sem convicção... (uma explicação do Programa de Hilbert)
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Pedro Valente Azenha
1 No paraíso, sem convicção... (uma explicação do Programa de Hilbert) FERNANDO FERREIRA UNIVERSIDADE DE LISBOA Ninguém nos expulsará do paraíso que Cantor criou para nós. David Hilbert 1 1. Introdução 2. A Crise dos Fundamentos da Matemática 3. O Programa de Hilbert 4. A Teoria da Demonstração 1. No século passado assistiu-se a uma regimentação da actividade matemática. São exemplos notáveis desse fenómeno 1) a substituição da noção de infinitesimal pela noção Weierstrassiana d e limite delta-epsilon, 2 2) a redução do sistema dos números complexos ao sistema dos números reais e 3) a liberalização d o conceito de função como relação de muitos-para-um. Esta regimentação veio acompanhada duma clarificação conceptual d a actividade matemática que foi determinante para a maneira como a matemática se pratica hoje. Paralelamente, emergiram duas características fundacionais de grande importância: a axiomática e o reducionismo. A ligação íntima entre axiomatização e clarificação conceptual opera nos dois sentidos. A partir do momento em que as noções matemáticas se querem rigorosas, é ponto crucial que, ao s e trabalhar com elas, não se introduzam inadvertidamente suposições marginais a essas noções: a axiomatização toma sobre si a função "policial" e "higiénica" de controlar e depurar a actividade matemática. 3 No outro sentido, este controlo induz uma nítida separação entre o contexto da descoberta, de carácter essencialmente privado e onde "vale tudo" (refiro-me às diversas formas de intuição), e o contexto da justificação, que é público,
2 disciplinado e pede enunciados e definições claras. 4 O método axiomático levanta, porém, o problema d a consistência: o de mostrar que os axiomas não levam a contradições. Este problema pode ser atacado através da construção de estruturas que satisfaçam os axiomas: é, na terminologia dos lógicos, a solução semântica para o problema da consistência. Ora, estas estruturas - quando se constroem à custa de outras (o que é geralmente o caso) - apenas originam um resultado de consistência relativa da axiomática satisfeita pela nova estrutura em relação à axiomática associada à original. Um caso notável deste tipo d e reducionismo é o dos modelos das geometrias não-euclideanas, como o descoberto por Eugenio Beltrami que interpreta "plano" p o r pseudo-esfera e "linha recta" por geodésica: resulta uma estrutura que satisfaz os axiomas da geometria de Lobachevsky, o que demonstra a consistência desta em relação à geometria euclideana. 5 No século passado, vários matemáticos alemães proeminentes defenderam activamente um programa de aritmetização da matemática, com o objectivo último de reduzir a matemática à aritmética. Uma formulação preliminar deste objectivo, devida a Gustav Dirichlet, vem mencionada no prefácio dum famoso ensaio de Richard Dedekind 6 : "todo o teorema da álgebra e da análise superior, por mais remoto que seja, pode ser expresso como u m teorema acerca de números naturais". Outra formulação, de Leopold Kronecker, é a seguinte: "acredito que, no futuro, consigamos 'aritmetizar' todo o conteúdo destas disciplinas matemáticas [incluindo a análise e a álgebra]; i.e., baseá-lo no conceito d e número tomado no seu sentido mais estrito" 7. Porém, vem a descobrir-se que a redução do contínuo real aos números naturais levanta um problema de ordem epistemológica: a redução pressupõe não só o conhecimento dos números naturais mas, também, o conhecimento de todos os subconjuntos de números naturais. Tal vai contra a aritmetização no seu sentido mais estrito, apologizada num célebre dictum de Kronecker: "Die ganzen Zahlen hat der liebe Gott gemacht, alles andere ist Menschenwerk" 8. A necessidade de lidar com subconjuntos arbitrários de números naturais leva ao relaxamento do programa reducionista original, permitindo-se construções altamente não-finitistas, típicas da teoria de conjuntos e que pressupõem a actualidade do infinito. À volta d e 2
3 1900, o aparecimento de paradoxos na teoria de conjuntos causa uma grave crise no programa de aritmetização da matemática. 9 No 2 expõe-se brevemente a origem da teoria de conjuntos e descreve-se um dos seus paradoxos; discutem-se, também, algumas fundamentações da matemática, nomeadamente as revisionistas que propõem resolver a crise fundacional modificando (restringindo) a actividade e os métodos dos matemáticos. É contra estas revisões que se insurge uma das maiores figuras da matemática da viragem do século: David Hilbert 10. Hilbert propõe-se levar a cabo u m programa de salvação da matemática que "não atraiçoe a nossa ciência" 11 ; a ideia central deste programa é duma originalidade notável e consiste em alicerçar a matemática não-finitista nos incontroversos meios finitistas. A estratégia consiste em ultrapassar o revisionismo imposto por uma exigente posição epistemológica através do apelo a essa mesma posição: uma espécie de jiu-jitsu epistemológico. No 3 explicamos em que consiste o programa de Hilbert e o porquê do seu fim abrupto. Aliás, é oportuno avançar, desde já, a razão genérica por que pôde ter esse fim: tem a ver com a própria formulação do programa. Nas palavras de Paul Bernays, u m discípulo de Hilbert: A grande vantagem do método de Hilbert é a seguinte: os problemas e as dificuldades que se apresentam nos fundamentos da matemática podem ser transferidos do domínio epistemológicofilosófico para o domínio matemático. 12 Tendo o programa de Hilbert uma formulação matemática, não seria de excluir que pudesse ser refutado matematicamente. E, como veremos, foi! O presente trabalho tem grande número de notas (algumas d e cariz técnico) e bastantes referências bibliográficas, na dupla intenção de tornar o texto mais interessante para o leitor melhor preparado e de ser útil a quem queira aprofundar certas temáticas aqui afloradas. A leitura das notas não é, contudo, essencial para a compreensão genérica do texto principal e escolhemos colocá-las n a parte final do texto. 2. A criação da teoria de conjuntos é obra do matemático alemão 3
