返朴，返朴，努力做好科普！ 阅读原文 前段时间收到一位热心读者的邮件。信中提到，如果认定 1-1+1-1……=1/2 为事实，就会得出 1+2+3+……=-1/12 这样难以令人理解的结论。这位读者所提及的自然数求和问题，恰巧在量子理论和弦理论中都起到颇为重要的作用。从真空的能量，到时空的维度数量，都与自然数之和有着微妙的联系。在这个小小的数学魔术里面，甚至还隐含着时空不连续的秘密。 撰文 | 董唯元 数学老师曾告诉我们，只有收敛的级数才能求解无穷项之和，然而在一些科普书中，却会遇到一个神奇的求和： 所有自然数之和怎么会是负数，而且还是个分数？这到底是人性的扭曲，还是道德的沦丧？ 把对称轴当作级数和 想要理解这个古怪的结论，我们先来看一个简单的例子：1, -1, 1, -1, ……这个序列可以求无穷项之和吗？意大利数学家格兰迪（Dom Guido Grandi，1671-1742）早在 1703 年就开始认真琢磨这个问题，可以说，这是所有发散级数求和研究的起点，这个序列后来就被命名为“格兰迪级数”。 意大利数学家格兰迪丨图源：维基百科 也许有小伙伴猜测，这个序列中 1 和 -1 的数量既然同样多，那么总和就应该等于 0。可惜这样的猜测是错误的。无穷集就像个再生能力很强的变形虫，部分与整体同样多。我们从序列中拿走任意个 1 或者 -1 之后，剩下的 1 和 -1 数量仍然相同。如果所剩下的 1 和 -1 加和为零的话，那么岂不是总的求和仅由先取出的 1 或 -1 的数量决定——也就是任意整数。这显然太不靠谱了，看来压根不能依靠比较 1 和 -1 的数量来求和。 还有个办法，就是借助收敛的级数寻找线索。我们知道，在|q|<1 时， 现在我们粗暴地让 q=-1，于是就出现了 这个结果似乎还能令人接受，可是，q=-1 毕竟是个“不合法”的条件，我们需要更合理的途径来安抚内心的不安。如果把这个级数的前 n 项和记做 A(n)，我们现在动手来求 A(∞)。 哈！根据这个等式，我们又一次得到了 A(∞)=½ 的结果。这回貌似没有明显违法的地方了，警察来了也不怕。可是，总还是感觉哪里不对。 A(1)=1 A(2)=1-1=0 A(3)=1-1+1=1 … 可以看出 A(n)在 1 和 0 之间来回跳动，按照极限的定义， 这个极限不存在。当我们写下A(∞)这个符号时，它究竟指代什么，还没有清楚的定义。其实这也是发散级数求和的基础问题：如何定义发散级数的和。 相关的定义不止一种。大体来说，主要有切萨罗求和与阿贝尔求和两类，另外拉马努金和黎曼等人也发展出许多更一般性的理论，中间还掺有源自欧拉的诸多贡献。那些数学语言虽严格，但催眠和劝退的副作用也不小，所以本文不打算纠结于那些从集合论谈起的基础定义，只使用非常“物理”的视角来定义： A(∞)表示所有A(n)的平均值。 以“平均值”定义的求和方式，使许多发散级数都可以进行求和。例如 1-2+3-4… 这个级数，也可以用同样的方法直接用眼睛瞪出结果。我们用 B(n)表示前 n 项和，即 ，那么 B(0)=0 B(1)=1 B(2)=1-2=-1 B(3)=1-2+3=2 … 把这些 B(n)所对应的点画在图上之后，完全不需要动笔计算，用眼睛就可以直接看出所有 B(n)的平均值是 1/4。 如果只看图还不放心，我们也可以借助前面 A(∞)=½ 的结论来推算 B(∞)： 稍微调整等式右边的计算顺序，先让前面括号内第 n 项减去后面括号内第 n 项，然后再做加和。 即 A(∞)-B(∞)=B(∞) 所以 B(∞)=½A(∞)=¼ 把自然数之和变成 -1/12 的魔术 当然，画出点来再用眼睛直接瞪出结果的方法，有时候也需要一些技巧。