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Argumentos contra los grandes cardenales

Hace tiempo empecé a aprender sobre los cardinales grandes, y leí que la existencia, e incluso la consistencia de la existencia de un cardinal inaccesible, es decir, un cardinal límite que además es regular, es indemostrable en ZFC. Sin embargo, los cardinales grandes se estudiaron ampliamente en el siglo pasado y (aparte de los intentos que fueron demasiado lejos como los cardinales de Reinhardt) nadie encontró nunca una contradicción con ZFC. En consecuencia, me parece que los teóricos de conjuntos de hoy no consideran la posibilidad de la inexistencia de un gran cardinal. Por eso mis preguntas:

¿Por qué es tan descabellado pensar que la existencia de grandes cardenales contradice la ZFC? ¿Hay matemáticos que sí creen que los cardinales grandes no existen? ¿Y cuáles son sus argumentos?

EDIT: Quiero daros las gracias por todas vuestras interesantes respuestas y comentarios. Aunque me llevará algún tiempo entenderlos completamente, siento que ya he aprendido mucho gracias a esta discusión. ¡Gracias!

54voto

Kieran Hall Puntos 2143

No conozco a ningún teórico de conjuntos en activo que piense que los cardenales grandes son inconsistentes. Al menos, dentro del ámbito de los cardinales que hemos estudiado seriamente.

[Reinhardt sugirió un axioma último de la forma "hay una incrustación elemental no trivial $j:V\to V$ ". Aunque algunos teóricos de conjuntos serios lo consideraron de posible interés inmediatamente después de su formulación, Kunen demostró rápidamente después que esto es inconsistente, utilizando la elección. No se sabe si la elección es necesaria, pero las investigaciones actuales sugieren que, incluso sin elección, los refuerzos naturales de este axioma pueden ser inconsistentes en $\mathsf{ZF}$ solo. Esto no es un argumento contra los cardenales grandes en general. En cambio, nos proporciona limitaciones naturales a su alcance. Para otro ejemplo, véase aquí .]

Hay varios teóricos de conjuntos activos que no se comprometen de una manera u otra con la consistencia de los cardinales grandes, pero los utilizan si es necesario, y no se oponen por motivos matemáticos a los argumentos que los involucran. Para algunos de ellos, la teoría de conjuntos trata de todas las posibles extensiones (naturales) de $\mathsf{ZFC}$ y ciertamente hay muchas extensiones interesantes de este tipo (como $V=L$ ) que descartan a los grandes cardenales. Por lo tanto, no es que consideren los cardenales inconsistentes.

(Confieso que esto puede ser ignorancia por mi parte).

Y sólo conozco a dos matemáticos que hace años eran teóricos de conjuntos serios y que han expresado dudas sobre la consistencia de (ciertos) grandes cardinales. Ninguno de los dos está actualmente en activo dentro del campo, por lo que su posición debe tomarse con un grano de sal, ya que se perdió los resultados significativos de finales de los 80 que muy bien podrían haberles obligado a reconsiderar.

¿Por qué esperamos $\mathsf{ZFC}$ para ser coherente, para empezar? Esperamos algo más que la mera consistencia, por supuesto, pero dudar de los grandes cardinales suele significar desconfiar de la teoría de conjuntos en su conjunto. No soy filósofo, así que no discutiré posiciones filosóficas o justificaciones. Una buena referencia para la heurística detrás de los axiomas básicos de ZFC es el maravilloso documento

Penélope Maddy. Creer en los axiomas. I J. Symbolic Logic, 53 (2) , (1988), 481-511. MR0947855 (89i:03007) .

Los grandes cardenales se discuten en su seguimiento,

Penélope Maddy. Creer en los axiomas. II J. Symbolic Logic, 53 (3) (1988), nº 736-764. MR0960996 (89m:03007) .