4 Georg Cantor, e nasceu da tentativa de solucionar o problema d a caracterização de conjuntos de unicidade de séries trigonométricas. 13 Uma série trigonométrica é uma série da forma 1 2 b 0+ (a k sinkx + b k coskx), k=1 onde os coeficientes a 1,a 2,...,b 0,b 1,b 2,... são números reais independentes da variável real x. 14 Um subconjunto X do intervalo [0,2π] diz-se conjunto de unicidade se, sempre que a série trigonométrica convergir para zero nos pontos fora de X, então todos os coeficientes se anulam. O primeiro resultado de Cantor (1870) sobre conjuntos de unicidade assevera que o conjunto vazio é um conjunto de unicidade, i.e., que a única série trigonométrica que converge para zero em toda a parte é a série de coeficientes identicamente nulos. Este resultado é sucessivamente refinado p o r Cantor: todo o conjunto finito é conjunto de unicidade; todo o conjunto infinito, desde que tenha apenas um número finito d e pontos de acumulação, é conjunto de unicidade; todo o conjunto infinito, mesmo que tenha um número infinito de pontos d e acumulação, mas desde que estes tenham somente um número finito de pontos de acumulação, é conjunto de unicidade; todo o conjunto infinito, mesmo que tenha um número infinito de pontos de acumulação e mesmo que estes tenham um número infinito d e pontos de acumulação, mas desde que estes últimos tenham somente um número finito de pontos de acumulação, é conjunto d e unicidade; etc. Cantor é levado a introduzir uma notação perspícua: dado X um subconjunto do intervalo [0,2π], chama-se conjunto derivado de X, e escreve-se X', ao conjunto de todos os pontos de acumulação de X. Em geral denota por X (n) o resultado de efectuar esta operação d e derivação n vezes sucessivas. O teorema de Cantor admite a seguinte reformulação: se, para algum número natural n, o conjunto X (n) é vazio então X é conjunto de unicidade. Seja X ( ) a intersecção d e todos os conjuntos X (n) ; um conjunto X diz-se de primeira espécie se X ( ) é o conjunto vazio. O resultado de Cantor pode ainda ser enunciado da seguinte maneira: todo o conjunto de primeira espécie é um conjunto de unicidade. 4
5 A ideia de número ordinal começa a tomar forma em 1871, quando Cantor se propõe averiguar a questão da unicidade para conjuntos de segunda espécie (os que não são de primeira espécie). Nada impede que se continue a operação de derivação para além d e X ( ), obtendo-se X ( +1), X ( +2),..., X ( +n),..., X ( + ), X ( + +1),..., X ( + + ),..., X ( n),..., X ( ),..., X ( ),..., X ( n ),..., X ( ),..., X ( ),... Cantor fala duma "geração dialéctica de conceitos, que continua sempre e, no entanto, está livre de qualquer arbitrariedade, sendo necessária e lógica" 15. Cantor mostra que, se algum destes conjuntos é vazio, então X é conjunto de unicidade; demonstra-se, essencialmente, que todo o conjunto contável fechado é conjunto d e unicidade. 16 Na década seguinte a atenção de Cantor vira-se explicitamente para o estudo dos índices que ocorrem nos X (α), e argumenta pela sua legitimidade como números e não meros artifícios formais. Esta mudança de atitude não se efectuou sem crise de consciência: Cantor relata mais tarde que "fui levado a estes números há muitos anos, sem ter a consciência clara de que os possuia como números concretos de significado real (...) fui logicamente forçado, quase contra a minha vontade (pois isso ia contra a tradição que tinha aprendido a respeitar ao longo de muitos anos) a considerar o infinitamente grande não apenas na forma de crescimento ilimitado (...) mas, também, na sua fixação matemática por meio de números, numa forma determinada de infinito completo" 17,18. Cantor descreve dois princípios de geração para estes números: o primeiro é a adição de uma unidade a um número já formado. Começando n o zero obtêm-se, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6,... que formam, na terminologia de Cantor, a primeira classe numérica (vulgo números naturais). O segundo princípio permite passar d u m segmento inicial de ordinais sem máximo, previamente formado, para o número que lhe vem "imediatamente a seguir". Os ordinais que se obtêm através da aplicação deste segundo princípio chamamse ordinais limite (os restantes, com a excepção do número 0, são os ordinais sucessor). Ao aplicar este segundo princípio à primeira classe numérica obtem-se o ordinal binómine ω ou ℵ 0, que é o primeiro número ordinal infinito (a denominação ℵ 0 usa-se, e m 5
