在量子力學上,自然數之和是負十二分之一,其物理學意義是什麼?有何用處?

興趣地


答:全體自然數之和等於-1/12,是特殊意義下求和的數學問題,和量子力學間的聯繫目前科學家還沒有徹底弄清楚,有點類似量子場論中的重整化問題。


在看推導過程之前,需要我們忘記一般意義的無窮級數求和規則:



初等證明過程:

令S=1+2+3+4+5+6+……;

S1=1+1-1+1-1+1-1+……;

1-S1=1+1-1+1-1+1-1+……=S1;

於是S1=1/2;

再令S2=1-2+3-4+5-6+7-……;

2S2=(1-2+3-4+5-6+7-……)+(0+1-2+3-4+5-6+7-……);

=1+1-1+1-1+1-1+……=S1;

於是S2=S1/2=1/4;

S-S2=(1+2+3+4+5+6+……)-(1-2+3-4+5-6+7-……)

=0+4+0+8+0+12+0+……=4(1+2+3+4+5+6+……)=4S

於是S=(-1/3)S2=-1/12;

既是1+2+3+4+5+6+……=-1/12;


該推導過程看似犯了很多無窮級數求和的忌諱,但這一結果在某些地方卻顯示出物理意義;該結果最早由大數學家歐拉發現,並記錄在他的手稿當中。



到了19世紀,數學家黎曼提出大名鼎鼎的黎曼函數,而“全體自然數之和等於-1/12”正是黎曼函數自變量取-1的結果。



二十世紀初,印度數學家拉馬努金定義“拉馬努金和”,根據“拉馬努金和”也可以得出“全體自然數之和等於-1/12”的結論。



在二十世紀末期,弦理論物理學家發現,“全體自然數之和等於-1/12”在研究光子質量為零時起到了關鍵作用,這是首次發現這一數學結果存在物理意義,但是更深層的解釋還未知。


有點類似於量子場論中重整化的技巧一樣,重整化指的是某些量子場論問題的發散結果,剔除無窮大之後留下來的有限值,就是正確的結果。

重整化一度被科學家們認為是“醜陋的理論”,就像把垃圾掃到地毯下邊,表面乾淨無比,實際暗藏缺陷。

所以對於“全體自然數之和等於-1/12”和量子力學聯繫的結果,目前我們外行人只能持觀望態度,沒人說得清其中的本質原因。


艾伯菌認為:發散級數在某些地方存在物理意義,或許暗示著每一個發散級數,都存在一個特徵值,這個特徵值在某些場合顯現出物理意義,倘若我們能制定一套規則,給每個發散級數賦予特徵值,形成一套自洽的數學系統的話,那將是非常美妙的事。




我再舉一個例子,文章開頭我們推導出:

無窮級數S1=1+1-1+1-1+1-1+……=1/2;

這一結果,可以根據“阿貝爾和”或者“拉馬努金和”導出,其中的物理意義也可以從量子力學中找到——薛定諤的貓。



薛定諤的貓:貓活下來為“1”,貓死了為“0”,我們不打開盒子前,貓處於“生”和“死”的疊加態,就好似“1”和“-1”的無限疊加,我們不知道級數在哪截斷,這就是不打開盒子前的疊加態,根據我們的求和結果是1/2,物理意義即是生和死的疊加;一旦我們打開盒子,就隨機截斷了無窮級數,級數前面的求和要麼收斂於“1”,要麼收斂於“0”,對應的就是波函數坍塌。

當然,這一結果只是艾伯菌腦洞大開的想法而已,或許經不起推敲,只希望給大家提供一種理解思路。


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艾伯史密斯


這是一個很專業也很嚴肅的數學問題,不過普通讀者很容易被誤導而理解錯誤。

1-1+1-1+1…=1/2 (R)

1+2+3+4+…=-1/12 (R)

1²+2²+3²+…=0 (R)

稍有數學基礎特別是有微積分知識的人都會被上述公式搞糊塗。這是因為你沒注意等式後面都有一個“(R)”,這並不是常規意義的“求和”,而是一種“抽象和”,即“拉馬努金和”(Ramanujin Summation)。是由著名的印度天才數學家拉馬努金提出來的,代表了發散數列的一種“數學性質”。

上述數列在常規意義下都是發散數列,根據微積分的原理,無法求和。但拉馬努金認為這種數列仍有其意義。

拉馬努金考慮將這些發散數列連續化,從求和式中剔除該連續化函數的積分。這就是拉馬努金和,表示的是離散數列和其連續形式之間的差別。因為剔除了發散的積分部分,所以許多發散數列存在有限的拉馬努金和。

這是一個相當專業的數學領域,在現代理論物理比如弦論裡也有應用。對於普通人來說只需要記住這不是“普通的求和”。


帖木兒


b站上有完整的證明視頻,有興趣的朋友可以搜一下。

整個視頻實際是用數學開了個玩笑

第一、切薩羅求和法也叫平均收斂,有這種算法,但不是那麼用的

第二、級數求極限不能隨意改變項的位置和順序

數學分析中級數的求和定義與一般級數不一樣,這是為了解決一些物理問題提出來的,這個結果應用於物理學上的特定場景


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