In the 1920's, the German mathematician David Hilbert devised a famous thought experiment to show us just how hard it is to wrap our minds around the concept of infinity. Imagine a hotel with an infinite number of rooms and a very hardworking night manager. One night, the Infinite Hotel is completely full, totally booked up with an infinite number of guests. A man walks into the hotel and asks for a room. Rather than turn him down, the night manager decides to make room for him. How? Easy, he asks the guest in room number 1 to move to room 2, the guest in room 2 to move to room 3, and so on. Every guest moves from room number "n" to room number "n+1". Since there are an infinite number of rooms, there is a new room for each existing guest. This leaves room 1 open for the new customer. The process can be repeated for any finite number of new guests. If, say, a tour bus unloads 40 new people looking for rooms, then every existing guest just moves from room number "n" to room number "n+40", thus, opening up the first 40 rooms. But now an infinitely large bus with a countably infinite number of passengers pulls up to rent rooms. countably infinite is the key. Now, the infinite bus of infinite passengers perplexes the night manager at first, but he realizes there's a way to place each new person. He asks the guest in room 1 to move to room 2. He then asks the guest in room 2 to move to room 4, the guest in room 3 to move to room 6, and so on. Each current guest moves from room number "n" to room number "2n" -- filling up only the infinite even-numbered rooms. By doing this, he has now emptied all of the infinitely many odd-numbered rooms, which are then taken by the people filing off the infinite bus. Everyone's happy and the hotel's business is booming more than ever. Well, actually, it is booming exactly the same amount as ever, banking an infinite number of dollars a night. Word spreads about this incredible hotel. People pour in from far and wide. One night, the unthinkable happens. The night manager looks outside and sees an infinite line of infinitely large buses, each with a countably infinite number of passengers. What can he do? If he cannot find rooms for them, the hotel will lose out on an infinite amount of money, and he will surely lose his job. Luckily, he remembers that around the year 300 B.C.E., Euclid proved that there is an infinite quantity of prime numbers. So, to accomplish this seemingly impossible task of finding infinite beds for infinite buses of infinite weary travelers, the night manager assigns every current guest to the first prime number, 2, raised to the power of their current room number. So, the current occupant of room number 7 goes to room number 2^7, which is room 128. The night manager then takes the people on the first of the infinite buses and assigns them to the room number of the next prime, 3, raised to the power of their seat number on the bus. So, the person in seat number 7 on the first bus goes to room number 3^7 or room number 2,187. This continues for all of the first bus. The passengers on the second bus are assigned powers of the next prime, 5. The following bus, powers of 7. Each bus follows: powers of 11, powers of 13, powers of 17, etc. Since each of these numbers only has 1 and the natural number powers of their prime number base as factors, there are no overlapping room numbers. All the buses' passengers fan out into rooms using unique room-assignment schemes based on unique prime numbers. In this way, the night manager can accommodate every passenger on every bus. Although, there will be many rooms that go unfilled, like room 6, since 6 is not a power of any prime number. Luckily, his bosses weren't very good in math, so his job is safe. The night manager's strategies are only possible because while the Infinite Hotel is certainly a logistical nightmare, it only deals with the lowest level of infinity, mainly, the countable infinity of the natural numbers, 1, 2, 3, 4, and so on. Georg Cantor called this level of infinity aleph-zero. We use natural numbers for the room numbers as well as the seat numbers on the buses. If we were dealing with higher orders of infinity, such as that of the real numbers, these structured strategies would no longer be possible as we have no way to systematically include every number. The Real Number Infinite Hotel has negative number rooms in the basement, fractional rooms, so the guy in room 1/2 always suspects he has less room than the guy in room 1. Square root rooms, like room radical 2, and room pi, where the guests expect free dessert. What self-respecting night manager would ever want to work there even for an infinite salary? But over at Hilbert's Infinite Hotel, where there's never any vacancy and always room for more, the scenarios faced by the ever-diligent and maybe too hospitable night manager serve to remind us of just how hard it is for our relatively finite minds to grasp a concept as large as infinity. Maybe you can help tackle these problems after a good night's sleep. But honestly, we might need you to change rooms at 2 a.m.
