Infinity Is a Beautiful Concept – And It’s Ruining Physics

I was seduced by infinity at an early age. Georg Cantor’s diagonality proof that some infinities are bigger than others mesmerized me, and his infinite hierarchy of infinities blew my mind. The assumption that something truly infinite exists in nature underlies every physics course I’ve ever taught at MIT—and, indeed, all of modern physics. But it’s an untested assumption, which begs the question: Is it actually true?

A Crisis in Physics

There are in fact two separate assumptions: “infinitely big” and “infinitely small.” By infinitely big, I mean that space can have infinite volume, that time can continue forever, and that there can be infinitely many physical objects. By infinitely small, I mean the continuum—the idea that even a liter of space contains an infinite number of points, that space can be stretched out indefinitely without anything bad happening, and that there are quantities in nature that can vary continuously.

The two assumptions are closely related, because inflation, the most popular explanation of our Big Bang, can create an infinite volume by stretching continuous space indefinitely. The theory of inflation has been spectacularly successful and is a leading contender for a Nobel Prize. It explains how a subatomic speck of matter transformed into a massive Big Bang, creating a huge, flat, uniform universe, with tiny density fluctuations that eventually grew into today’s galaxies and cosmic large-scale structure—all in beautiful agreement with precision measurements from experiments such as the Planck and the BICEP2 experiments. But by predicting that space isn’t just big but truly infinite, inflation has also brought about the so-called measure problem, which I view as the greatest crisis facing modern physics.

Physics is all about predicting the future from the past, but inflation seems to sabotage this. When we try to predict the probability that something particular will happen, inflation always gives the same useless answer: infinity divided by infinity. The problem is that whatever experiment you make, inflation predicts there will be infinitely many copies of you, far away in our infinite space, obtaining each physically possible outcome; and despite years of teeth-grinding in the cosmology community, no consensus has emerged on how to extract sensible answers from these infinities. So, strictly speaking, we physicists can no longer predict anything at all!

This means that today’s best theories need a major shakeup by retiring an incorrect assumption. Which one? Here’s my prime suspect: ∞.

Infinity Doesn’t Exist

A rubber band can’t be stretched indefinitely, because although it seems smooth and continuous, that’s merely a convenient approximation. It’s really made of atoms, and if you stretch it too far, it snaps. If we similarly retire the idea that space itself is an infinitely stretchy continuum, then a big snap of sorts stops inflation from producing an infinitely big space and the measure problem goes away. Without the infinitely small, inflation can’t make the infinitely big, so you get rid of both infinities in one fell swoop—together with many other problems plaguing modern physics, such as infinitely dense black-hole singularities and infinities popping up when we try to quantize gravity.

In the past, many venerable mathematicians were skeptical of infinity and the continuum. The legendary Carl Friedrich Gauss denied that anything infinite really exists, saying “Infinity is merely a way of speaking” and “I protest against the use of infinite magnitude as something completed, which is never permissible in mathematics.” In the past century, however, infinity has become mathematically mainstream, and most physicists and mathematicians have become so enamored with infinity that they rarely question it. Why? Basically, because infinity is an extremely convenient approximation for which we haven’t discovered convenient alternatives.

Consider, for example, the air in front of you. Keeping track of the positions and speeds of octillions of atoms would be hopelessly complicated. But if you ignore the fact that air is made of atoms and instead approximate it as a continuum—a smooth substance that has a density, pressure, and velocity at each point—you’ll find that this idealized air obeys a beautifully simple equation explaining almost everything we care about: how to build airplanes, how we hear them with sound waves, how to make weather forecasts, and so forth. Yet despite all that convenience, air of course isn’t truly continuous. I think it’s the same way for space, time, and all the other building blocks of our physical world.

We Don’t Need the Infinite

Let’s face it: Despite their seductive allure, we have no direct observational evidence for either the infinitely big or the infinitely small. We speak of infinite volumes with infinitely many planets, but our observable universe contains only about 10⁸⁹ objects (mostly photons). If space is a true continuum, then to describe even something as simple as the distance between two points requires an infinite amount of information, specified by a number with infinitely many decimal places. In practice, we physicists have never managed to measure anything to more than about seventeen decimal places. Yet real numbers, with their infinitely many decimals, have infested almost every nook and cranny of physics, from the strengths of electromagnetic fields to the wave functions of quantum mechanics. We describe even a single bit of quantum information (qubit) using two real numbers involving infinitely many decimals.

