它可能是有史以来最荒谬的方程式之一: ![]() 按照常规数学理解,它有一些明显的问题:
那么它怎么可能有意义呢?然而事实证明,这个方程在物理学中实际上非常有用。以下是它在物理学中的意义。 ··· 真空能当计算某种真空能量(即弦理论)时,就会发挥它的作用。在量子物理学中,能量来自各种场(即电磁场或物质场)的振动。由于真空能量与这些模式的频率成正比,我们最终得到这样的方程 ![]() 然而,由于物理学是一门科学学科,它处理的是可测量的事物。如果我们承认我们正在计算的真空能量是一个可测量的量,并且由于我们无法测量无穷大,那么答案就不可能是无穷大。于是就有了矛盾,因为求和明显发散了!所以这里是有问题的…… ··· 理解∞为了继续进行下去,我们必须承认这个等式遗漏了一些东西。 为什么?一种可能性是我们的模型尚未完成。因此,虽然我们的模型可以计算结果,但这些结果的有效性可能有限。 这类似于计算器能够将小数相乘的方式,但是当我们插入非常大的数字时,结果会变成无意义的溢出。 因此,为了理解无限结果,我们需要量化我们的无知,此步骤称为正则化。 ··· 驯服∞所以我们需要参数化我们在公式中的错误。但是这种参数化需要在物理上有意义:
在等式方面,我们引入了一个正则化项R ( n , N ),它代表了我们对物理学的无知。此正则化器应介于 1 和 0 之间,当n较大时逐渐减小。N还控制无知/正则化的数量。然后我们可以用以下形式重写我们的总和: ![]() 这有点抽象,所以让我们看一个全新一代的例子 即指数正则化: ![]() 调节exp(− n / N ) 起作用是因为当N很大时,它不会对项产生太大影响,直到我们达到非常大的n。此外,这种正则化的美妙之处在于可以精确计算总和! ![]() 现在我们可以看到将N发送到 ∞ 时的行为。如果我们忽略无限的N ² 项,我们得到 −1/12。所以当我们说 1 + 2 + 3 … = −1/12 时,我们真正的意思是除了 ∞ 之外相等。 但这感觉就像在作弊。我们怎么能忽略无穷大呢?在我们的步骤中似乎有很多歧义。当我们修改我们的公式时,我们如何保证我们得到相同的结果? ··· 唯一性幸运的是,物理学允许我们证明忽略无穷大:因为答案是可观察的,所以它必须是有限的!由于我们的理论不完整和数学能力不足,无穷大一定已经出现了。由于物理学的目标是模拟自然,我们可以在我们的理论中直接添加一个 −∞ 并接受这个过程作为我们模拟世界的方式的一部分。 数学方面呢?事实证明,我们实际上可以保证答案是唯一的,只要我们满足我们对正则化的物理驱动要求。 如果所有这些理论依据仍然显得可疑,那么物理学有一张解决争论的终极王牌:实验。可以测量由我们计算出的真空能量引起的吸引力,这里有一个示例实验论文,而且结论显示它有效! ··· 结语总之,我们看到为了理解无限的事物,我们需要接受我们的无知并纠正我们的答案。对我们来说幸运的是,有一种一致且明智的方法来纠正错误并获得有限的答案。 或许大自然正在为我们提供一些人生教训:只要我们保持谦逊和脚踏实地,总有办法让不可能的、荒谬的事情变得明智。 ··· 附录: 许多草率的文章可能会把无限和与黎曼 zeta 函数 ζ( s ) 的定义相提并论,定义为 ![]() 并简单地代入 1 + 2 + 3 + … = ζ(−1) = −1/12。虽然这得到了正确答案,但它会造成更多混乱,因为上述定义仅在s > 1(或s > 1 的实部)时才有效。更严格的计算需要复杂的分析。例如,这可以通过应用Abel 公式来完成 ![]() 所以求和转化为积分,正则化成为积分的上限。这种复杂的技巧给出了与指数正则化版本类似的答案,并且有限项可以与 ζ(2) 相关,后者通过zeta 反射恒等式与 ζ(−1) 相关。 ··· |
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