Los dos libros de Maddy sobre el platonismo y el naturalismo discuten ampliamente por qué la visión de un universo teórico de conjuntos con grandes cardinales en lugar de no serlo es la opción razonable, dada nuestra comprensión actual, véase

Penélope Maddy. El realismo en las matemáticas . The Clarendon Press, Oxford University Press, Nueva York, 1990. MR1075998 (92h:00007) .

y

Penélope Maddy. El naturalismo en las matemáticas . The Clarendon Press, Oxford University Press, Nueva York, 1997. MR1699270 (2000e:00009) .

Los libros presentan varios puntos técnicos sutiles que sólo pueden entenderse por completo una vez que uno es consciente de las profundas conexiones entre los grandes cardinales y los absolutos (genéricos). Las opiniones más recientes de Maddy sobre el tema pueden verse aquí:

Penélope Maddy. Defendiendo los axiomas: sobre los fundamentos filosóficos de la teoría de conjuntos . Oxford University Press, Oxford, 2011. MR2779203 .

¿Cómo miden los teóricos de conjuntos la plausibilidad interna de los grandes supuestos cardinales, más allá de su utilidad para demostrar resultados? El objetivo del programa de modelos internos (y de su vástago más reciente, la teoría de modelos internos descriptivos) es desarrollar estructuras finas (" $L$ como") para los grandes cardenales. Estos modelos son canónicos de varias maneras precisas, y tienen una rica estructura interna que muchos teóricos de conjuntos toman como evidencia de la consistencia de los grandes cardinales considerados. Gracias a sus avances, hoy en día tenemos una visión mucho más clara del universo de la teoría de conjuntos (por ejemplo, ahora tenemos los diferentes lemas de cobertura, y varios resultados de invariancia genéricos) que cuando comenzó el programa, motivado por lo que ahora llamamos el programa de Gödel.

Actualmente, el programa ha superado con creces los cardenales de Woodin, pero aún no ha llegado al nivel de los cardenales supercompactos. Esto puede interpretarse como que, utilizando las herramientas más potentes de que disponemos actualmente, estamos bastante seguros de la consistencia de, digamos, "hay un límite de Woodin de cardinales de Woodin". El tiempo dirá si el programa alcanza la supercompacidad. Si no lo hace, esto nos proporcionará una fuerte evidencia de su inconsistencia, aunque no estoy seguro de que nadie espere realmente que éste sea el resultado.

John Steel y Tony Martin han perfeccionado a lo largo de los años algo que llaman "el discurso", en el que explican su posición respecto a los grandes cardenales. Merece la pena leerlo, y tratar de resumirlo en unas pocas líneas sería una injusticia. Se puede encontrar en estos dos envíos a la lista de Fundamentos de las Matemáticas (FOM): 1 , 2 (la notación aquí es $P_T =$ conjunto de $\Pi^0_1$ consecuencias de $T$ ), y en las ponencias del panel "¿Necesitan las matemáticas nuevos axiomas?", véase

Solomon Feferman, Harvey M. Friedman, Penelope Maddy y John R. Steel. ¿Necesitan las matemáticas nuevos axiomas? , Bull. Lógica Simbólica, 6 (4) ,(2000), 401-446. MR1814122 (2002a:03007) .

Las opiniones de Steel también se presentan con cierto detalle en los libros de Maddy. Para ver los avances más recientes, consulte su charla:

John Steel. El programa de Gödel , impartido en la reunión del CSLI en Stanford, el 1 de junio de 2013.