Not only do we lack evidence for the infinite but we don’t need the infinite to do physics. Our best computer simulations, accurately describing everything from the formation of galaxies to tomorrow’s weather to the masses of elementary particles, use only finite computer resources by treating everything as finite. So if we can do without infinity to figure out what happens next, surely nature can, too—in a way that’s more deep and elegant than the hacks we use for our computer simulations.

Our challenge as physicists is to discover this elegant way and the infinity-free equations describing it—the true laws of physics. To start this search in earnest, we need to question infinity. I’m betting that we also need to let go of it.http://blogs.discovermagazine.com/crux/2015/02/20/infinity-ruining-physics/#.V_N79uCLSM8

再生核研究所声明２３２（2015.5.26）無限大とは何か、無限遠点とは何か。―　驚嘆すべきゼロ除算の結果

まず、ウィキペディアで無限大、無限遠点、立体射影：　語句を確認して置こう：

無限大 ：記号∞ （アーベルなどはこれを 1 / 0 のように表記していた）で表す。 大雑把に言えば、いかなる数よりも大きいさまを表すものであるが、より明確な意味付けは文脈により様々である。例えば、どの実数よりも大きな（実数の範疇からはずれた）ある特定の“数”と捉えられることもある（超準解析や集合の基数など）し、ある変量がどの実数よりも大きくなるということを表すのに用いられることもある（極限など）。無限大をある種の数と捉える場合でも、それに適用される計算規則の体系は1つだけではない。実数の拡張としての無限大には ∞ (+∞) と −∞ がある。大小関係を定義できない複素数には無限大の概念はないが、類似の概念として無限遠点を考えることができる。また、計算機上ではたとえば∞+iのような数を扱えるものも多い。

無限遠点 ： ユークリッド空間で平行に走る線が、交差するとされる空間外の点あるいは拡張された空間における無限遠の点。平行な直線のクラスごとに1つの無限遠点があるとする場合は射影空間が得られる。この場合、無限遠点の全体は1つの超平面（無限遠直線、無限遠平面 etc.）を構成する。また全体でただ1つの無限遠点があるとする場合は（超）球面が得られる。複素平面に1つの無限遠点 ∞ を追加して得られるリーマン球面は理論上きわめて重要である。無限遠点をつけ加えてえられる射影空間や超球面はいずれもコンパクトになる。

立体射影：　数学的な定義

·         

·         単位球の北極から z = 0 の平面への立体射影を表した断面図。P の像がP ' である。

·         冒頭のように、数学ではステレオ投影の事を写像として立体射影と呼ぶので、この節では立体射影と呼ぶ。 この節では、単位球を北極から赤道を通る平面に投影する場合を扱う。その他の場合はあとの節で扱う。

·         3次元空間 R³ 内の単位球面は、x² + y² + z² = 1 と表すことができる。ここで、点 N = (0, 0, 1) を"北極"とし、M は球面の残りの部分とする。平面 z = 0 は球の中心を通る。"赤道"はこの平面と、この球面の交線である。

·         M 上のあらゆる点 P に対して、N と P を通る唯一の直線が存在し、その直線が平面z = 0 に一点 P ' で交わる。Pの立体射影による像は、その平面上のその点P ' であると定義する。

無限大とは何だろうか。　図で、xの正方向を例えば考えてみよう。　０、１、２、３、、、などの正の整数を簡単に考えると、　どんな大きな数（正の) n　に対しても　より大きな数n + 1　が　考えられるから、正の数には　最も大きな数は存在せず、　幾らでも大きな数が存在する。限りなく大きな数が存在することになる。　そうすると無限大とは何だろうか。　普通の意味で数でないことは明らかである。　よく記号∞や記号＋∞で表されるが、明確な定義をしないで、それらの演算、２　ｘ∞、∞＋∞、∞-∞、∞x∞,∞/∞ 等は考えるべきではない。無限大は普通の数ではない。　無限大は、極限を考えるときに有効な自然な、明確な概念、考えである。　幾らでも大きくなるときに　無限大の記号を用いる、例えばxが　どんどん大きくなる時、　x^2 (xの２乗)は　無限大に近づく、無限大である、無限に発散すると表現して、lim_{x \to +\infty}  x＾２ =＋∞　と表す。　記号の意味はxが　限りなく大きくなるとき、x　の２乗も限りなく大きくなるという意味である。 無限大は決まった数ではなくて、どんどん限りなく　大きくなっていく　状況　を表している。