6 geral, prefixada pela palavra cardinal: na terminologia moderna u m cardinal é um número ordinal que não está em correspondência biunívoca com nenhum segmento inicial próprio de predecessores). Prosseguindo a geração de números ordinais através da aplicação destes dois princípios sucedem-se, ω+1, ω+2,..., ω+n,..., ω+ω, ω+ω+1,..., ω+ω+ω,... ωn,......, ωω,..., ωωω,..., ω n,..., ω ω,..., ω ωω, Todos os ordinais exemplificados acima são numeráveis, i.e., o conjunto dos seus predecessores está em correspondência biunívoca com a colecção dos números naturais. Os ordinais numeráveis constituem a segunda classe numérica. Quando se aplica o segundo princípio de geração a esta classe de ordinais obtem-se o cardinal ω 1 ou ℵ 1, que é o primeiro ordinal infinito não numerável. De modo análogo obtem-se a terceira classe numérica e o cardinal ℵ 2. E assim sucessivamente. 19 A cabeça feia dum paradoxo vem à tona quando se pretende formar o conjunto de todos os ordinais. Com efeito, de acordo c o m o segundo princípio de geração haveria, então, um ordinal Ω imediatamente a seguir a todos os ordinais. Este ordinal está n a origem duma contradição pois é, ao mesmo tempo, um elemento d o conjunto dos ordinais e maior que todos os elementos desse conjunto. 20 No artigo "Mathematical Logic as Based on the Theory o f Types" 21, Bertrand Russell dá um diagnóstico muito geral para a contradição: segundo ele, na raíz de qualquer paradoxo estão sempre círculos viciosos e estes devem ser prevenidos por meio d o acatamento à seguinte regra: "Se, admitindo que uma dada colecção tem um total, ela tivesse membros apenas definíveis em termos desse total, então a dita colecção não tem total" (Princípio d o Círculo Vicioso). Observe-se que a definição do ordinal Ω transgride este preceito (dizendo-se que não é uma definição predicativa), pois Ω é definido a partir duma totalidade da qual faz parte. A monumental obra "Principia Mathematica", que Russell escreveu em colaboração com Alfred North Whitehead, constituiu uma tentativa de fundamentar a matemática com base no Princípio do Círculo Vicioso e na ideia de que a matemática se reduz à lógica (é a tese do logicismo). Na persecução desta abordagem vêm-se a encontrar grandes dificuldades, nunca satisfatoriamente resolvidas, 6
7 e que levam ao progressivo descrédito das teses logicistas. As dificuldades de Russell e Whitehead aparecem, com agudeza, na construção dos números reais. Seguindo Dedekind, os números reais são apresentados como cortes de números racionais. A ideia é simples e tipifica muitas construções da matemática moderna: partindo da observação heurística de que um número real α determina univocamente o conjunto X α constituido pelos números racionais que o precedem, define-se um número real como sendo um qualquer conjunto deste tipo (a saber, um corte: segmento inicial majorado de números racionais sem máximo). Na ideografia do "Principia Mathematica" surge, porém, um obstáculo quando se pretende demonstrar o princípio do supremo - emblemático d a noção de continuidade - o qual afirma que todo o subconjunto majorado e não vazio de números reais tem supremo. Suponhamos, com efeito, que c={x real: Φ(X)} é um tal conjunto; o supremo de c é, então, o corte S={q racional: X real (Φ(X) q[x)}. Observe-se que a definição de S não é predicativa, pois o quantificador existencial " X" tem como domínio de variação uma totalidade que inclui o ente S a definir. Na Teoria dos Tipos de Russell e Whitehead esta definição é bloqueada (como o são todas as definições impredicativas) por meio dum dispositivo formal que: 1) indica u m a ordem a cada função proposicional; 2) exige que o domínio d e variação de cada variável proposicional se restrinja a uma ordem determinada. Por exemplo, se o domínio de variação da variável quantificada "X" tiver ordem n, então o corte S tem ordem n+1 (i.e., S tem ordem relativa 1 em relação à ordem da variável X) e, portanto, não pode ser valor de X. Infelizmente, este mecanismo também impede que se possam definir todos reais por meio duma única função proposicional - ou, noutra formulação, impossibilita que se possam juntar todos os reais num só conjunto - ficando estes distribuidos ao longo de várias ordens. Para obstar a esta dificuldade Russell propõe o polémico axioma da Redutibilidade, que se pode enunciar assim: toda a função proposicional tem a mesma extensão duma certa função proposicional de ordem (relativa) 0. Repare-se no oportunismo desta manobra: as funções proposicionais explícitas de ordem (relativa) 0 são exactamente aquelas que se sujeitam à exigência predicativa; Russell está, pois, a postular que todo a função proposicional (predicativa ou não) é co-extensível a u m a 7
8 função proposicional predicativa. O conhecido matemático Hermann Weyl tem o seguinte comentário: "Para libertar-se d a situação, Russell faz a razão cometer hara-kiri ao postular [o axioma da Redutibilidade] (...)" 22. Convém chamar a atenção para os verdadeiros motivos d e inquietação do predicativista, que são com a forma das definições de novos objectos e não com a especificação de objectos dados. Por exemplo, se se chamar Gigante ao homem mais alto de Lisboa, n ã o se infringe nenhum preceito predicativista, apesar de Gigante ser u m homem de Lisboa (e, portanto, membro da totalidade a partir d a qual foi especificado). O que se passa é que se está a especificar u m homem particular dentro da totalidade dos homens que habitam Lisboa; ou, doutro modo, a totalidade dos habitantes de Lisboa é (naturalmente) pressuposta e, a partir dela, especifica-se um seu elemento particular (o Gigante). 