就以全体自然数之和为例，我们同样地令 C(n)代表前 n 项和 麻烦出现了！显然 C(n)对应的点都分布在一根上扬的抛物线上，没办法直接看出平均值，而且看起来压根就不存在有限的平均值！别急，我们可以继续变形。 这样我们就把每个 C(n)对应的点，都拆成上式中绿色项和紫色项所对应的两个“半点”分别画出来，居然又可以凑成两条对称的曲线。 当我们把无限个“半点”都辛苦画完之后。就可以指着两根曲线中间的对称轴宣布： 因为所有 C(n)的平均值就等于所有“半点”的平均值，而两根曲线上的“半点”分布完全对称，只在绿色曲线的开头位置差了一个无关紧要的 0。 除了看图猜值，我们也可以借助刚才的 B(∞)=¼ 那个结果，再来计算一遍 C(∞)。 调整顺序后 于是得到 所以 其实，能够得到 -1/12 这个结果的途径还有许多。例如神奇的 Zeta 函数 这个以复数 s 为变量的函数，因著名的黎曼猜想及其与数论的紧密联系而被反复研究。数学家们可以写出这个函数的许多种变化形式，其中一种解析延拓到全部复平面的形式是 用这个形式也可以计算出 既然经过这么多五花八门的方式，都殊途同归到 -1/12 这个结果，我们是不是可以把 1+2+3+…=-1/12 这个式子堂而皇之地写进中学课本中呢？相信许多人会跟我一样，对此仍惶恐不安。因为在前述所有推演过程中，都埋藏着一个颇为隐蔽的问题，那就是等号的意义。将 或 直接写成 似乎理所当然，但其实两个式子中，前面的“=”代表的是“定义为”，而不是量值相等。所以，更清楚的写法应该是 和 这样就能看出，-1/12 这个数值，并不像 1+1=2 那样自然天成理所应当，而是需要事先假定“全体自然数之和是一个确定的数”，然后再精心挑选出一个逻辑自洽性最好的数值，指定其为全体自然数之和。只不过当逻辑自洽性和直觉发生明显冲突的时候，我们都会感觉惊诧，这在数学发展的道路上已经不是什么新鲜事了。 伸向无穷大的剪刀 前面的讨论中，我们直接无视了数学极限概念，粗暴地使用平均值当做发散级数的和。现在让我们重新捡起极限概念，从另一个角度看看 -1/12 是怎么跑出来的。 对 C(n) 这个发散级数，我们可以引入某个剪刀函数 f(x) 来压制那些趋向无穷大的项，从而使发散的趋势在某个特定的位置 N 附近停下来，并最终收敛到某个极限 S(N)。这样我们就用标准的极限概念构造出一个 S(N)，当 N 有限时，S(N)是个有限值，而当 N 趋于无穷大时，S(N)就对应着全体自然数之和。 通过数值计算，我们发现 S(N)随着 N 的增加而奔向正无穷。这倒是符合我们先前的直觉了，可是说好的 -1/12 呢？别急，我们再把 S(N)用 1/N 展开看看。我们发现 S(N)在大 N 的数值结果，可以被下面的展开式很好的拟合 哈！居然又看到了这个 -1/12，它是 S(N)展开式中的常数项。也就是说，在 S(N)中与 N 的变化无关的成分，就是 -1/12。当 N 足够大时，那些含 1/N 的项都可以忽略，S(N)可以被看做一根最低点在 -1/12 处的抛物线。 我们再取剪刀函数 f(x)=e-x 试试。此时 这个求和可以严格计算出来。我们先对下面的等式两边求β的导数 可以得到 同样在大 N 条件下做 1/N 展开，就得到 取β=1 就得到 同样也出现了常数项 -1/12，而且也是根下垂到 -1/12 处的抛物线 如果 f(x) 直接取为跳变函数，也就是在 n=N 处突然截断，那么 就不会有 -1/12 这个常数项。 