论人类下一代语言的可能—6.3.5形式化
现代符号逻辑被认为是以数学方法来研究逻辑而得到的,乔姆斯基的形式文法也同样。那么,这里的“数学方法”是数学专属的方法,还是应该看作一种更一般的方法?或是别的理解?应用这里所说的数学方法进行研究,其结果可形成一些抽象的、形式化的符号系统。在本节里我们先来探讨符号结果的形式化问题。
形式化指符号系统所用的基础符号往往就是一个字母,或特别构造的单独符号,或者这些符号很简单的组合;所构成的符号系统可以脱离其语义,只从符号的形式来理解与操作。形式化首先是在现代逻辑、数学、形式文法等符号系统实现,然后这一特征随着它们的应用扩散开来。形式化有时看作公理化的进阶,这种说法源自几何学。公理系统最早在几何学出现,在希尔伯特的推动下,几何公理系统首先尝试实现形式化(参阅“5.3公理系统”一节)。然而,我们在使用阿拉伯数字的算术几百年后,才有皮亚诺的算术公理;从修辞代数到符号代数的过程也与公理化无关;微积分的符号选择同样如此。形式化应该另有原因。
形式化的符号系统经常被类比于一种棋牌游戏,比如中国象棋。在中国象棋里,“象”是叫“象”,还是叫“狗”,或叫“泥土”,并没有什么实质影响;“象”的棋子是塑料的、陶瓷的、还是别的什么材料也没有什么影响;你会对“象”这一棋子产生什么联想,也没有影响。只要这类棋子能与其他的棋子区别开来,大小合适,开始时位于自己的固定位置,操作时只能走“田”字,不可跳过界河就可以。掌握象棋里所有棋子的行走规则,以及杀棋、输赢等规则,你就可以去下棋了,至于下棋的水平是另外一回事。其实传统计算工具的使用就有这种性质,只是现今的人类对传统计算工具操作已没有什么体验。比如使用算盘时,我们对其上木珠的操作只需条件反射地按口诀操作就可以,并不需要考虑到操作背后有什么实际意义。这种操作的机械性同样转移到了符号系统的算术上。这将带来算术的形式化。
为了更好地说明这里的观点。我们再回到算术一节里的内容(参阅“4.1算术”一节)。理解上,算术的基础是后续概念,后继是自然数间一种关系,这种关系规定了自然数的本质。后继概念加上空间的技巧形成了位置记数法。有了位置记数法,我们就可以表示任意数量(自然数范围),而不必去为每一数量单独构造一个符号,这也是不可能的。基于后继概念,也可以以递归的方式定义加法计算。位置记数法与加法是同一原理的不同表现方式。真实的过程并不是我们先理解到后继概念,然后发展出算术。实际的起源是实物计数计算实践。在这种实践中,自然数间的关系体现在对实物(象征物)的操作方式上。实物计数计算实践的有效性,潜移默化了我们的思考,我们将实物计数计算的模式向符号迁移,形成了位置记数法、自然数的加法,以至最初实用的算术。在实用的算术出现很久以后,我们才整理出后继概念,基于后继概念建立算术的公理系统。
在算术里,实物计数计算的操作模式发展为符号的规则性操作,如加法计算只需匹配套用相关的加法表,运算律,进位规则就可以进行。一般地,数学里建立起某类型的计算,主要是建立这些计算的规则,这些规则是一些等价关系的表达式,表示的是纯粹符号或表达式间的关系,无需去理解其中符号、表达式的意义,只从媒介表现出的形式就可以进行匹配与操作,即进行等价替换。此时,计算对象只是按规则操作的符号,甚至它们就是在这种操作中构造出。计算操作的机械与形式化的性质是最终符号系统可形式化的根本。符号基于操作规则而不是实际意义存在,追求简洁的表示也成为必然。不是所有的符号计算都像算术的计算一样,有实物操作的起源。说现代逻辑,形式文法等通过模仿数学来发展,主要指这些分支里也能成功建立起规则性的符号计算操作。建立基于计算的符号系统,刻画出最初所面向领域的对象及其关系。然后,更复杂的计算对象与计算类型可由简单的计算对象与计算类型构造,这是数学的一种发展方式。这种方式下所构建的系统自然地带有抽象与形式的特征。
公理系统是具体领域与逻辑结合的模式,形式化的公理系统的形成仍是基于计算—逻辑的演算。上一节我们讲解了逻辑演算与数学计算的不同,逻辑的演算更具一般性,这使公理的形式化有更好的适应性。在解析几何出现前,传统的几何没有像数学的其他分支那样,形成抽象的计算对象与计算类型,其中的对象符号仍是自然语言词汇与专用符号的混合,其系统的构建是直接应用逻辑,它的形式化也只能是在公理化基础上去追求。本书所讲到的数学主要是可构造数学这一部分,数学、科学中还存在那些不能直接构造的部分,如那些只能用反证法证明的命题,包括这样内容的学科部分,也需要直接应用逻辑。希尔伯特倡导各个数学分支都建立形式化公理系统,以此保障数学内容的可靠,这种严谨性的追求是推动数学健康发展所需的另一个方面。公理系统的形式化,将演绎的过程追溯至逻辑,这种一般化处理,有可能淡化原生系统对源问题域的对象与关系的刻画,从而使系统变得更加难以理解。
形式化脱离了自然语言的轨道,多数人并不能适应。符号系统可形式化则是一个重要的事实。首先形式化显示了领域符号使用上的闭合性(参阅“2.3符号视角下的科学—领域语言”一节)。其次,形式化、机械性的符号系统类似于一种物理系统,只是这里的物理存在是纸面上的符号,所涉及的运动是基于规则在纸面对书写符号的操作。在数学与计算工具的关系中,正是符号系统形式化、机械化的性质,让我们可以去发明各种计算工具来模拟纸面符号计算的操作。
本节及前面四节所讲述的内容,我们后面还会讲到。
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