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在物理学中,为什么 1 2 3 … = −1/12

 云语禅心 2023-04-16 发布于河南

它可能是有史以来最荒谬的方程式之一:

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按照常规数学理解,它有一些明显的问题:

  • 左边的总和应该是无穷大
  • 左侧包含所有正项,右侧却包含负项
  • 左边是整数,右边却是分数

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。

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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

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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……

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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。

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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:

  • 参数化应该以相似的方式对待每一项,以便尊重物理世界的对称性
  • 参数化应该逐渐变大n以正确驯服 ∞
  • 参数化应该是可调的,以便我们可以平滑地打开/关闭并查看其效果

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:

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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:

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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!

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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?

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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!

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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。

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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

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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

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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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