23 Assim, uma posição predicativista opera e é relativa a uma ontologia previamente aceite, podendo esta ser aumentada (com, por exemplo, conjuntos) por meio d e definições predicativas: pode mesmo falar-se do predicativismo como um construtivismo com respeito a definições. Conforme a escolha da ontologia de partida têm-se vários matizes d e predicativismo, desde o radicalismo de Edward Nelson em [N85], que não admite a totalidade dos números naturais, até à posição mais tradicional de Weyl em Das Kontinuum, que admite essa totalidade mas não a totalidade de todos os subconjuntos d e números naturais 24,25,26. Dois problemas irão ocupar Cantor até ao fim da sua vida. Primeiro, a questão da cardinalidade dos números reais, que Cantor estava convencido que era igual à da segunda classe numérica (é a hipótese do contínuo: 2 ℵ 0=ℵ 1 ). 27 Em 1883 Cantor propõe o Príncipio da Boa-Ordenação como uma lei lógica evidente (este príncipio afirma que todo o conjunto pode ser bem-ordenado). A intuição que subjaz à aceitação deste príncipio é simples: pega-se num elemento arbitrário do conjunto para primeiro elemento; depois noutro para segundo elemento,... ; se o conjunto for infinito haverá uma etapa em que se definirá o ω -ésimo elemento do conjunto; depois o (ω+1)- ésimo elemento e assim por diante, utilizando os ordinais para a contagem, até se "esgotar" todo o conjunto. Contudo, este príncipio não ganhou adeptos durante os dez anos que se seguiram à sua 8
9 proposta e, nos anos noventa, Cantor tenta várias vezes produzir uma demonstração do príncipio - sem sucesso. Surgia o Problema d a Boa-Ordenação e, em particular, o problema da boa-ordenação dos reais que, a crer na verdade da hipótese do contínuo, podia ser bem-ordenado através dos números da segunda classe numérica. A situação era extremamente confusa até que, em 1904, Ernst Zermelo publica um pequeno artigo de três páginas cujo título, traduzido para o português, é "Demonstração de que todo o conjunto pode ser Bem-Ordenado" 28. A demonstração de Zermelo faz uso explícito do que posteriormente vem a ficar conhecido p o r axioma da Escolha. Este axioma diz que para qualquer conjunto M de conjuntos não vazios, existe uma função E que associa a cada conjunto X de M um seu elemento (i.e., tal que E(X) X, para todo X em M ). A uma função E, que vai buscar - ou escolher - um elemento de cada conjunto X em M, dá-se o nome de função de escolha para M. Quando M é finito existem sempre funções de escolha. 29 O primeiro caso não trivial do axioma da Escolha tem lugar quando M é numerável: a este caso particular do axioma dá-se o nome d e axioma Numerável da Escolha. 30 Para muitos matemáticos a existência de funções de escolha é intuitivamente aceitável - quase que se impondo logicamente - mas outros criticam-na por, em geral, não se providenciar um método ou uma receita que permita efectuar sistematicamente as escolhas. A controvérsia gira em torno da aceitação da existência de objectos matemáticos sem o s definir/construir. Há uma clivagem natural de ordem epistemológica entre o s defensores e os críticos do axioma da Escolha. Um realista ou platonista, para o qual os objectos e as verdades da matemática são independentes do Homem, tende a aceitar o axioma. Em contrapartida, o construtivista, para o qual as entidades matemáticas só existem se forem construidas, rejeita o axioma. O campo construtivista é muito amplo 31, cabendo nele u m a vasta gama de posições, desde o predicativismo - o qual, e m algumas variantes, pode acomodar certos casos não finitistas d o axioma da Escolha - até ao radicalismo da posição intuicionista, que advoga uma nova lógica sem o príncipio do terceiro excluído ("tertium non datur"). Há um exemplo simples duma demonstração classicamente irrepreensível, cuja rejeição pelos intuicionistas 9
10 ilustra bem as suas razões: Teorema. Há números irracionais a e b tais que a b é racional. Demonstração: Se 2 2 é número racional basta pôr a=b= 2. Caso contrário, toma-se a= 2 2 e b= 2. Este argumento afiança uma asserção de existência mas n ã o exibe decisivamente os dois números a e b cuja existência se propõe assegurar. Esta inabilidade de os exibir com decisão é, para o intuicionista, inaceitável. Para ele, a única maneira de demonstrar uma asserção de existência consiste em: 1) construir entidades que a testemunhem; 2) demonstrar que isso é o caso. Tal não acontece com a demonstração acima, e a razão deve-se ao uso do príncipio do terceiro excluido quando se assevera a alternativa " 2 2 é número racional ou 2 2 não é número racional", sem dizer qual delas é que vale: em geral, o intuicionista só admite a alternativa "A ou B" se, ou tiver uma demonstração de A, ou tiver u m a demonstração de B. Como é fácil de perceber, o intuicionismo é uma posição revisionista radical e implica que se abandone grande parte dos métodos e resultados da prática matemática corrente. É, compreensivelmente, uma tese pouco popular entre o s matemáticos. Um dos mais representativos subscritores do campo platonista é o lógico Kurt Gödel. Em "What is Cantor's continuum problem?" 32, Gödel defende que há verdades da teoria dos conjuntos que ainda não foram incorporadas nas actuais axiomáticas e tem a esperança de que a descoberta de novos axiomas possa decidir a hipótese d o contínuo. Na parte final do seu ensaio Gödel admite mesmo aceitar axiomas que não sejam intrinsecamente necessários (Gödel estava a pensar em certos postulados conhecidos por axiomas de Cardinais Inacessíveis): Pode ser que existam axiomas tão abundantes nas suas consequências verificáveis, que lancem tanta luz sobre todo u m domínio e que produzam métodos tão poderosos para resolver problemas (e para os resolver mesmo construtivamente, tanto quanto isso for possível) que, sejam ou não necessários, terão q u e ser aceites pelo menos no mesmo sentido em que é aceite qualquer teoria física bem estabelecida. 10
