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      在量子力學上,自然數(shù)之和是負十二分之一,其物理學意義是什么?有何用處?

       老子門前走狗 2019-09-01

      答:全體自然數(shù)之和等于-1/12,是特殊意義下求和的數(shù)學問題,和量子力學間的聯(lián)系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(dǎo)過程之前,需要我們忘記一般意義的無窮級數(shù)求和規(guī)則:



      初等證明過程:

      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;


      該推導(dǎo)過程看似犯了很多無窮級數(shù)求和的忌諱,但這一結(jié)果在某些地方卻顯示出物理意義;該結(jié)果最早由大數(shù)學家歐拉發(fā)現(xiàn),并記錄在他的手稿當中。



      到了19世紀,數(shù)學家黎曼提出大名鼎鼎的黎曼函數(shù),而“全體自然數(shù)之和等于-1/12”正是黎曼函數(shù)自變量取-1的結(jié)果。



      二十世紀初,印度數(shù)學家拉馬努金定義“拉馬努金和”,根據(jù)“拉馬努金和”也可以得出“全體自然數(shù)之和等于-1/12”的結(jié)論。



      在二十世紀末期,弦理論物理學家發(fā)現(xiàn),“全體自然數(shù)之和等于-1/12”在研究光子質(zhì)量為零時起到了關(guān)鍵作用,這是首次發(fā)現(xiàn)這一數(shù)學結(jié)果存在物理意義,但是更深層的解釋還未知。


      有點類似于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(fā)散結(jié)果,剔除無窮大之后留下來的有限值,就是正確的結(jié)果。

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

      所以對于“全體自然數(shù)之和等于-1/12”和量子力學聯(lián)系的結(jié)果,目前我們外行人只能持觀望態(tài)度,沒人說得清其中的本質(zhì)原因。


      艾伯菌認為:發(fā)散級數(shù)在某些地方存在物理意義,或許暗示著每一個發(fā)散級數(shù),都存在一個特征值,這個特征值在某些場合顯現(xiàn)出物理意義,倘若我們能制定一套規(guī)則,給每個發(fā)散級數(shù)賦予特征值,形成一套自洽的數(shù)學系統(tǒng)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(dǎo)出:

      無窮級數(shù)S1=1-1+1-1+1-1+……=1/2;

      這一結(jié)果,可以根據(jù)“阿貝爾和”或者“拉馬努金和”導(dǎo)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?zhí)幱凇吧焙汀八馈钡寞B加態(tài),就好似“1”和“-1”的無限疊加,我們不知道級數(shù)在哪截斷,這就是不打開盒子前的疊加態(tài),根據(jù)我們的求和結(jié)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(shù),級數(shù)前面的求和要么收斂于“1”,要么收斂于“0”,對應(yīng)的就是波函數(shù)坍塌。

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

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