A riesgo de no ser equilibrado, permítanme señalar algunos aspectos destacados: Tenemos una imagen coherente del universo de conjuntos, con grandes cardinales. Podemos, dentro de esta imagen, interpretar teorías en las que no hay tales cardinales. Sin embargo, no tenemos una imagen tan coherente en la dirección opuesta. Las consecuencias de los cardinales grandes, en el nivel aritmético (y más, a medida que subimos en la jerarquía) son compatibles. Las consecuencias aritméticas de cualquier extensión natural de $\mathsf{ZFC}$ caen en algún lugar dentro de esta jerarquía (en cuanto a las teorías que podemos analizar actualmente), incluso si la teoría no menciona grandes cardinales. De hecho, los enunciados de determinismo, incompatibles con la elección, también caen dentro de esta jerarquía y son mutuamente interpretables con los cardinales grandes (de nuevo, en cuanto a las teorías que podemos analizar actualmente). Estas profundas conexiones con la determinación están detrás de lo que ahora llamamos teoría del modelo interno descriptivo, véase

Grigor Sargsyan. Teoría del modelo interno descriptivo , Bull. Lógica Simbólica, 19 (1) , (2013), 1-55.

Los cardinales grandes nos proporcionan la absolutez genérica, y la absolutez genérica, un requisito natural si estamos interesados en entender la teoría proyectiva de los reales, requiere la consistencia de los cardinales grandes. Véase esto respuesta para saber un poco más sobre esta cuestión; permítanme subrayar que no se trata de un requisito técnico o artificial, sino de una extensión natural de los resultados básicos de la teoría de conjuntos descriptiva clásica.

Los cardenales grandes parecen inherentemente necesarios para la práctica matemática, no sólo para la teoría de conjuntos. Harvey Friedman ha escrito extensamente sobre este tema.

En resumen: tenemos una medida muy clara del progreso en la comprensión de los grandes cardenales y sus consecuencias. Según esta medida, ahora podemos entender muchas cuestiones de teoría de conjuntos que no implican grandes cardinales, pero para las que son necesarios de manera más profunda (no sólo en cuanto a la consistencia). Esta medida requiere realmente los cardinales grandes, no tenemos nada parecido sin ellos. Esta medida es significativa incluso en entornos que no son teóricos de conjuntos, y parece inevitable incluso dentro de la práctica matemática (aunque quizás es demasiado pronto para decir lo significativo que será al final para los "matemáticos practicantes"). No tenemos ningún modelo matemático serio en el que los cardinales grandes sean inconsistentes, sin embargo, tenemos un programa serio de investigación que, en última instancia, nos enseñaría eso, si fuera el caso. El programa nos ha proporcionado, en cambio, muchos resultados positivos (en particular, tenemos bonitos modelos internos para la mensurabilidad, para los cardinales fuertes, para los cardinales de Woodin, y tenemos bonitos modelos internos de modelos de determinación, que capturan los grandes cardinales que nos proporcionan la consistencia de los enunciados de determinación).

Para terminar, entendemos (motivamos/explicamos) los grandes cardinales dentro del contexto más amplio de los principios de reflexión, los más sencillos de los cuales se desprenden ya de $\mathsf{ZFC}$ . (Por otro lado, no conozco ninguna objeción a los cardenales grandes más allá de "son demasiado grandes" o "no me parecen correctos", ninguna de las cuales me parece matemática. La primera también parece especialmente artificial.

El único "programa" hacia su inconsistencia (que yo conozca) produjo en cambio muchas consecuencias interesantes para el cálculo de la partición a nivel de $0^\sharp$ (y es quizás responsable de la primera teoría de $0^\sharp$ mismo). Por lo que tengo entendido, un intento similar de refutar los cardinales medibles resultó en cambio en el desarrollo del lema de cobertura, que desde entonces ha sido una de las herramientas clave para medir nuestra comprensión de grandes cardinales particulares como parte del programa del modelo interno, véase

William J. Mitchell. El lema de cobertura . En Manual de teoría de conjuntos. Vols. 1, 2, 3 Matthew Foreman y Akihiro Kanamori, eds., pp. 1497-1594, Springer, Dordrecht, 2010. MR2768697 . ( La máquina del retroceso )

Quizá deba añadir que nuestras intuiciones sobre los grandes cardenales no son gratuitas, sino que son el resultado de los programas mencionados anteriormente. En particular, desconfío de a priori desconfianza de los grandes cardenales, ya que tiende a ocultar la incomprensión, o la ignorancia, de las verdaderas matemáticas implicadas en estos programas.