11 A consideração de vários novos princípios em teoria d e conjuntos e o estudo sistemático das suas consequências com vista a ajuizar o "poder explicativo" desses princípios tem sido o leitmotiv da investigação em teoria dos conjuntos desde há trinta anos a esta parte. Donald Martin, um profissional do ramo, tem a seguinte afirmação a propósito dum novo princípio, conhecido por axioma da Determinação Projectiva (abreviado por PD): O autor [Martin] considera [o postulado] PD uma hipótese com u m estatuto similar às hipóteses teóricas na física. Têm-se produzido três tipos de evidência quase-empírica para PD. (1) O mero facto de ainda não se ter refutado PD constitui evidência da sua verdade. (2) Alguns casos particulares de PD foram verificados (...). (3) As consequências de PD (...) são tão plausíveis e coerentes que dão plausibilidade ao príncipio que a s implica. 33 Curiosamente, Émile Borel - um conhecido matemático construtivista do princípio do século - antecipou, em parte, a posição de Gödel e Martin na seguinte passagem sobre o axioma d a Escolha: Podemos perguntar qual é o valor real destes argumentos [não construtivistas] que eu não considero absolutamente válidos, mas que acabam por levar a resultados efectivos. De facto, se fossem completamente desprovidos de valor não podiam levar a nada, pois seriam uma mera colecção de palavras sem sentido. Isto, penso, é um juízo demasiado severo. Eles têm um valor análogo ao de algumas teorias da física matemática, que não supomos expressarem a realidade, mas antes servem de guia para nos ajudar, p o r analogia, a predizer novos fenómenos, os quais depois têm que s e r verificados. Requereria uma investigação considerável descobrir qual é o sentido preciso a atribuir a estes argumentos. 34 Borel remata esta linha de raciocínio com a opinião de que "esta investigação seria inútil ou, pelo menos, não valeria o esforço dispendido". Esta opinião subjectiva (e, cremos, precipitada) não foi seguida. O axioma da Escolha, apesar de intuitivo e ter inúmeras consequências de grande utilidade, permite também demonstrar 11
12 asserções que ferem a intuição, como a existência de subconjuntos da recta real que não são mensuráveis à Lebesgue, ou a existência (argumentada por Banach e Tarski) duma decomposição "paradoxal" da esfera num número finito de pedaços que, depois d e convenientemente montados, dão origem a duas esferas do mesmo tamanho da esfera original! Estas consequências parecem constituir evidência contra o axioma da Escolha. Contudo são desvalorizadas (se não mesmo ignoradas) pela comunidade matemática, que aceita esmagadoramente o axioma. Jan Mycielski e Hugo Steinhaus propuseram em 1962 u m a alternativa ao axioma da Escolha 35. A um conjunto X de sequências infinitas de números naturais pode associar-se um jogo G X entre dois jogadores I e II. Uma jogada consiste na escolha dum número natural por parte de um dos jogadores. O primeiro jogador inicia o jogo e este prossegue com jogadas alternadas de um e outro jogador. O jogo termina ao fim de ω jogadas, obtendo-se então u m a sequência infinita α = α 1,α 2,α 3,... de números naturais, em que α 2n é a (n+1)-ésima jogada de I e α 2n+1 é a (n+1)-ésima jogada de II. Se a sequência α está em X ganha o jogador I; caso contrário ganha II. As noções de estratégia e estratégia ganhadora para um jogador definem-se da maneira óbvia. 36 Um conjunto X de sequências infinitas de números naturais diz-se determinado se um dos dois jogadores tem uma estratégia ganhadora para o jogo G X. O axioma da Determinação diz que todo o conjunto X de sequências infinitas de números naturais é determinado. 37 Este axioma contradiz o axioma da Escolha (o que é suficiente para que Yiannis Moschovakis, um especialista em teoria dos conjuntos, classifique o axioma d a Determinação de "obviamente falso") mas implica o axioma Numerável da Escolha para conjuntos de números reais e, p o r consequência, não afecta os teoremas básicos de análise matemática. Também implica a hipótese do contínuo 38 e demonstra fortes propriedades de regularidade dos subconjuntos da recta real, como a de que todos são mensuráveis à Lebesgue. A formulação moderna da teoria de conjuntos consiste numa axiomática do cálculo de predicados de primeira-ordem (conhecida por axiomática de Zermelo-Fraenkel) baseada na ideia de limitar o tamanho dos conjuntos de modo a impedir o aparecimento d e paradoxos. Uma das grandes vantagens (para a prática matemática) 12
13 desta ideia é colocar todos os conjuntos no mesmo pé: não há entes de várias ordens ou tipos, como no "Principia Mathematica". A formação dos vários conjuntos processa-se através do apelo a axiomas de existência, desde aqueles que são pacíficos do ponto d e vista construtivista até àqueles que são altamente não construtivos, como é o caso do axioma da Escolha. A ideologia hoje dominante entre os profissionais da teoria de conjuntos é a de que os conjuntos que podem ser "construidos" ou "definidos" têm boas propriedades de regularidade, enquanto os conjuntos cuja existência só pode ser justificada através de príncipios não construtivos exibem comportamentos "paradoxais" (e.g., a partição de Banach-Tarski). Neste último quartel tem-se estudado sistematicamente a denominada hipótese da Determinação Projectiva (PD), u m enfraquecimento do axioma da Determinação que, ao que se saiba, não contradiz o axioma da Escolha. As consequências de PD são d e tal modo coerentes e conformes à ideologia dominante que o tornam muito atraente. Há poucos anos, culminando duas décadas de investigação, demonstrou-se um resultado de grande impacto: PD é consequência dum certo axioma de Cardinais Inacessíveis. 