בשנות ה 20, המתמטיקאי הגרמני דייויד הילברט הגה ניסוי מחשבתי מפורסם כדי להראות כמה קשה זה להבין את מושג האינסוף. דמיינו מלון עם מספר אין סופי של חדרים ומנהל לילה מאוד חרוץ. לילה אחד, המלון האינסופי מלא לגמרי, מלא לגמרי עם מספר אין סופי של אורחים. אדם נכנס למלון ומבקש חדר. במקום לדחות אותו, מנהל הלילה מחליט ליצור מקום בשבילו. איך? בקלות, הוא מבקש מהאורח בחדר 1 לעבור לחדר 2, האורח בחדר 2 לעבור לחדר 3, וכך הלאה. כל אורח עובר מחדר מספר "n" לחדר מספר "n+1".. מאחר ויש מספר אין סופי של חדרים, יש חדר חדש לכל אורח. זה משאיר את חדר 1 פנוי ללקוח החדש. התהליך יכול לחזור על עצמו עם מספר אין סופי של אורחים חדשים. אם, נגיד, אוטובוס תיירים מגיע עם 40 אנשים שמבקשים חדרים, אז כל אורח קיים פשוט זז מחדר מספר "n" לחדר "n+40", וכך, מתפנים 40 החדרים הראשונים. אבל עכשיו מגיע אוטובוס גדול אינסופית עם מספר אין סופי בר ספירה של נוסעים שבאים לשכור חדרים. אינסוף בר ספירה זה המפתח. עכשיו, האוטובוס האין סופי מבלבל את מנהל הלילה בהתחלה, אבל הוא מבין שיש דרך למקם כל אדם חדש. הוא מבקש מהאורח בחדר 1 לעבור לחדר 2. אז הוא מבקש מהאורח בחדר 2 לעבור לחדר 4, האורח בחדר 3 לעבור לחדר 6, וכך הלאה. כל אורח זז עכשיו מחדר מספר "n" לחדר מספר "2n", וממלאים רק את החדרים הזוגיים האינסופיים. בכך, הוא רוקן עכשיו את אין סוף החדרים עם המספרים האי זוגיים, שאז נלקחים על ידי האנשים שממלאים את האוטובוס האין סופי. כולם שמחים והעסקים במלון מצליחים יותר מתמיד. ובכן, למען האמת, הם מצליחים באותו סכום כמו תמיד, ומכניסים מספר אין סופי של דולרים ללילה. השמועות מתפשטות לגבי המלון המדהים הזה. אנשים מגיעים מכל העולם. לילה אחד, הבלתי אפשרי קורה. מנהל הלילה מביט החוצה ורואה תור אין סופי של אינסוף אוטובוסים אין סופיים, כל אחד עם מספר אינסופי של אנשים שאינו ניתן לספירה. מה הוא יכול לעשות? אם הוא לא יוכל למצוא חדרים בשבילם, המלון יפסיד כמות אין סופית של כסף, והוא בוודאי יאבד את עבודתו. למרבה המזל, הוא זוכר שבסביבות השנה 300 לפני הספירה, אוקלידס הוכיח שיש כמות אינסופית של מספרים ראשוניים. אז, כדי להשיג את המטרה שנראית בלתי אפשרית של למצוא אין סוף מיטות לאין סוף אוטובוסים של אין סוף נוסעים עייפים, מנהל הלילה נותן לכל אחד מהאורחים הנוכחיים את המספר הראשוני הראשון, 2, בחזקת החדר הנוכחי שלהם. אז, האורח הנוכחי של חדר 7 עובר לחדר 7^2, שהוא חדר 128. מנהל הלילה לוקח אז את האנשים באוטובוס האין סופי הראשון ומקצה להם את מספר החדר של המספר הראשוני השני, 3, בחזקת מספר המושב שלהם באוטובוס. אז, האדם במושב מספר 7 באוטובוס הראשון הולך לחדר 7^3 שהוא חדר 2,187. זה ממשיך לכל האוטובוס הראשון. הנוסעים של האוטובוס השני מקבלים חזקות של המספר הראשוני הבא, 5. האוטובוס הבא, את החזקות של 7. כל אוטובוס לאחר מכן: חזקות של 11, חזקות של 13, חזקות של 17, וכו'. מאחר ולכל אחד מהמספרים האלה יש רק את 1 וחזקות המספרים הטבעיים של בסיסי המספרים הראשונים שלהם כחזקות, אין חדרים חופפים. כל נוסעי האוטובוסים מתפזרים לחדרים על ידי שימוש בסכמת השמת חדרים שמבוססת על מספרים ראשוניים. בדרך זו, מנהל הלילה יכול לארח כל נוסע על כל אוטובוס. למרות שיהיו הרבה חדרים ריקים, כמו חדר 6 מאחר ו 6 הוא לא חזקה של אף מספר ראשוני. למרבה המזל, הבוסים שלו לא טובים במתמטיקה, אז העבודה שלו בטוחה. אסטרטגיות מנהל הלילה אפשריות רק בגלל שבעוד המלון האין סופי הוא בהחלט סיוט לוגיסטי, הוא רק מתעסק עם הרבדים הנמוכים של האינסוף, בעיקר, האין סוף בר הספירה של המספרים הטבעיים, 1,2,3,4, וכך הלאה. גאורג קאנטור קראה לרמה הזו של אינסוף אלף-אפס. אנחנו משתמשים במספרים הראשוניים למספרי החדרים כמו גם למספרי המושבים באוטובוסים. אם היינו מתעסקים עם רמות גבוהות יותר של אינסוף, כמו זו של מספרים אמיתיים, האסטרטגיות המובנות האלו לא היו אפשריות יותר מאחר ואין לנו דרך לכלול סיסטמטית כל מספר. למלון המספרים האמיתיים האין סופי יש מספרי חדרים שליליים במרתף, חדרים חלקיים, אז האדם בחדר 1/2 תמיד חושד שיש לו פחות מקום מהאדם בחדר 1. חדרים שורשים מרובעים, כמו חדר שורש 2 וחדר פיי, שם האורחים מצפים לקינוחים חינם. איזה מנהל לילה שמכבד את עצמו אי פעם ירצה לעבוד שם אפילו עבור משכורת אין סופית? אבל במלון האין סופי של הילברט, שם לעולם אין מקום פנוי ותמיד יש מקום ליותר, המקרים שעומדים לפני מנהל הלילה התמיד מוכן ואולי מסביר פנים מדי נמצאים כדי להזכיר לנו כמה קשה זה למוחות הדי סופיים שלנו כדי להבין רעיון גדול כמו האין סוף. אולי אתם יכולים לעזור לטפל בבעיות האלו אחרי שינה טובה. אבל בכנות, אולי נצטרך אתכם להחליף חדרים ב 2 בלילה.