40voto

Andreas Blass Puntos 45666

La mayoría de las respuestas han abordado la parte de "consistencia" de la pregunta original, "¿Por qué es tan poco razonable pensar que la existencia de grandes cardinales contradice a ZFC?" Hay otra parte, sobre la existencia, "¿Hay matemáticos que crean que los cardinales grandes no existen?" Me gustaría señalar que la creencia en la existencia de los grandes cardinales y la creencia en su consistencia no son necesariamente la misma cosa. En primer lugar, alguien que acepte la existencia real de los números naturales pero no de conjuntos más extravagantes podría creer que los axiomas de los cardinales grandes son consistentes con ZFC (eso es una creencia aritmética), pero no creer en la existencia de los cardinales grandes o incluso de los cardinales pequeños como $\aleph_1$ . En segundo lugar, incluso un platonista podría creer en la consistencia de algunos axiomas por razones distintas a la creencia en su verdad. Por ejemplo, considero muy probable que los axiomas de los cardinales grandes sean consistentes (por las razones que otros han explicado en sus respuestas) hasta los cardinales para los que hay una teoría de modelos internos clara (para los expertos), e incluso que estos axiomas se mantienen en ciertos modelos internos de tamaño propio. Por otro lado, nunca he podido convencerme de la existencia real de cardinales incluso sutiles (que son tan pequeños que son consistentes con $V=L$ ). Mi dificultad aquí es que la definición de "sutil" (como la de "medible" y muchas otras) parece incluir un aspecto combinatorio bastante diferente de la mera largueza (aunque por supuesto las definiciones implican una cierta largueza). En general, me parece bien la mera amplitud, pero no veo por qué deberían existir cardinales con estas propiedades combinatorias adicionales. (Una imagen plausible del mundo real podría ser que realmente no hay cardinales medibles, pero que todos los cardinales singulares son medibles (y más) en algunos modelos internos).

31voto

Jeroen Dirks Puntos 2515

En primer lugar, ¿por qué es tan descabellado pensar que la propia ZFC es contradictoria? Porque tenemos una buena intuición sobre los conjuntos y tenemos mucha experiencia con ZFC. Lo mismo se aplica básicamente a los cardinales grandes. Lo que estoy tratando de señalar aquí es que asumir cardinales grandes no es mucho más irracional que pasar de la Aritmética de Peano a ZFC. (Edición: David Roberts señala esto en su respuesta: Si dudas de la consistencia de los cardinales grandes, ¿por qué no empezar antes y cuestionar la existencia del conjunto de los números naturales?)

Se ha trabajado mucho sobre el tema de los grandes cardenales y además cardenales de Reinhardt, nada ha resultado ser incoherente.
Existe el llamado programa de modelo interno en el que se asume la existencia de un cierto cardinal y se intenta construir un modelo más pequeño (fácilmente controlable) de la teoría de conjuntos en el que exista dicho cardinal grande y que contenga todos los ordinales.
La idea es que porque tenemos un buen conocimiento del modelo interno final, nos daríamos cuenta durante la construcción del modelo si hubiera algún problema con la consistencia del gran cardinal en cuestión.

Este programa ha funcionado hasta ahora en niveles bastante altos de la jerarquía de los grandes cardenales.

Otro punto importante para creer en la consistencia de los grandes cardenales es el hecho de que las fuerzas de consistencia de los cardinales grandes están aparentemente ordenadas linealmente.
En otras palabras, todavía no ha ocurrido que haya una noción natural de un gran cardinal que no pueda compararse con los otros grandes cardinales conocidos en términos de fuerza de consistencia (un gran cardinal es más fuerte que el otro si la consistencia del primero implica la consistencia del segundo). Eso indica que hay una dirección natural en la que la teoría de conjuntos puede fortalecerse, lo cual es una observación (heurística) notable.
(Para ciertos tipos de axiomas cardinales grandes se puede demostrar que forman una jerarquía linealmente ordenada). Me parece poco probable que veamos esta estructura linealmente ordenada por encima de un gran cardinal cuya existencia es realmente inconsistente.