39 É matemática no seu melhor: um resultado altamente não trivial, difícil e que relaciona dois conceitos importantes. Para alguns tem, também, o valor adicional de dar (ainda) mais plausibilidade a certas hipóteses de determinação. 3. No princípio do século, e contrariamente ao que se passa hoje, havia uma grande efervescência no domínio da fundamentação d a matemática. As novas ideias e métodos matemáticos, e problemas subsequentes (descritos brevemente na secção anterior), deram origem a várias reacções e ao estabelecimento de diversas escolas fundacionais, como o logicismo de Russell, o predicativismo de Weyl ou o intuicionismo de Brouwer. Destas, o logicismo foi-se revelando cada vez menos credível, enquanto que o predicativismo e o intuicionismo têm contra si (pelo menos) o facto de serem revisionistas. David Hilbert era um matemático de grande prestígio, c o m interesses excepcionalmente multifacetados (que incluiram a Álgebra, a Teoria dos Números, os Fundamentos da Geometria, as Equações Integrais e os Fundamentos da Matemática) e um grande 13
14 entusiasta das ideias de Cantor, não se coibindo de as discutir e d e utilizar no seu próprio trabalho métodos que, na altura, ainda levantavam suspeitas ao grosso da comunidade matemática. U m exemplo desta situação é o seu trabalho em Teoria dos Invariantes: Hilbert soluciona o problema fundamental dessa área, até então caracterizada por uma grande falta de clareza conceptual e p o r cálculos extremamente longos. Paul Gordon - na altura o grande especialista - conhecido por Rei dos Invariantes, acolhe o trabalho pioneiro de Hilbert com o seguinte comentário: "Das is nicht Mathematik. Das ist Theologie". 40 Como a epígrafe a este ensaio dá a entender, Hilbert não estava minimamente disposto a abrir mão dos resultados da matemática moderna e dos métodos da teoria dos conjuntos. Para apreciar a força, voluntarismo e autoconfiança do homem apreciem-se as seguintes citações: O que experimentámos duas vezes, primeiro com os paradoxos do cálculo infimitesimal, depois com os paradoxos da teoria dos conjuntos, não experimentaremos uma terceira vez, nunca mais. 41 (...) a clarificação definitiva da natureza do infinito não pertence apenas a uma esfera de interesses científicos especializados, mas é necessária para a própria dignidade do espírito humano. 42 Com os seus [de Brouwer] métodos a maior parte dos resultados da matemática moderna têm que ser abandonados e, para mim, o importante não é obter menos resultados mas, sim, obter mais. 43 Tirar o princípio do terceiro excluído ao matemático seria o mesmo que tirar o telescópio ao astrónomo ou o uso dos punhos ao pugilista. 44 (...) todo o problema matemático tem solução. Todos estamos convencidos disso. (...) há um problema, procura-se a solução; e ela pode ser encontrada somente com o pensamento, pois não h á ignorabimus em matemática. 45 Temos de saber. Havemos de saber. 46 A estratégia de Hilbert para "salvar" a matemática infinitista e 14
15 colocá-la em terra firme consistiu em utilizar as próprias armas dos finitistas. A seguinte citação de Bernays descreve a situação: As experiências do início da sua carreira científica (mesmo a s dos seus tempos de estudante) tiveram um significado considerável para o programa de Hilbert; nomeadamente a sua resistência à tendência de Kronecker em restringir os métodos matemáticos e, em particular, a teoria dos conjuntos. Sob a influência da descoberta das antinomias em teoria de conjuntos Hilbert pensou, temporariamente, que Kronecker estivera certo nesse ponto. Mas mudou rapidamente de opinião. Agora o seu objectivo, pode assim dizer-se, era bater Kronecker com as suas próprias armas do finito por meio duma concepção modificada da matemática Vejamos em que consiste esta nova concepção a que Bernays alude. Há um núcleo duro da matemática que estava para além d e qualquer disputa fundacional, nomeadamente aquela parte a que Kronecker se circunscrevia, cujos objectos eram os números naturais e cujas demonstrações se caracterizam por manipulações de carácter finitista. Assim, a igualdade + = + e a sua demonstração a partir da definição recursiva de "+" é um exemplo duma verdade finitista validada sem margem para dúvidas. (A definição recursiva de "+" é a seguinte: x+ =x e x+y =(x+y). Vem, então: + = ( + ) = ( + ) = = ( + ) = +.) De acordo c o m Hilbert, a equação " +x=x+ " tem o seguinte conteúdo informativo: para qualquer sequência S de marcas " ", +S e S+ denotam a mesma sequência de marcas. Tal asserção geral pode verificar-se por meio duma indução muito simples que, em cada caso particular (no nosso exemplo, S= ), origina uma série de manipulações finitistas que mostram que +S e S+ são a mesma sequência. Hilbert chama asserções reais (ou finitistas) às asserções que relatam este tipo de conteúdo informativo; ao tipo de argumentos que exemplificámos, chama argumentos finitistas. Como Hilbert observa, a negação duma asserção real já não t e m que ser uma asserção real. Com efeito, a negação duma equação "f(x)=g(x)" é a asserção "existe um x tal que f(x) g(x)", a qual já não tem (em geral) o conteúdo informativo duma asserção real. 48 Assim, para Hilbert, a própria formulação do princípio do terceiro excluído deixa de ter sentido se nos restringirmos a asserções reais. 15
