1 + 2 + 3 + 4 + ...... = −1/12

作者: 正恩

发布日期: 2016-09-28

本文讨论了等式1 + 2 + 3 + 4 + ...... = −1/12的来源及其在数学和物理学中的应用,特别是与拉马努金和黎曼的工作相关的内容,以及在量子物理中的卡西米效应。

在Joseph Polchinski的著作《弦理论》一书中有这么一个等式:1 + 2 + 3 + 4 + ...... = −1/12。这个等式表述的是所有自然数的和。是不是有些不敢相信?将正整数无穷相加后,竟然得到了一个负数!

首先,无限个自然数相加的和并不等于−1/12。这很容易被说服:当n越来越大时,S也就越来越大。举个例子,当n=1000时,就会得到一个很大的数;当n=100,000时,得到的数也会更大。这也是数学家所说的发散至无限大。或简单的说,这个级数的和等于无限大。

那么,−1/12到底是怎么来的?这个错误的结果其实可以追溯回1913年著名的印度数学家拉马努金的工作。

拉马努金知道自己在做什么,并且他是有理由的把它写下来。当时他正在研究欧拉函数。要理解这是什么意思,首先考虑无限和,我们可以把它写成S(x) = 1 + 1/2^x + 1/3^x + ...,现在,这个和就不再发散了。如果取一序列的部分和,你最终得到的结果会无限接近(但不超过)π²/6(= 1.644934...),数学家说该和收敛至π²/6,或简单的说这个无限和等于π²/6。

现在,如果把分母中自然数的平方改成其它的幂会发生什么?只要x > 1,S(x)就会收敛至一个有限的值。S(x)被称作函数,而欧拉函数则是得名于17世纪的大数学家莱昂哈德·欧拉。欧拉计算出S(2)= π²/6的时候才28岁,他因此一举成名。

到目前为止看起来一切顺利。但是,如果取x的值小于1会发生什么?比如,x = −1?我们就回到了原点,我们知道这个无穷级数是发散的。对于所有x小于或等于1的值都会发生同样的情况:无穷级数是发散的。想要得到一个有限的值就必须使用数学中的复分析。

1859年德国的数学家波恩哈德·黎曼发表了题为“在给定大小之下的素数个数”的论文。他找到了一种方法,即使x的值小于或等于1,也会得到一个有限的值。换句话说,他定义了一个新的函数,称为ζ(x),因此对于x > 1,我们有S(x) = ζ(x)。当x ≤ 1时,函数ζ(x)被很好的定义并且有个有限的值。这个拓展的方法称作解析延拓,这个新的函数被称为黎曼ζ函数。

现在,我们有一个新的函数ζ(x),当x > 1时,它与欧拉函数S(x)相吻合。但是,当你把x ≤ 1的值代入ζ函数时,就会得到一个有限的值。把x = −1代入ζ函数,就会得到:ζ(−1) = −1/12。如果你错误的认为当x = −1时,ζ(x) = S(x),你就会(错误的)得到−1/12,这是其中一个使拉马努金的神秘表达式看起来有意义的方法。

注:在黎曼1895年发表的论文中,他提出了关于ζ(x)性质的一个猜想。黎曼的这个猜想尚未被证明,它是基础数学最重要的课题之一。大卫希尔伯特于1900年提出的23个问题,以及克雷数学研究所于2000年公布的千禧年大奖难题都收录了这一课题。想要赢取100万美金的读者赶紧对“黎曼假设”发起挑战吧!

那么这个错误的结果为什么会出现在物理教科书中?这也是事情变得有意思的地方。

如果你把一对金属板相互平行地放置在真空中,并且让它们靠近。根据经典物理,它们之间不会有任何力的作用。但是经典物理并不能解释微观世界的种种奇怪效应。这个时候你就需要量子物理,在量子世界中有许多无法用经典眼光去看待的问题。其中一个就是真空并不空,而且非常活跃,在真空中会有许多虚粒子不断地出现和消失。这个活动就会使真空存在所谓的零点能:一个物理系统所拥有的最低能量永远不为零。

当你尝试利用量子物理计算两个平行金属板之间的总能量密度时,你就需要知道无限和这个无限和也是当你把x = −3代入欧拉的ζ函数时会得到的。不幸的是,因为这个无穷级数会发散,这就意味着会有无限大的能量密度。显然,这不科学。但是,如果你厚脸皮的假设这个无穷级数等于黎曼ζ函数,而不是欧拉ζ函数,这个时候当x = −3时会得到什么?没错,你会得到一个有限的能量密度。

这意味着在平行金属板之间存在着很小的吸引力,这显然听起来也很荒谬,因为经典物理认为它们之间不存在力的作用。

卡西米效应。然而,实验是一切知识的试金石!当物理学家对此做实验的时候,的确发现平行金属板之间存在很小的力,会使平板被拉到一起,而它对应的能量密度正好等于ζ(−3)!!!这个令人惊喜的物理结果就是所谓的卡西米效应。

量子物理告诉我们能量密度必须是有限的,这很荒谬,但是实验却告诉我们如果你(错误的)把这个无限和当做ζ函数,并计算ζ(−3)的值,你就会得到正确的答案。看起来,自然似乎更喜欢这个结果。1 + 2 + 3 + 4 + ...... = −1/12的这个结果被广泛的应用在物理学当中。比如弦理论认为空间维度为25维,以及超弦理论认为空间维度为9维,都是基于这个结果从而推导出来的。

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