想像一個由一大串 1 組成的數字:1111111…111。具體來說,連續 136,279,841 個。如果我們堆疊那麼多張紙,最終形成的塔將延伸到平流層。
如果我們以二進位形式(僅使用 1 和 0)將這個數字寫入計算機,它只會填滿大約 16 兆位元組,不超過一個簡短的視訊剪輯。
轉換為更熟悉的十進制數字書寫方式,這個數字(以 8,816,943,275 開頭……結束……076,706,219,486,871,551)將有超過 4100 萬位數字。它可以填滿一本書 20,000 頁。
這個數字的另一種寫法是 2136,279,841– 1. 它有一些特別之處。
首先,它是一個質數(意味著它只能被它本身和一整除)。其次,這就是所謂的梅森素數(我們將了解它的含義)。第三,它是迄今為止在數學探索中發現的最大素數,其歷史可以追溯到 2000 多年前。
發現
這個數字(簡稱M136279841)是素數是由來自加州聖荷西的36歲研究員盧克杜蘭特於10月12日發現的。杜蘭特是數千名參與長期志工搜尋素數工作的人員之一,這項工作被稱為「偉大的網路梅森素數搜尋」(Great Internet Mersenne Prime Search),或者說GIMPS。
比 2 的某個冪小 1 的質數(或數學家寫成 2)p– 1) 被稱為梅森素數,以法國僧侶馬林·梅森 (Marin Mersenne) 的名字命名,他在 350 多年前研究了它們。前幾個梅森素數是 3、7、31 和 127。
杜蘭特透過結合數學演算法、實際工程和強大的計算能力得出了他的發現。先前使用傳統電腦處理器 (CPU) 發現大素數,而這項發現首次使用另一種稱為 GPU 的處理器。
GPU 最初設計用於加速圖形和視訊的渲染,最近被重新用於挖掘加密貨幣和為人工智慧提供動力。
杜蘭特是領先 GPU 製造商 NVIDIA 的前員工,他在雲端使用強大的 GPU 創建了一種橫跨 17 個國家的「雲端超級電腦」。幸運的 GPU 是位於愛爾蘭都柏林的 NVIDIA A100 處理器。
質數和完全數
除了發現的興奮之外,這項進展延續了幾千年前的故事情節。數學家對梅森素數著迷的原因之一是它們與所謂的「完美」數字有關。
一個數字是完美的,如果當你將所有能正確整除該數字的數字相加時,它們相加等於該數字本身。例如,6 是完美數,因為 6 = 2 × 3 = 1 + 2 + 3。
對於每個梅森素數,也存在一個偶完美數。 (在數學中最古老的未解決問題之一中,尚不清楚是否存在奇完全數。)
縱觀歷史,完美數一直讓人類著迷。例如,早期希伯來人和聖奧古斯丁認為六是一個真正完美的數字,因為上帝在六天內創造了地球(第七天休息)。
實用素數
素數的研究不僅僅是一種歷史好奇心。數論對於現代密碼學也至關重要。例如,許多網站的安全性依賴於尋找大數素因數的固有困難。
所謂的公鑰密碼術(例如,保護大多數線上活動的那種)中使用的數字通常只有幾百位十進制數字,與 M136279841 相比很小。
儘管如此,數論基礎研究的好處——研究素數的分佈、開發測試數字是否素數的演算法以及尋找合數的因子——通常會對幫助維護數位通訊的隱私和安全產生下游影響。
無止境的尋找
梅森素數確實很罕見:新記錄比之前的記錄大了 1600 萬位數以上,而且只是有史以來發現的第 52 個。
我們知道質數有無限多個。希臘數學家歐幾裡得在 2000 多年前就證明了這一點:如果質數的數量有限,我們可以將它們全部相乘並加一。
結果不能被我們已經找到的任何素數整除,所以肯定至少還有一個素數存在。
但我們不知道是否存在無限多個梅森素數——儘管它已經存在推測的有。不幸的是,它們太稀缺,我們的技術無法被偵測到。
目前,新的素數是人類好奇心的里程碑,並提醒人們,即使在科技主導的時代,數學宇宙中一些更深層、誘人的秘密仍然遙不可及。挑戰依然存在,邀請數學家和愛好者去尋找無限數字掛毯中隱藏的模式。
因此,對完美的(數學)追求將繼續下去。