梅森素数探究为什么这么火

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  目前,世界上有190多个国家和地区的近24万在线网民参与了一个名为“互联网梅森素数大搜索”(GIMPS)的国际合作项目,并动用超过233万个核中央处理器(CPU)联网来寻找梅森素数。可以说,对于梅森素数的探究非常火爆,这在数学史上前所未有,在科技史上也极为罕见。
  众所周知,素数又称质数,是指在大于1的自然数中只能被1和其自身整除的数。每个自然数都可以唯一地分解成有限个素数的乘积,素数因此构成了自然数体系的基石。2300多年前,古希腊数学家欧几里得在《几何原本》一书中证明了素数的个数是无穷的,并提出一些素数可写成“2P-1”(即2的P次方减1,其中指数P也是素数)的形式。千百年来,2P-1型素数吸引着人们去寻找和研究它。


法國数学家马林·梅森(1588-1648)

  由于17世纪法国数学家马林·梅森学识渊博、才华横溢,并最早开始系统而深入地研究2P-1型素数,为了纪念他,数学界将这种特殊形式的素数命名为“梅森素数”。梅森素数历来是数学研究的一项重要内容,也是当今科学探索的热点和难点之一。这种素数珍奇而迷人,被人们誉为“数学宝库中的钻石”。
  梅森素数看似简单,但当指数P值较大时,其素性检验的难度就会很大。另外,它的探究需要借助高深的理论、纯熟的技巧以及艰难的计算。例如,1772年,瑞士数学家、物理学家莱昂哈德·欧拉在双目失明的情况下,靠心算证明了231-1(即2的31次方减1)是个素数,该数(2147483647)有10位,堪称当时世界上已知的最大素数。在靠手算笔录的年代,人们历尽艰辛,一共才找到12个梅森素数。
  电子计算机的诞生使得梅森素数的探究如虎添翼,各国科学家和业余研究者们纷纷投身到寻找梅森素数的队伍中。他们彼此竞争,乐此不疲,催生了不少新发现。1952年1月30日晚上9点,美国数学家拉斐尔·鲁滨逊将探究梅森素数的方法编译成计算机程序,利用大型计算机,几小时内就找到了两个100位以上的梅森素数:2521-1和2607-1。随后的几个月,他又接连找到了21279-1、22203-1和22281-1。


“211213-1是个素数”的邮戳

  探究梅森素数不仅极富挑战性,而且对探究者来说有一种巨大的自豪感。1963年6月2日晚上8点,当第23个梅森素数211213-1通过超级计算机被找到时,美国广播公司(ABC)中断了正在播放的节目,第一时间发布了这一重要消息,《芝加哥论坛报》还把这一消息作为头版头条来报道。而发现这个素数的美国伊利诺伊大学数学系全体师生感到无比骄傲,为了让全世界都分享这一重大成果,甚至把所有从系里发出的信封都盖上了“211213-1是个素数”的邮戳。
  互联网的出现,大大加快了探究梅森素数的步伐。1996年年初,美国数学家、程序设计师乔治·沃特曼编制了一个梅森素数计算程序,并把它放在网页上供人们免费使用。这一计算程序就是举世闻名的GIMPS项目,也是全球首个基于互联网的网格计算项目。现在,只要人们去GIMPS的主页下载一个名为“Prime95”的免费程序,就可以立即参加GIMPS项目来寻找梅森素数了。
  为了激励人们寻找梅森素数和促进网格计算技术发展,总部设在美国旧金山的“电子前沿基金会(EFF)”于1999年3月向全世界宣布了为通过GIMPS项目来寻找梅森素数而设立的奖金。它规定向第一个找到超过100万位数的个人或机构颁发5万美元。后面的奖金依次为:超过1000万位数,10万美元;超过1亿位数,15万美元;超过10亿位数,25万美元。据悉,绝大多数参与者不是为了名利而探究梅森素数,而是出于好奇心、求知欲和荣誉感。
  前不久,来自美国佛罗里达州的互联网专家、数学爱好者帕特里克·拉罗什通过参与GIMPS项目,成功地发现第51个梅森素数——282589933-1。该数有24862048位,是迄今为止人类发现的最大素数。如果用普通字号(指word文档默认的字体字号)将这个素数打印下来,它的长度将超过100千米!而且近百年来,几乎所有的“最大素数”都是梅森素数。
  值得一提的是,人们在寻找梅森素数的同时,对其重要性质——分布规律的研究也一直在进行着。中国数学家、语言学家周海中在1992年率先给出了梅森素数分布的精确表达式,这一研究成果被国际上命名为“周氏猜测”。美籍挪威数论大师、菲尔茨奖和沃尔夫奖得主阿特勒·塞尔伯格指出:“‘周氏猜测’具有创新性,开创了富于启发性的新方法,其创新性还表现在揭示新的规律上。”
  梅森素数在当代具有十分丰富的理论意义和实用价值。对它的探究可以推动“数学皇后”——数论的研究,还可以促进密码技术、网格计算技术、程序设计技术的发展,以及快速傅立叶变换和快速椭圆加密算法的应用。另外,在探究过程中,人们还能发现计算机芯片存在的问题。例如,德国一名GIMPS项目参与者发现:当Intel Skylake处理器在执行Prime95程序来寻找梅森素数时,就出现了触发系统死机的漏洞。随后,美国英特尔公司承认存在该漏洞,并做了修复。
  由于梅森素数的探究在当代需要多种学科和技术的支持,所以许多科学家认为:梅森素数的研究成果,在一定程度上反映了一个国家的科技水平。英国数学家马科斯·索托伊甚至认为,梅森素数的探究可以挑战人类科技与智慧的极限,其成果是一个国家科技创新能力的重要标志之一。这也是梅森素数探究如此火爆的原因之一吧!
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