Gödelsche Unvollständigkeitssätze

Kurt Gödel

Kurt Gödel

Kurt Gödel war ein Mathematiker des 20.Jahrhunderts, der sich viel mit der Lehre der Logik in der Mathematik beschäftigte. So suchte er auch nach Antworten auf Hilberts Probleme und Fragen. Als Antwort auf das zweite Problem, "Sind die arithmetischen Axiome widerspruchsfrei?", entstanden die Unvollständigkeitssätze Gödels, auf welche im weiteren eingegangen wird.

Gödelsche Unvollständigkeitssätze

Veröffentlicht im Jahr 1931 besagen die Unvollständigkeitssätze als ganzes, dass es in hinreichend starken Systemen (Bsp. Arithmetik) Aussagen geben kann, von denen man weder beweisen kann, dass sie wahr sind, noch diese widerlegen kann. So besagt Gödels erster Unvollständigkeitssatz, dass es in allen widerspruchsfreien Systemen aussagen gibt, deren Wahrheitsgehalt weder be- noch wieder-legt werden kann. Der zweite Satz besagt, dass man in widerspruchsfreien und hinreichend starken Systemen deren Widerspruchsfreiheit nicht beweisen kann.

Wir legen im folgenden den Fokus auf den ersten Unvollständigkeitssatz. Betrachtet man die Aussage dessen, so stellt sich die Frage, was mach ich wenn ich an einer wahren Aussage forsche, aber nicht weiß, ob sie überhapt belegbar ist. Hierzu ein kurzer Geschichtlicher-Abriss.

Bisheriges Verständnis

Wahr und Falsch

Seit dem antiken Griechenland ist man davon ausgegangen, dass alles was mathematisch Wahr ist, auch innerhalb der Mathematik bewiesen werden kann. Gödel hat jedoch mit seinen Unvollständigkeitssätzen gezeigt, dass Wahr und Beweisbar nicht zwingend zusammenhängen müssen. Ein Beispiel dafür, dass man nicht sagen, oder besser beweisen kann, was wahr und was falsch ist können wir aus unserem Alltag konstruieren. Betrachtet man ein Blatt Papier und schreibt auf die eine Seite, “Die andere Seite der Karte ist wahr”, und auf jene angesprochene andere Seite, “Die andere Seite der Karte ist falsch”, so findete man sich, beim Versuch zu ergründen welche Aussage nun stimmt, in einem Dilemma wieder, da man nicht sagen kann welche Seite der Karte nun “Recht” hat. Dies ist für uns im Alltag kein Problem, da wir nicht davon ausgehen, dass alle Aussagen wahr oder falsch sein müssen, oder sogar beweisbar wahr sind. Gödel sagt nun jedoch, dass ein solches Dilemma auch in der Mathematik auftreten kann, nun wird daraus in der Mathematik tatsächlich ein Problem. Denn wir verlangen von Mathematischen Systemen Konsistenz, dass heißt, dass jede Aussage entweder wahr oder falsch ist. In anderen Worten sollen mathematische Systeme widerspruchsfrei sein. Gödel hinterfragt also die Vollständigkeit der Mathematik und zeigt letztendlich, dass ausreichend komplexe mathematische Systeme unter Annahme von Konsistenz nicht vollständig sein können.

Wie bereits erwähnt war dieser Tatbestand der vollständigkeit der Mathematik, eines der Probleme Hilberts: “Prove Math is consistent” Kurt Goerdel hat dieses Problem mit seinem Unvollständigkeitssatz gelöst, oder besser gesagt widerlegt, indem er beweisen hat, dass Mathematik nicht vollständig ist.

Doch genug der Geschichtsstunde, betrachten wir nun, was Gödel eigentlich gemacht hat.

Versuchte Erklärung der Beweisidee

Um den Beweis von Gödel zu verstehen müssen wir zuerst einen kurzen Blick auf die generelle Beweisstruktur der heutigen Mathematik werfen. Die Grundlage der verwendeten Mathematik sind festgelegte Axiome, wie z.B.: “a+b=b+a”. Hat man nun eine mathematische Aussage, so versucht man diese aus den festgelegten Axiomen zu beweisen oder zu widerlegen. Findet man dabei etwas, dass immer gültig ist, jedoch nicht bewiesen werden kann, so macht man es zu einem neuen Axiom, einem als Wahr angesehenen Grundbaustein der Mathematik. Bisher war man also der Ansicht, dass wenn man nur genügend Axiome hat, alle Aussagen beweisbar sind, oder besser gesagt irgendwann alle Axiome gefunden sind und alles bewiesen werden kann. Kurzum man ist davon ausgegangen, dass die Mathematik irgendwann vollständig abgeschlossen ist.