さて、図で、　x が正の方向で　どんどん大きくなると、　すなわち、図で、P　ダッシュが　どんどん右方向に進むとき、図の対応で、Pがどんどん、　Nに近づくことが分かるだろう。

x軸全体は　円周の１点Nを除いた部分と、　１対１に対応することが分かる。　すなわち、直線上のどんな点も、円周上の１点が対応し、逆に、円周の１点Nを除いた部分　のどんな点に対しても、直線上の１点が対応する。

面白いことは、正の方向に行っても、負の方向に行っても原点からどんどん遠ざかれば、円周上では　Nの１点にきちんと近づいていることである。双方の無限の彼方が、N　の１点に近づいていることである。

この状況は、z平面の原点を通る全ての直線についても言えるから、平面全体は球面全体からNを除いた球面に　１対１にちょうど写っていることが分かる。

そこで、平面上のあらゆる方向に行った先が存在するとして 想像上の点　を考え、その点に球面上の点　Nを対応させる。　すると、平面にこの想像上の点を加えた拡張平面は　球面全体　（リーマン球面と称する）　と１対１に　対応する。この点が　無限遠点で符号のつかない　∞　で　表す。　このようにして、無限を見ることが、捉えることができたとして、喜びが湧いてくるのではないだろうか。　実際、これが１００年を越えて、複素解析学で考えられてきた無限遠点で　美しい理論体系を形作ってきた。

しかしながら、無限遠点は　依然として、数であるとは言えない。人為的に無限遠点に　代数的な構造を定義しても、人為的な感じは免れず、形式的、便宜的なもので、普通の数としては考えられないと言える。

ところが、ゼロ除算の結果は、1 / 0　はゼロであるというのであるから、これは、上記で何を意味するであろうか。基本的な関数　W＝1/z の対応は、z =0　以外は１対１、z =0　は　W=0　に写り、全平面を全平面に１対１に写している。　ゼロ除算には無限遠点は存在せず、　上記　立体射影で、　Nの点が突然、0　に対応していることを示している。　平面上で原点から、どんどん遠ざかれば、　どんどんNに近づくが、ちょうどN　に対応する点では、　突然、0　である。

この現象こそ、ゼロ除算の新規な神秘性である。

上記引用で、記号∞ （アーベルなどはこれを 1 / 0 のように表記していた）、オイラーもゼロ除算は　極限の概念を用いて、無限と理解していたとして、天才　オイラーの間違いとして指摘されている。

ゼロ除算は、極限の概念を用いて得られるのではなくて、純粋数学の理論の帰結として得られた結果であり、世の不連続性の現象を表しているとして新規な現象の研究を進めている。

ここで、無限大について、空間的に考えたが、個数の概念で、無限とは概念が異なることに注意して置きたい。　１０個、１００個、無限個という場合の無限は異なる考えである。自然数１，２，３、、、等は無限個存在すると表現する。驚嘆すべきことは、無限個における無限には、幾らでも大きな無限が存在することである。　例えば、自然数の無限は最も小さな無限で、１ｃｍ　の長さの線分にも、１ｍの長さの線分にも同数の点（数、実数）が存在して、自然数全体よりは　大きな無限である。点の長さはゼロであるが、点の集まりである１ｃｍの線分には長さがあるのは、線分には点の個数が、それこそ目もくらむほどの多くの点があり、長さゼロの点をそれほど沢山集めると，正の長さが出てくるほどの無限である。

以　上

世界中で、ゼロ除算は　不可能　か　

可能とすれば　∞　　だと考えられていたが・・・

しかし、ゼロ除算　はいつでも可能で、解は　いつでも０であるという意外な結果が得られた。

再生核研究所声明２３６（2015.６.18）ゼロ除算の自明さ、実現と無限遠点の空虚さ

（２０１５．６．１４．０７：４０　頃、食後の散歩中、突然考えが、全体の構想が閃いたものである。）

２０１５年３月２３日、明治大学における日本数学会講演方針（メモ：公開）の中で、次のように述べた：　ゼロ除算の本質的な解明とは、Aristotélēs　の世界観、universe　は連続である　を否定して、　強力な不連続性を　universe　の自然な現象として受け入れられることである。数学では、その強力な不連続性を自然なものとして説明され、解明されること　が求められる。