看起来，除了跳变函数的突然截断，其他平滑的截断方式都能得到 这个有趣的结果。这似乎是告诉我们，全体自然数之和即使注定无法摆脱走向无穷大的宿命，却出于某种神秘的理由一直对 -1/12 情有独衷。亦或可以说， 发散项只是平庸无奇的底色，而 -1/12 才是刻写在底色上的性格内核。 真空的能量 站在实用的视角来说，我们有时候需要像使用收敛级数一样处理自然数之和，所以就不得不找到某个确定的“缰绳”来驾驭。比如在研究真空能量的时候，物理学家就遇到了全体自然数之和，而且非常希望这个和是个确定的数。 在量子场论的理论模型中，真空就像一张立体弹簧网，由无数小弹簧横纵交织而成。而所谓粒子，就是其中某些小弹簧的振动足够剧烈，以至于远远望去以为弹簧网中出现了什么异物似的，但只要凑到近处就会看出，那里除了振动本身别无他物。也就是说，粒子本质上就是真空的振动。因此，当能量变化时，粒子的数量不必受任何守恒律的约束，可以凭空增加或者减少。不过，粒子能否产生或消失却与小弹簧的振动频率有关。在振动频率为ω时，粒子数 n 与场的能量 E 之间存在这样的关系： 从关系式可以看出，真空每攒够一份ћω大小的能量，就会产生出一个粒子；反之每减少一份就会擦除一个粒子。或者干脆说，每个粒子其实就是个ћω大小的能量包。有趣的是 n=0 时，它对应着真空里没有粒子的情况，此时能量是½ћω。也就是说，当真空的能量低到不能再低的时候，能量仍然不是 0，这就是真空零点能。下面我们来具体计算一个有限空间内的真空能量，看看它与全体自然数求和到底是什么关系。 我们知道，两端固定的弹簧上只能存在驻波，即波长的整数倍恰好等于两端距离的波，因为只有这种波在来回反射过程中可以维持能量，其他形式的波都会自我消减。导体对于电磁场也有一模一样的作用。在距离为 L 的两块金属板之间，只能存在波长恰好为 λn=L/n 的电磁波，其中 n 是正整数。每个这样的电磁波频率为 将所有频率的零点能累加起来，真空中总能量就是 瞧，自然数之和 就这样出现了，现在你应该能够理解，物理学家们是多么希望 是个确定数值了吧。更有意思的是，如果姑且憨憨地认为自然数之和就是 -1/12 的话，我们甚至可以设计一个物理实验来验证这个结论。 如下图这样放置三块相互平行的金属板，使甲乙之间距离为 a，乙丙之间距离为 b。 根据刚才的结论，我们知道甲乙之间的真空能量是 乙丙之间的真空能量是 现在我们想知道，当 a＜b 时，中间位置的金属板乙会受到哪个方向的力。根据能量对位置的偏导可以求解受力情况。结果发现：如果 的话，金属板乙会受到一个向右的力；反之则受到向左的力。 其实，实验装置还可以进一步简化，我们可以把最右边的丙拿到无穷远处，只留下甲和乙，然后测量甲乙之间是吸引还是排斥，如果相互排斥，就说明 ，反之则说明 。 这个实验设想最早由荷兰物理学家卡西米尔（Hendrik Casimir，1909-2000）在 1948 年提出，当然提出实验的目的才不是测量自然数之和，而是为了验证真空零点能的存在。事实上，卡西米尔当年在提出这个实验的时候，就已经预言两金属板之间相互吸引，也就是对应 的情况，因为他的理论推算过程已然采用了解析延拓后的黎曼 Zeta 函数。1996 年，华盛顿大学的 Lamoreaux 用实验证实了卡西米尔效应的存在，论文发表在 1997 年 1 月的《物理评论快报》（PRL）上。 需要澄清的是，卡西米尔效应的实验证实，只能说明真空零点能的存在，但是并不能真的用来验证数学意义上的所有自然数之和。其实，现实中的金属板只能阻拦有限频率范围内的电磁波，当频率大过某个数值时，金属板就无法阻拦这种极高频率的波。