16 É necessário alargar o conceito de asserção para que as leis clássicas da lógica possam, não só ser válidas, mas formuladas! Hilbert lança um apelo: Lembremo-nos de que somos matemáticos e de que, como matemáticos, muitas vezes nos encontrámos em situações difíceis, das quais fomos salvos pelo método engenhoso dos elementos ideais (...) de modo similar, para preservar as leis da lógica Aristotélica, temos que suprir as asserções finitistas com asserções ideais. 49 As asserções ideais que Hilbert refere incluem aquelas habitualmente usadas pelos matemáticos quando falam de objectos altamente não finitistas como espaços topológicos, ultrafiltros, medidas, etc. Para fundamentar a inclusão destas asserções n o corpo da matemática, Hilbert estabelece propositadamente u m paralelo com certas construções típicas da matemática, caracterizadas por se alargar o domínio ontológico original d e modo a obter informação sobre os "velhos" objectos: Assim como, por exemplo, os números negativos são indispensáveis em teoria dos números e, modernamente, esta disciplina apenas é possível através dos ideais de Kummer- Dedekind, assim a matemática científica apenas é possível através da introdução de asserções ideais. 50 A introdução dos ideais em teoria algébrica dos números p o r Kummer e Dedekind decorreu de certos problemas de factorização aquando da tentativa de demonstração da conjectura de Fermat pelo primeiro autor. A conjectura de Fermat é a asserção de que nunca se tem a igualdade x n +y n =z n, para números naturais x, y, z e n>2. (As circunstâncias que rodearam o aparecimento desta conjectura e que a tornaram famosa são as seguintes: à volta de 1637 o jurista e matemático francês Pierre de Fermat escreveu, na margem d u m livro "descobri uma demonstração verdadeiramente maravilhosa [desta conjectura]; esta margem é demasiado pequena para a conter". Esta nota marginal, conjugada com a simplicidade d a formulação da conjectura, a reputação de Fermat e os sucessivos esforços de grandes matemáticos para a resolver, tornaram famoso o problema. 51 ) Kummer julgou, a certa altura, ter u m a demonstração da conjectura, como relata Hensel no centenário d o 16
17 seu nascimento: Embora não seja bem conhecido, Kummer chegou a acreditar t e r uma demonstração completa do Teorema de Fermat. (...) Querendo ter o melhor crítico para a sua demonstração, Kummer enviou-a a Dirichlet (...). Após alguns dias, Dirichlet respondeu com a opinião de que a demonstração era excelente e certamente correcta, desde que os números α não só pudessem ser decompostos como produtos de factores primos, como Kummer demonstrara, mas (também) q u e essa decomposição pudesse ser feita de maneira única. 52 Era uma "situação difícil", e o conceito de ideal veio contribuir para o seu esclarecimento. Na notação algébrica moderna, Kummer estava a trabalhar com os anéis de inteiros algébricos Z[ζ p ], onde p é um número primo e ζ p é uma raíz primitiva da equação z p =1. Nestes anéis não se tem, em geral, a unicidade de factorização d u m elemento como produto de primos; de facto, a primeira excepção ocorre no anel Z[ζ 23 ]. A manobra de Kummer-Dedekind consiste e m estender os números destes anéis de modo a obter a unicidade d e factorização no novo domínio: os novos "números" foram chamados de ideais. A demonstração e as conclusões de Kummer são, agora, correctas para as equações "x p +y p =z p ", desde que p seja um número primo regular (esta noção é apenas inteligível à luz dos novos ideais). Deve, porém, observar-se que a introdução dos ideais p o r Dedekind não é de carácter finitista - do mesmo modo que não é finitista a construção dos irracionais via cortes. Porém, é possível providenciar uma redução finitista para os ideais, tendo uma tal redução sido esboçada por Kronecker com a sua Teoria dos Divisores. 53 Pode, agora, ter-se uma ideia da enorme amplitude e ambição do programa que Hilbert se propôs levar a cabo. Consistia, n e m mais nem menos, em demonstrar que - num certo sentido - tal redução finitista é sempre possível. Para que este programa tenha sucesso é, primeiramente, necessário dar um sentido finitista à s asserções ideais. A resposta tem que ser absolutamente geral e, p o r conseguinte, é genial: o sentido duma asserção ideal é a sequência de símbolos que a formaliza numa determinada linguagem formal. Ou, mais rigorosamente: as asserções ideais são certas sequências de símbolos numa determinada linguagem formal. Esta abordagem 17
18 exige que se trabalhe com uma formalização total da matemática. Ora, Frege e os seus continuadores já tinham obtido essa formalização e Hilbert vê nisso (mais) um sinal da correcção do seu programa: Felizmente, a mesma harmonia preestabelecida que vemos tantas vezes a operar na história e desenvolvimento da ciência, a mesma harmonia preestabelecida que ajudou Einstein, ao dar-lhe o cálculo invariante geral já completamente desenvolvido para a sua teoria gravitacional, essa mesma harmonia vem em nossa ajuda: encontramos o cálculo lógico já feito. 54 O sentido das reduções finitistas aludido no nosso último parágrafo pode ser descrito do seguinte modo: Hilbert pretende mostrar que a matemática dos métodos infinitistas é uma extensão conservativa da matemática finitista com respeito às asserções reais. Por outras palavras, sempre que se demonstra uma asserção real ϕ por meios não finitistas (i.e., permitindo-se métodos infinitistas e asserções ideais nos passos da demonstração) então existe, também, uma demonstração puramente finitista de ϕ. Denotando por I u m a axiomática da matemática infinitista utilizada e por F a axiomática dos princípios finitistas, a seguinte figura caricaturiza o que se passa (onde simboliza a relação de demonstrabilidade): As asserções e os postulados infinitistas são dispensáveis n o sentido acima descrito. Não se infira, no entanto, que Hilbert defende a redução do sentido da matemática infinitista a meras manipulações de símbolos. "O máximo que se pode atribuir a Hilbert é que, para resolver certas questões filosóficas, podemos ver as coisas dessa maneira." 55 De facto, Hilbert acrescenta que a 18