そこで、上記、突然湧いた考え、内容は、ゼロ除算の理解を格段に進められると直観した。

半径１の原点に中心を持つ、円Cを考える。いま、簡単のために、正のｘ軸方向の直線を考える。　その時、　点ｘ　（０＜ｘ＜１）の円Cに関する　鏡像　は　y = 1/x に映る。この対応を考えよう。ｘが　どんどん　小さくゼロに近づけば、対応する鏡像　ｙは　どんどん大きくなって行くことが分かる。そこで、古典的な複素解析学では、x =0　に対応する鏡像として、極限の点が存在するものとして、無限遠点を考え、　原点の鏡像として　無限遠点を対応させている。　この意味で 1/0 = ∞、と表わされている。　この極限で捉える方法は解析学における基本的な考え方で、アーベルやオイラーもそのように考え、そのような記号を用いていたという。

しかしながら、このような極限の考え方は、適切ではないのではないだろうか。正の無限、どこまで行っても切りはなく、無限遠点など実在しているとは言えないのではないだろうか。これは、原点に対応する鏡像は　ｘ＞１に存在しないことを示している。ところが、ゼロ除算は　1/0=0　であるから、ゼロの鏡像はゼロであると述べていることになる。実際、鏡像として、原点の鏡像は原点で、我々の世界で、そのように考えるのが妥当であると考えられよう。これは、ゼロ除算の強力な不連続性を幾何学的に実証していると考えられる。

ゼロ以上の数の世界で、ゼロに対応する鏡像y=1/xは存在しないので、仕方なく、神はゼロにゼロを対応させたという、神の意思が感じられるが、それが　この世界における実態と合っているということを示しているのではないだろうか。

この説は、伝統ある複素解析学の考えから、鏡像と無限遠点の概念を変える歴史的な大きな意味を有するものと考える。

以　上

再生核研究所声明２１５（2015.3.11）　ゼロ除算の教え

                             

ゼロ除算は、数学ばかりではなく、　人生観、世界観や文化に大きな影響を与える：

再生核研究所声明166（2014.6.20）ゼロで割る（ゼロ除算）から学ぶ　世界観

再生核研究所声明188（2014.12.16）ゼロで割る（ゼロ除算）から観えてきた世界

ゼロ除算における新現象、驚きとは　Aristotélēs　の世界観、universe　は連続である　を否定して、強力な不連続性を　universe　の現象として受け入れることである。

と述べた。

ゼロ除算は　無限遠点（無限）が　実はゼロ点（ゼロ）と一致していたという　驚嘆すべきことを言っているが、それらは対立するものの奇妙な一致を述べている。

食物連鎖の厳しい現実は、食べるものと食べられるものの一致、生と死の一致、愛と憎しみ、愛と性など　一見反するものの微妙な調和、同等性、一致はそれこそ universe　に普遍的に見られる現象ではないだろうか。　そのような視点は　universeの理解、概念に新しい感覚と世界を拓くだろう。またそのような事実、世界を肯定できなければ、universe　を肯定できないのではないだろうか。

富める者は貧しき者であり、貧しき者は富める者である。強いものは弱いものであり、弱いものは強いものである。敵は味方であり、味方は敵である。幸せな者は不幸であり、不幸な者は幸せ者である。

一般に考えられているのとは逆に、長命なものは不幸であり、短命なものこそ幸せであるとは言えないだろうか。

進化は退化であり、退化は進化であり、美しいものは醜く、醜いものは美しいものである。

賢い者は愚かな者であり、愚かな者は賢い者である。優れるものは劣るものであり、劣るものは優れたものである。正義は悪であり、悪は正義である。明は暗であり、暗は明である。動は静であり、静は動である。

それらは、ゼロ除算のように惹きつけるものがあるのではないだろうか。

ゼロ除算の研究とは、哲学であり（哲学とは　真智への愛　であり、真智とは　神の意志　のことである。哲学することは、人間の本能であり、それは　神の意志　であると考えられる。愛の定義は　声明１４６で与えられ、神の定義は　声明１２２と１３２で与えられている。）修行であり、信仰であるとも言える。　信仰こそは　ゼロ除算の典型であると言える。実際、ゼロ除算は　ゼロから無限へのワープであり、信仰とは　心の中心から　神へのワープである。

以　上

ゼロ除算は、不可能であると誰が最初に言ったのでしょうか・・・・