所有自然数之和是多少?
当我们开始学加法时,1+2=3,1+2+3=6,1+2+3+4=10——这些有限的和像台阶一样清晰,每一步都踩着“更多”的方向。可如果把台阶限延伸呢?1+2+3+4+…,所有自然数加起来,会得到什么?直觉会脱口而出:穷大。毕竟自然数没有尽头,加得越多,结果只会越跑越远,远到没有边界。但1913年,一位二十岁的印度青年在给英国数学家哈代的信里,写了个匪夷所思的答案:-1/12。
这个叫拉马努金的年轻人没有发疯。他用三个简单的级数玩了场“数学魔术”。首先是格兰迪级数:1-1+1-1+…,这个来回摆动的级数像钟摆,常规加法下它既不是0也不是1,但数学家们给了它一个“平均”的结果——1/2。接着是S₂=1-2+3-4+…,拉马努金用代数技巧把它和格兰迪级数绑在一起:S₂ + S₂ = 1 - (2-1) + (3-2) - (4-3) +…,也就是1-1+1-1+…=1/2,所以S₂=1/4。
接下来是关键:设所有自然数之和为S=1+2+3+4+…。拉马努金用S减去S₂,得到S - S₂ = (1-1)+(2+2)+(3-3)+(4+4)+…?不对,其实更准确的是,S - S₂ = (1-1) + (2+2) + (3-3) + (4+4) +…?不,应该是逐项相减:1-1=0,2-(-2)=4,3-3=0,4-(-4)=8,5-5=0,6-(-6)=12……哦,不对,正确的计算是S - S₂ = (1+2+3+4+…) - (1-2+3-4+…) = (1-1)+(2+2)+(3-3)+(4+4)+…?不,等一下,其实是S - S₂ = [1 - 1] + [2 - (-2)] + [3 - 3] + [4 - (-4)] + … = 0 + 4 + 0 + 8 + 0 + 12 + … = 4×(1+2+3+…) = 4S。对,就是这样!因为S - S₂ = 4S,而S₂=1/4,所以代入得S - 1/4 = 4S,移项后-1/4=3S,所以S=-1/12。
这个推导像变戏法,可它不是儿戏。几十年后,物理学家在弦理论里发现,这个负数居然是计算弦振动模式的关键——如果没有-1/12,弦的质量会变成穷大,整个理论都会崩塌。甚至在计算黑洞熵、卡西米尔效应时,这个“荒谬”的结果都在悄悄发挥作用:两个金属板之间的真空能量,居然要用所有自然数之和来算,而-1/12刚好让能量变成有限的、可测量的数值。
我们当然可以说,这不是“真正的和”——常规加法里,限个自然数加起来确实是穷大。但拉马努金的魔法背后,是数学对“穷”的重新定义:当级数发散时,我们需要给它一个“正则化”的结果,让它在特定框架里有用。就像我们不会因为“整数没有平方根”就放弃虚数,也不会因为“穷级数发散”就拒绝-1/12——它是一把钥匙,能打开物理世界的隐秘门扉。
所以,所有自然数之和是多少?答案取决于你站在哪个窗口看问题:
- 从小学算术的窗口看,是穷大;
- 从拉马努金的窗口看,是-1/12;
- 从物理学家的窗口看,是让宇宙规律自洽的那串密码。
我们不需要强迫自己接受“1+2+3+…=-1/12”是常识,就像不需要强迫自己用虚数买苹果。但我们可以惊讶:原来穷不是终点,而是一个需要重新粉刷的房间——你给它刷上什么颜色,它就会在那个语境里,变成什么模样。
当有人问“所有自然数之和是多少”时,最有趣的答案不是“穷大”,也不是“-1/12”,而是:“你想让它是什么?”——数学从来不是刻在石头上的定律,而是人类用来理世界的工具,而工具的意义,永远在于使用它的人。
