2018年12月7日,来自美国佛罗里达州的互联网专家及数学爱好者帕特里克·拉罗什(Patrick Laroche)利用“互联网梅森素数大搜索”(GIMPS)项目,成功发现第51个梅森素数2∧82 589 933-1(即2的82 589 933次方减1);该素数有24 862 048位,是迄今为止人类发现的最大素数。如果用普通字号将它打印下来,其长度将超过100公里!
众所周知,素数又叫质数,是在大于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。2 300多年前,古希腊数学家欧几里得在《几何原本》一书中证明了素数有无穷多个,并提出一些素数可写成“2∧P-1”(其中指数P也是素数)的形式。
由于这种特殊形式的素数具有独特数学性质,千百年来,许多著名数学家以及无数数学爱好者对它情有独钟。其中,17世纪的法国数学家、法兰西科学院奠基人梅森在这方面有过重要贡献。为了纪念梅森,数学界在19世纪末就将“2∧P-1”型的素数称为“梅森素数”。迄今为止,人类仅发现51个梅森素数。这种素数稀奇而迷人,因而被称为“数海明珠”。梅森素数历来是数论研究的一项重要内容,也是当今科技探索的热点和难点之一。
梅森素数貌似简单,但当指数P值较大时,其素性检验的难度就会很大;它的探究不仅需要高深的理论和纯熟的技巧,而且还需要进行艰巨的计算。例如,享有“数学英雄”美誉的瑞士数学家及物理学家欧拉1772年在双目失明的情况下,以顽强毅力靠心算证明了2∧31-1(即2 147 483 647)是第8个梅森素数;该素数有10位,堪称当时世界上已知的最大素数。
在“手算笔录”年代,人们历尽艰辛,共计才找到12个梅森素数。而电子计算机的出现,尤其是网格计算时代的到来,大大加快了梅森素数探究步伐。1996年初,美国数学家及程序设计师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。
为了激励人们寻找梅森素数以及促进网格计算技术发展,总部设在美国的“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协同计算奖。该奖规定:向第一个找到超过1 000万位数的个人或团体颁发10万美元;后面的奖金依次为:超过1亿位数,15万美元;超过10亿位数,25万美元。当然,绝大多数人参与该项目并不是为了金钱,而是出于乐趣、荣誉感和探索精神。
至今人们通过GIMPS项目已经找到17个梅森素数,其发现者来自美国(11个)、德国(2个)、英国(1个)、法国(1个)、挪威(1个)和加拿大(1个)。目前,世界上有190多个国家和地区近70万人参加了这一项目,并动用了超过182万核中央处理器联网来寻找新的梅森素数。可见,当今的梅森素数探究非常火爆;这在数学史上前所未有,在科学史上也极为罕见。
值得指出的是,在梅森素数的基础研究方面,法国数学家鲁卡斯和美国数学家雷默都做出了重要贡献;以他们命名的“鲁卡斯﹣雷默方法”是目前已知的检测梅森素数素性的最佳方法。另外,中国数学家及语言学家周海中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”。
探究梅森素数具有重大意义,是发现已知最大素数的最有效途径,有力推动了数论的研究。另外,梅森素数在计算机科学领域具有重要应用价值——它可以用来检测计算机系统或程序中存在的问题。因此许多专家认为,梅森素数的研究成果一定程度上反映了一个国家的科技水平。英国数学协会主席、《素数的音乐》一书作者索托伊甚至认为,梅森素数的探究进展不但是人类智力发展在数学上的一种标志,也是整个科技发展的里程碑之一。
资料来源Science Daily