所以从更精确的角度计算卡西米尔效应时，需要考虑这种高频截断。不过具体计算会用到欧拉 - 麦克劳林公式和伯努利数这些催眠的内容，本文就不再涉及了。 下面我们转到弦理论，看看所有自然数之和是如何与维度的数量产生关系的。 时空的纬度 前面提到，两端固定的一根弹簧之上只能存在驻波，所有振动频率只能是最低频率的整数倍。对一根两端完全自由的弦来说，结论同样成立。两端固定意味着端点速度为零，而两端自由则意味着端点的加速度为零。二者之间的差别，无非就是傅里叶分解时该写成 还是 而已。也就是说，长度为 L 的弦，肯定有个像自然数序列一样的离散频率谱 。 另外，弦理论中的量子化方式与量子场论所使用的技术手段如出一辙，所以同样存在 关系。这意味着能量最低的弦并不是完全静止，而是具有 的能量，而且在每一个可以振动的维度上，都有这些能量。 注意，仅具有最低能量的弦不会被当做粒子看待，只能被视为真空。表现为一个光子的弦，至少需要高出基态能量一份大小ћω1 的能量。这份能量在一个空间维度上以光速传播，就是一个光子。根据相对论，在这个光子传播的维度上，不再具有振动的自由度，而剩下的空间维度里，弦都还具有基态能量。 假设空间维度数是 d，那么一个被激发成光子的弦所具有的最低总能量就是 注意到 ωn=nω1 ，这个光子的总能量就变成了 妥妥的又出现了 。 相对论告诉我们，光子的最低能量应该是零，所以跟相对论兼容的弦理论必须满足 推演到这里，我们就要祭出 这个大招，求解出 d=25，也就是空间维数必须是 25 维，加上时间，总共 26 维时空。 在超弦理论中，由于超对称因素的引入，弦的基态能量提升为 3 倍，光子能量约束条件变成了 由此求出 d=9，加上一个时间维度，总共凑成 10 维的时空。 以上就是玻色弦理论要求 25+1 维时空，以及超弦理论要求 9+1 维时空的故事梗概，希望读者能借助这些实例，对自然数之和在物理中的作用建立一些具像理解。 离散的时空 为了保持话题的收敛性，前文论述中刻意略过了许多有趣的细节。例如在弦的基态振动模式中，如果存在 的成分，那么必然有 ，这就意味着仅在弦的一个振动模式里，就包含了无穷大的能量。同样的，真空零点能的计算中，也会不可避免地含有能量无穷大的成分。这显然都太不合适，我们的理论模型需要有个边界，来防止这种在极高频率方向“紫外灾难”的发生。 之所以能产生无限大的频率，就是因为我们允许存在无限小的波长。那么自然就会意识到，可以消除“紫外灾难”的理论模型中，空间必然存在有限的最小尺度。更直白地说，就是空间不可能是连续的舞台，而必须是离散的梅花桩。这个最小尺度究竟是多少呢？一个天然的候选者，当然就是普朗克长度。 如果某个粒子的波长比普朗克长度还要短，那么这个粒子就会由于具备了太高的能量而把自己就地变成黑洞，而且这个黑洞所覆盖的区域又会超出普朗克长度。于是，普朗克长度就成了现有理论中最为自然的时空基本像素。 于是，先前的 就变成了 我们发现，甲乙板间的能量 Ea 分为两部分，其中一部分与 Na 呈正比，另一部分则呈反比。乙丙板间的能量 Eb 也是同样情况。 显然，呈正比的那部分能量，在乙板左右产生的作用力始终相互抵消，只有第二部分呈反比的能量，才对乙板产生了作用力。由此可见，卡西米尔效应是在两个巨大的首项恰好相互抵消之后，在第二项上显现出的效应，所以这种力异常微弱，只有把两个面积达平方米量级的金属板靠近到微米距离时，才能产生可供测量的吸引力。 现在我们才算真正解释了卡西米尔效应与自然数之和的关系，如果未来再遇到有民科企图用这个实验来证明自然数之和是个负数，尽可以毫不犹豫地送他一个白眼。 阅读原文
