在量子力学上,自然数之和是负十二分之一,其物理意义是什么?有何用处?
答:全体自然数之和等于-1/12,是特殊意义下求和的数学问题,和量子力学间的联系目前科学家还没有彻底弄清楚,有点类似量子场论中的重整化问题。
在看推导过程之前,需要我们忘记一般意义的无穷级数求和规则:
初等证明过程:
令S=1+2+3+4+5+6+……;
S1=1-1+1-1+1-1+……;
1-S1=1-1+1-1+1-1+……=S1;
于是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+……=S1;
于是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
于是S=(-1/3)S2=-1/12;
既是1+2+3+4+5+6+……=-1/12;
该推导过程看似犯了很多无穷级数求和的忌讳,但这一结果在某些地方却显示出物理意义;该结果最早由大数学家欧拉发现,并记录在他的手稿当中。什么是自然数
到了19世纪,数学家黎曼提出大名鼎鼎的黎曼函数,而“全体自然数之和等于-1/12”正是黎曼函数自变量取-1的结果。
二十世纪初,印度数学家拉马努金定义“拉马努金和”,根据“拉马努金和”也可以得出“全体自然数之和等于-1/12”的结论。
在二十世纪末期,弦理论物理学家发现,“全体自然数之和等于-1/12”在研究光子质量为零时起到了关键作用,这是首次发现这一数学结果存在物理意义,但是更深层的解释还未知。
有点类似于量子场论中重整化的技巧一样,重整化指的是某些量子场论问题的发散结果,剔除无穷大之后留下来的有限值,就是正确的结果。
重整化一度被科学家们认为是“丑陋的理论”,就像把垃圾扫到地毯下边,表面干净无比,实际暗藏缺陷。
所以对于“全体自然数之和等于-1/12”和量子力学联系的结果,目前我们外行人只能持观望态度,没人说得清其中的本质原因。
艾伯菌认为:发散级数在某些地方存在物理意义,或许暗示着每一个发散级数,都存在一个特征值,这个特征值在某些场合显现出物理意义,倘若我们能制定一套规则,给每个发散级数赋予特征值,形成一套自洽的数学系统的话,那将是非常美妙的事。
我再举一个例子,文章开头我们推导出:
无穷级数S1=1-1+1-1+1-1+……=1/2;
这一结果,可以根据“阿贝尔和”或者“拉马努金和”导出,其中的物理意义也可以从量子力学中到——薛定谔的猫。
薛定谔的猫:猫活下来为“1”,猫死了为“0”,我们不打开盒子前,猫处于“生”和“死”的叠加态,就好似“1”和“-1”的无限叠加,我们不知道级数在哪截断,这就是不打开盒子前的叠加态,根据我们的求和结果是1/2,物理意义即是生和死的叠加;一旦我们打开盒子,就随机截断了无穷级数,级数前面的求和要么收敛于“1”,要么收敛于“0”,对应的就是波函数坍塌。
当然,这一结果只是艾伯菌脑洞大开的想法而已,或许经不起推敲,只希望给大家提供一种理解思路。