Entonces, si hay una dirección natural para fortalecer nuestra teoría básica, ¿por qué no ir hasta el final y trabajar en la teoría más fuerte en esa dirección, asumiendo la existencia de todos cardinales grandes (consistentes). Entre otras cosas, ha resultado que la existencia de grandes cardinales implica una teoría estructural bastante agradable para los subconjuntos de la recta real que son definibles en cierto sentido (conjuntos proyectivos).
Y como se ha señalado anteriormente, hay buenas razones para creer en la consistencia de los grandes cardenales.

En cuanto a los argumentos contra los grandes cardenales, creo que la principal objeción es que los cardinales grandes no tienen ningún efecto en las matemáticas ordinarias. Pero, como he señalado en el párrafo anterior, esto no es del todo cierto. Además, aunque esto sea engorroso la mayor parte de la "matemática ordinaria" puede en realidad llevarse a cabo en sistemas débiles de teoría de números. En particular, toda la fuerza de ZFC es innecesaria la mayor parte del tiempo.

25voto

Dean Hill Puntos 2006

Tú lo has preguntado:

¿Por qué es tan descabellado pensar que la existencia de grandes cardenales contradice la ZFC?

No es "irrazonable", como tampoco lo es no creer en la Hipótesis de Riemann. Si se hace una encuesta sistemática a la gente y se le pregunta en qué punto de la jerarquía empieza a desarrollar acrofobia (es decir, a dudar de que existan infinitos de ese "tamaño"), se obtendrán respuestas a lo largo de todo el espectro. Las dudas, sin embargo, suelen ser del tipo "no creo que haya suficientes pruebas para hacerme creer en ellos", más que argumentos concretos contra su existencia. De vez en cuando puedes encontrarte con alguien que cree $V=L$ lo suficientemente fuerte como para usar eso como una razón para no creer en los cardenales medibles, pero eso es bastante raro.

Lo que se observa en la literatura es que los cardenales grandes conducen a una teoría muy fructífera y perspicaz. En cambio, suponer que no existen no parece conducir a resultados muy interesantes. Por eso la literatura está sesgada en esta dirección. Del mismo modo, encontrarás muchos trabajos que asumen la Hipótesis de Riemann o que asumen $P \ne NP$ y construir una complicada imagen conjetural del universo matemático sobre esa base, a pesar de que es teóricamente posible que toda la imagen se derrumbe como un castillo de naipes si se demuestra que la suposición subyacente es falsa. La razón es que la imagen es convincente, se "siente verdadera" y genera muchas ideas y corolarios que a veces pueden verificarse incondicionalmente. Sin embargo, asumir las hipótesis contrarias rara vez lleva a ninguna parte, aunque en los casos en que hace de la gente no dudan en mencionarlo.

16voto

Xavier Nodet Puntos 2498

Nelson (y en la pregunta enlazada, vemos también a Doyle y Conway) es famoso por no creer en la existencia de $\aleph_0$ que es el cardinal de un ordinal límite (es decir $\omega$ ), por lo que puede considerarse grande, pero no grande desde el punto de vista habitual de la teoría de conjuntos. Se le llamaría finitista en este sentido. Más precisamente, sus axiomas de la aritmética no presuponen la existencia de un objeto de números naturales y tampoco lo muestran.

Edición: En realidad Nelson es un ultrafinitista, en el sentido de que duda de la existencia de grandes natural números, y da un ejemplo combinatorio (ver mi comentario más abajo) de un número cuya finitud cuestiona (esto corrige un error de mi parte en la versión original de la pregunta, donde llamé a Nelson ultrafinitista por no "creer en $\aleph_0$ ).

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