19 matemática infinitista é um dispositivo formal talhado para [não s ó facilitar, mas também] tornar conceptualmente claras a s demonstrações de asserções reais. 56 Sumariando, o programa de Hilbert divide-se em três etapas. A primeira consiste em atribuir às asserções um sentido finitista claro, encarando-as como sequências de símbolos numa linguagem formal. A segunda consiste em formalizar a prática matemática, i.e., os seus enunciados e demonstrações. A terceira consiste em demonstrar que a matemática infinitista é uma extensão conservativa d a matemática finitista. Claro que, para evitar um petitio principii, esta demonstração tem que ser, ela própria, finitista. É, pois, necessário obter um procedimento construtivo que transforme qualquer demonstração duma asserção real, por métodos infinitistas, numa demonstração que não faça uso desses métodos. A seguinte observação de Hilbert é crucial: Há apenas uma condição, ainda que absolutamente necessária, a que o método dos elementos ideais está sujeito. Essa condição consiste numa demonstração de consistência, pois a expansão do domínio pela adição de elementos ideais só é legítima se essa expansão não causa o aparecimento de contradições no domínio original, mais estrito. Por outras palavras, somente se as relações que resultam entre os elementos originais, quando se eliminam as estruturas ideais, continuam válidas no domínio original. 57 Hilbert está a afirmar que o resultado de conservação se segue do resultado de consistência. Em "Die Grundlagen der Mathematik" 58 esta afirmação é exemplificada por um argumento que, sob a hipótese do resultado de consistência, ensina a obter u m a demonstração finitista da conjectura de Fermat a partir duma demonstração infinitista. O exemplo é tipíco. Nos próximos três parágrafos esboçamos, para o leitor melhor preparado, o argumento de Hilbert adaptado ao caso geral. A asserção da consistência de I - chamemos-lhe Con I - afirma não existir nenhuma demonstração de " = " a partir de I. Numa perspectiva formal - portanto finitista - isto equivale a negar a existência duma sequência de símbolos d que formaliza u m a demonstração de " = " a partir de I, i.e., tal que Dem I (d," = "), com Dem I (x,y) a relação decidível apropriada. 59 Con I é, pois, a asserção 19
20 real x~dem I (x," = "). Com vista a demonstrar o resultado de conservação, suponhamos que F Con I. Tome-se ϕ uma qualquer asserção real (logo da forma " xd(x)", com D(x) decidível) demonstrável a partir de I. Então existe d tal que, (*) F Dem I (d," xd(x)"). Ora, por um lado é verdade que, (**) F x(~d(x) Dem F (a(x),"~d(x)")) 60, para um certo algoritmo a. Por outro lado também se tem, (***) F x[dem I (a(x),"~d(x)")&dem I (d," xd(x)") ~Con I ]. Como F é parte de I conclui-se, por (*), (**), (***) e por hipótese, que F xd(x). Como se queria demonstrar. O que se acabou de ver (sob a suposição de que F Con I ) é, n a terminologia dos lógicos, o Princípio de Reflexão: [Reflexão-Π 1 ] F x(dem I (x,ϕ) ϕ), para asserções reais ϕ. Este princípio dá origem a um algoritmo muito simples que transforma demonstrações infinitistas d e asserções reais em demonstrações finitistas. Com efeito, seja d tal que Dem I (d,ϕ). Uma demonstração finitista de ϕ consiste em três partes: primeiro, numa demonstração finitista de Dem I (d,ϕ); e m seguida numa demonstração finitista de x(dem I (x,ϕ) ϕ); por fim, numa particularização e numa aplicação de modus ponens para concluir ϕ. Sendo o problema da consistência equivalente ao problema d a conservação, a obtenção de demonstrações finitistas de consistência joga um papel central no programa formalista de Hilbert. Para a s conseguir, Hilbert inventou uma nova disciplina: a teoria d a demonstração (Beweistheorie), supostamente capaz de vir a providenciar demonstrações puramente finitistas da consistência d e teorias formais através da exploração sistemática da finitude das demonstrações formalizadas (a denominada solução sintáctica para o problema da consistência). Solomon Feferman relata 61 que Hilbert e os seus estudantes Wilhelm Ackerman e John von Neumann estiveram, a certa altura, convencidos de ter uma demonstração finitista da consistência da teoria hoje conhecida por Aritmética d e Peano. Tal constituiria um primeiro passo para a demonstração d a consistência de teorias mais fortes, como a Análise ou, mesmo, a Teoria de Conjuntos de Zermelo-Fraenkel. Como se veio a verificar, 20
A Matemática é Acerca de Quê? Michael Dummett
A Matemática é Acerca de Quê? Michael Dummett Das disciplinas intelectuais, as duas mais abstractas, filosofia e matemática, dão origem à mesma perplexidade: elas são acerca de quê? A perplexidade não