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解法:哥德尔与科恩:连续统假设独立于ZFC(1963年)

第 9/9 步:尾声:CH\mathrm{CH} 之后——伊斯顿定理与对新公理的探索
通俗地说

一旦数学家知道连续统的大小可以通过力迫从 ℵ1\aleph_1 移动到 ℵ2\aleph_2,一个自然的后续问题就是:2ℵ02^{\aleph_0}(或对其他基数 α\alpha 的 2ℵα2^{\aleph_\alpha})在相容意义下究竟能有多大,是否存在任何限制?在科恩之后仅仅几年,威廉·伊斯顿就证明了这种自由度极其巨大。

然而几十年后,谢拉发现故事并非处处都是完全自由的:在奇异基数(由更短的、更小基数序列构成的极限)处,隐藏的、可在ZFC中证明的约束会重新出现,这一理论被称为PCF理论——提醒我们,独立性现象无论多么引人注目,并不意味着集合论对无限基数算术已无话可说。

2ℵα can consistently be almost any regular cardinal≥ℵα+1 (Easton, 1970)2^{\aleph_\alpha} \text{ can consistently be almost any regular cardinal} \ge \aleph_{\alpha+1} \text{ (Easton, 1970)}
详细分析

伊斯顿定理(1970年)将科恩的方法推广,使连续统函数 α↦2ℵα\alpha \mapsto 2^{\aleph_\alpha}(限制在正则基数 ℵα\aleph_\alpha 上)可以被力迫取几乎任意预先指定的值,只要与目前已知的、在正则基数处唯一可在ZFC中证明的约束相容:单调性与柯尼希定理(cf(2ℵα)>ℵα\mathrm{cf}(2^{\aleph_\alpha}) > \aleph_\alpha)。这表明科恩为 ℵ0\aleph_0 发现的自由度,在精确意义上同时扩展到了每一个正则基数。

谢拉从1970年代发展到1990年代的PCF(可能共尾数)理论表明,奇异基数的表现截然不同:例如,ZFC本身就能证明,如果对每个有限的 nn 都有 2ℵn<ℵω2^{\aleph_n} < \aleph_\omega,那么 2ℵω<ℵω42^{\aleph_\omega} < \aleph_{\omega_4}——这是一个真正的、无法通过力迫规避的上界,在正则基数处没有对应物。这对“基数算术中的一切都是独立的”这种希望是一次引人注目的反驳。

寻找能够最终解决 CH\mathrm{CH} 本身的新公理,今天仍在继续:诸如适当力迫公理之类的力迫公理倾向于支持 2ℵ0=ℵ22^{\aleph_0} = \aleph_2,而休·伍丁的研究纲领(包括他的“终极 LL”项目)则探索了一些路径,根据该项目所处的不同阶段,这些路径要么支持 CH\mathrm{CH},要么支持它的强烈失败。目前并无共识,Peter Koellner 在斯坦福哲学百科全书上的综述,仍是追踪这段未完故事现状的一个很好的起点。

本步骤中的术语
奇异基数
一个无限基数如果是由更短的、更小基数序列构成的极限(例如 ℵω=sup⁡nℵn\aleph_\omega = \sup_n \aleph_n),就称为奇异基数,这与无法以这种方式达到的正则基数相对;奇异基数遵循一些正则基数所没有的、可在ZFC中证明的额外算术约束。
本步骤用到的知识