9.巴拿赫-塔斯基悖论
既然信封悖论提到了选择公理,正好就把这个悖论拿出来说一说。巴拿赫-塔斯基悖论又称分球悖论,该悖论在1924年由 斯特凡·巴拿赫和阿尔弗莱德·塔斯基共同提出。虽然我申明不会收录专业性太强的悖论,但巴拿赫悖论有意思之处在于虽然其理论推导需要较强的专业知识,但其结果的反常性却很容易看出来。
巴拿赫-塔斯基悖论简单地说,就是可以将一个三维实心球分成若干部分(至少五个),然后仅仅利用旋转和平移来重新组合,就可以组成两个和原来体积相同的实心球。
令人惊讶的是,尽管看上去有悖于事实,但大部分数学家都同意分球悖论在逻辑上是可以成立的,也就是实际上这是一条数学定理而非悖论。不过值得一提的是,分球悖论依赖于公理集合论中的一条“选择公理”,因为只有依靠这条公理才能够构造出不可测集。而划分实心球的方法其实也就是将其划分为不可测集。
所谓不可测集,即无法用勒贝格测度定义的集合。勒贝格测度是赋予欧几里得空间的子集一个长度、面积、或者体积的标准方法,利用这种方法可以决定大部分集合在几何上的“大小”。然而有意思的是,通过选择公理可以构造出不可测的集合,这些集合拥有无法判定其测度的奇妙性质。任意一个可测集,在三维空间中旋转和平移不会改变其体积,然而对不可测集则未必。
传说巴拿赫和塔斯基提出这个悖论是为了反对选择公理,因为其实“非构造性的”。对于直觉主义者来说,选择公理充满了不确定性,很多数学家对此持怀疑态度。然而否定选择公理意味着放弃很多具有重要意义的定理,甚至会导致更加有悖于直觉的结论,因此数学界普遍选择接纳选择公理,并把分球论视为一条定理。
既然如此为何我们现实中无法实现巴塔悖论所预言的体积倍增?主流的解释是物质是不能无限可分的,我们的物理能力无法完成数学绝对意义上的不可测集构造,“无限”再次成为了悖论的根源。从此我们可以看出数学作为一门工具学科,其本质是假定的一种绝对理想的状态,它与现实存在着微妙的差异,而也许正是这个差异导致了分球悖论。但很多人仍不能回避选择公理所带来的困惑,它引发了数学定理与直觉之间的裂痕,而这也导致人们在使用它时都极为谨慎。

既然信封悖论提到了选择公理,正好就把这个悖论拿出来说一说。巴拿赫-塔斯基悖论又称分球悖论,该悖论在1924年由 斯特凡·巴拿赫和阿尔弗莱德·塔斯基共同提出。虽然我申明不会收录专业性太强的悖论,但巴拿赫悖论有意思之处在于虽然其理论推导需要较强的专业知识,但其结果的反常性却很容易看出来。
巴拿赫-塔斯基悖论简单地说,就是可以将一个三维实心球分成若干部分(至少五个),然后仅仅利用旋转和平移来重新组合,就可以组成两个和原来体积相同的实心球。
令人惊讶的是,尽管看上去有悖于事实,但大部分数学家都同意分球悖论在逻辑上是可以成立的,也就是实际上这是一条数学定理而非悖论。不过值得一提的是,分球悖论依赖于公理集合论中的一条“选择公理”,因为只有依靠这条公理才能够构造出不可测集。而划分实心球的方法其实也就是将其划分为不可测集。
所谓不可测集,即无法用勒贝格测度定义的集合。勒贝格测度是赋予欧几里得空间的子集一个长度、面积、或者体积的标准方法,利用这种方法可以决定大部分集合在几何上的“大小”。然而有意思的是,通过选择公理可以构造出不可测的集合,这些集合拥有无法判定其测度的奇妙性质。任意一个可测集,在三维空间中旋转和平移不会改变其体积,然而对不可测集则未必。
传说巴拿赫和塔斯基提出这个悖论是为了反对选择公理,因为其实“非构造性的”。对于直觉主义者来说,选择公理充满了不确定性,很多数学家对此持怀疑态度。然而否定选择公理意味着放弃很多具有重要意义的定理,甚至会导致更加有悖于直觉的结论,因此数学界普遍选择接纳选择公理,并把分球论视为一条定理。
既然如此为何我们现实中无法实现巴塔悖论所预言的体积倍增?主流的解释是物质是不能无限可分的,我们的物理能力无法完成数学绝对意义上的不可测集构造,“无限”再次成为了悖论的根源。从此我们可以看出数学作为一门工具学科,其本质是假定的一种绝对理想的状态,它与现实存在着微妙的差异,而也许正是这个差异导致了分球悖论。但很多人仍不能回避选择公理所带来的困惑,它引发了数学定理与直觉之间的裂痕,而这也导致人们在使用它时都极为谨慎。