Betrachten wir nun, was Gödel in seinem Beweis macht. Seine Idee war es, die Mathematik in Zahlen umzuformen und dann, durch beispielsweise Primfaktorzerlegung, allen Aussagen Nummern zuzuordnen, die unfehlbar, nach Dekodierung, auf die Nummern der Axiome zurückführen, und somit die Aussagen beweisen. Als erstes führt er hierfür den sogenannten Gödelcode, oder auch Gödelnumbering ein, womit er jedem Axiom und jeder Aussage, nach einem festgelegten Prinzip, eine Nummer, die Gödelnummer, zuordnet. Diese Nummern werden dabei sehr groß, da jede Aussage ihre eigene individuelle Gödelnummer bekommt. Ein Beispiel aus der heutigen technologiesierten Welt wäre der Ascii-Code, der jedem Buchstaben, Sonderzeichen oder Smiley eine bestimmte vom Computer auslesbare Kombination gibt. Wie auch beim Ascii-Code, sorgt eine Zusammensetzung der einzelnen Axiome oder auch Aussagen für eine größere Nummer. So kann beispielsweise ein Smiley duch Kombination mit einer Farbe in unterschiedlichen Gesichtsfarben dargestellt werden. Damit hat Gödel sein primärziel erreicht. Er kann nun mit Mathematik, als festgelegtes äußeres System Aussagen über die in Gödelnummern festgelegte Mathematik treffen. Vereinfacht gesagt, man kann aus den Nummern bestimmen, ob eine Aussage aus den Axiomsnummern zusammengesetzt werden und damit bewiesen werden kann oder nicht.

Hier lohnt es sich ein kurzes Beispiel anzusehen. In dem System von Gödel das von Nagel und Newman verwendet wird, ist die 0 eine 6 und das Istgleichzeichen die 5. Will man also 0=0 in dem System schreiben so findet sich das unter der Nummer 2⁶ * 3⁵ * 5⁶ = 243,000,000.

Kommen wir nun zu einer Aussage, die das ganze problematisch werden lässt und zeigt, dass Mathe eben doch nicht vollständig ist und es weitergeführt auch niemals sein wird. Diese Aussage lautet: “Diese Aussage kann nicht aus den Axiomen bewiesen werden”. Gehen wir nun als erstes davon aus, dass diese Aussage falsch ist, so muss sie aus den Axiomen beweisbar sein. Dies wäre aber ein Widerspruch, denn wir nehmen an, dass in winderspruchsfreien Systemen nur wahre Aussage bewiesen werden können. Ist dies jedoch nicht der Fall, so muss die Aussage, da sie mit Mathe beschrieben wurde zwingend richtig sein, da es nach unserem Verständnis in der Mathematik beim rechnen, in diesem Fall mit den Gödelnummern, nur Richtig oder Falsch gibt. Wir haben also in unserem mathematischen System eine Aussage gefunden, die zwar richtig ist, jedoch nicht aus den Axiomen nachgewiesen werden kann. Wichtig hierbei ist jedoch, dass wir diese Aussage nur als Wahr klassifizieren können, da wir die Mathematik von außerhalb mit sich selbst betrachtet haben. In dem eigentlich betrachteten System, der in den Gödelnummern festgelegten Mathematik, in dem die Aussage “lebt”, kann diese weder widerlegt noch bewiesen werden, obwohl wir von Außerhalb wissen, dass sie wahr ist. Wir haben also eine Aussage wahren Inhalts gefunden, die innerhalb eines abgeschlossenen Mathematischen Systems nicht bewiesen werden kann. Wir haben bereits erwähnt, dass eine solche Aussage dann als Axiom festgelegt wird. Und wenn wir erneut eine solche Aussage finden, dann wird auch diese als Axiom mit aufgenommen, bis es nicht mehr möglich ist eine derartige Aussage zu finden. Nun hat Gödel aber gezeigt, dass es unendlich viele Aussagen dieses Typus gibt, also die Mathematik niemals vollständig sein kann. Damit wird es immer Aussagen geben die zwar wahr sind, jedoch nicht bewiesen werden können.

Was bedeutet das für Mathematiker heute

Betrachtet man nun die Auswirkungen von Gödels Unvollständigkeitssätzen auf die heutige Zeit, so fällt auf, dass diese obwohl sie die Mathematik in ihren Grundfesten erschüttert haben, man kann nicht mehr davon ausgehen für alles eine Lösung zu finden und die Mathematik wird niemals fertig sein, für die eigentliche Forschung an aktuellen Problemen nur bedingte Auswirkung hat. Dies ist auch gut so, denn wenn beispielsweise jeder Mathematiker nach einer Woche sagen würde, dass Forschungsgebiet taugt nichts, das ist doch wahrscheinlich eh nicht beweisbar, dann würde die Mathematik als solche keine Fortschritte mehr machen. Somit ändert Gödels Feststellung der unvollständigen Mathematik an der aktuellen Forschung und Problemlösung nur in sofern etwas, dass man immer im Kopf behalten sollte, dass es möglicherweise in letzter Konsequenz doch keinen Beweis der These gibt, und man vielleicht in Betracht ziehen sollte zu Überprüfen ob die These überhaupt beweisbar ist. Auf der anderen Seite hat Gödel jedoch damit ein neues umso unvorhersehbareres Forschungsgebiet eröffnet, welches in der Vergangenheit bereits erstaunliche Ergebnisse geliefert hat und dies hoffentlich auch in Zukunft noch tun wird.

Beispiele für Gödels Sätze

Nachdem wir nun den Inhalt, sowie das Konzept der Unvollständigkeitssätze betrachtet haben, möchten wir abschließend noch den Blick auf zwei Beispiele für das unvorhersagbare, oder auch unbeweisbare liefern.

Quellen

Externe Quellen

Numberphile - Gödel's Incompleteness Theorem

Numberphile - Gödel's Incompleteness (extra footage 1)

Veritasium - Math Has a Fatal Flaw

Autoren

Kaspar Haas Leon-Josip Dzojic