《悠扬的素数》20周年纪念版:一部关于黎曼猜想、素数奥秘与数学家热血的科普史诗

《悠扬的素数》20周年纪念版上市,揭秘黎曼猜想与素数,讲述数学大师们探索素数奥秘的传奇故事及其对现代科技的深远影响。

原文标题:新书上市 | 攀登黎曼猜想高峰的天才与疯狂:这才是数学史上最热血的人类智慧之战!

原文作者:图灵编辑部

冷月清谈:

《悠扬的素数:黎曼猜想趣史》20周年纪念增订版全新上市,该书由牛津大学数学教授马库斯·杜·索托伊撰写,不仅介绍了素数和黎曼猜想的迷人之处,更生动地讲述了欧拉、高斯、黎曼、希尔伯特、哈代等数学大师为破解素数之谜所付出的努力和经历的挑战。书中通过蝉的生存策略引出素数在自然界的重要性,揭示了素数在密码学、通信等领域的应用,强调了黎曼猜想对现代互联网的深远影响。作者以生动的笔触描绘了数学家们探索素数规律的历程,展现了数学的现实与世界的紧密联系,带领读者领略数学之美,激起人们对数学的好奇与热情。

怜星夜思:

1、文章中提到蝉利用素数年作为生存策略,躲避捕食者。除了蝉之外,你还知道哪些自然现象或者生物与数学(尤其是素数)有奇妙的联系?
2、文章说“没有黎曼猜想就没有今天的互联网”,这是为什么?黎曼猜想对密码学或者信息安全领域有什么影响?
3、文章提到了多位为黎曼猜想做出贡献的数学家,你对哪位数学家的故事最感兴趣?为什么?

原文内容

素数是从宇宙深处传来的神秘音乐,拨动着一代代数学家的心弦。追求知识和真理的执着精神驱使着他们在看似无序的素数世界中寻找着规律的真相。黎曼假设——数学研究的“珠峰”,吸引了一代代数学家投身于数论研究中,其中不乏数学史上大名鼎鼎的人物。在破解这一谜题的过程中,人们发现它已经给通信、量子力学、计算机科学等领域带来了举足轻重的影响。

牛津大学数学教授,以数学科普传播而享誉世界的大师马库斯·杜·索托伊的名著《悠扬的素数:黎曼猜想趣史》的20周年纪念增订版全新上市!全新译本,并且增加了初版至今20多年间的素数进展和突破。没有黎曼猜想就没有今天的互联网,顶尖数学家、计算机专家都在研究素数。补上最精彩的一堂数学课:为什么顶级黑客都在研究素数?没有黎曼猜想,就没有今天的互联网?


欧拉、高斯、黎曼、希尔伯特、兰道、哈代等大师攀登黎曼猜想高峰的天才与疯狂、失败与突破的数学史上最热血的人类智慧之战。

来源 | 《悠扬的素数:黎曼猜想趣史
作者 | [英] 马库斯•杜•索托伊(Marcus du Sautoy)
译者 | 谈天星
文 | 序言

“初夏,森林平和又静谧。渐渐地,开始有了呜呼呜呼的嗡鸣声。噪声愈发响亮起来,让人几乎没法集中思绪。成千上万只蝉聚成一团,奋力又得意地飞上了天,转而降落在周围的村落。

这一刻,它们等了 17 年。17 是一个素数,可以被自身和 整除。这个数,这个素数,深深扎根于大自然,是蝉活命的关键。因为每隔 13 年或者 17 年才出土,它们躲过了捕食者,还实现了生存机会的最大化。

如果蝉是每隔 10 年出土,就会被那些以 12或 10 年为繁衍周期的捕食者所捕获。如果蝉是每隔 12 年出土,就会被任何以 1234或 12 年为繁衍周期的捕食者当成美餐。

那么,17 年呢?只会遇到以 年或 17 年为繁衍周期的……”我不确定马库斯原话是怎么说的,但大概就是这样了。我们凝视着他。他正站在伦敦北部的一间排练室里,那里有演员、设计师、戏剧创作者。我邀请他加入了我们的戏剧《消失的数》(A Disappearing Number)的创作。

这是一个关于数学与失落的故事,一个关于 G. H. 哈代(G. H.  Hardy)与斯里尼瓦瑟·拉马努金(Srinivasa Ramanujan)的故事,非凡,神秘,浪漫。

我们张大了嘴巴。

“天哪,这些蝉怎么会知道素数呢?”

“是呀,它们怎么会知道呢?!这可真荒谬……”

马库斯歪着脑袋笑了:“我猜这是自然选择的结果,但也确实是个谜。”马库斯喜欢谜团、故事和戏剧,所以他答应来到我们的排练室。在英国西部的一处偏远山谷边缘,在我们的小屋里,我凝望着窗外,回想起这一切,写下了这些文字。

一棵古老而优雅的白蜡树将它的枝条延伸至花园的尽头。我们赋予了“她”性别。她那枝枝杈杈构成的图案让人眼花缭乱、捉摸不透。我和女儿将她描画了一遍又一遍。我们每次都会勾勒出不一样的线条轮廓,然后笑笑,因为描绘出她的图案之谜是一个不可能完成的任务。

然而,她是有形状的,也是可以预测的。我们通过她来衡量自己。夏天,我们坐在她的浓荫下。现在是冬天了,她那光秃秃的枝杈透露出远方峡谷的深邃。她的确定性、她的存在,以及她对于揭露自身秘密的拒绝态度,让人无比心安。

好多年前,马库斯在排练室里告诉我们:“中国人基于数的特性,赋予了它们性别。他们眼中的素数极富男子气概,这大概是因为素数无法被打破。它们只是它们自己……”

“这是什么时候的事情?”

“哦,大约是公元前 1000 年。”

作为戏剧创作者和讲故事的人,我们想要讲述的不仅仅是两位杰出数学家的故事,我们还想看看,是否能从数学本身中找到某种戏剧形式。这些定理、证明、思想能否变成一个故事、一段叙述呢?为了找到答案,我们即兴创作出方程。

在这个空间里,我们用身体做动作,相互挑战,猜测我们所做的动作表明了自己是哪个数。马库斯完全投入其中,带着无尽的好奇心,给出充实的建议,他热情洋溢,非常着迷。有他在,我们触到了丰富的信息库,就像这本书。

在 18 世纪的圣彼得堡,哲学家德尼·狄德罗(Denis Diderot)遇见了伟大的数学家莱昂哈德·欧拉(Leonhard Euler)。据说狄德罗事后曾这样描述数学:“它在人与自然之间拉上了一层面纱。”我还在上学时总结过自己和数学的关系,我当年的想法和狄德罗在他们二人相遇后所说的话如出一辙。

对于年轻时的我来说,数学不仅令人费解,似乎还将我与我所认识的物质世界阻隔开来。三十年后的我却在一个房间里,试图与这门学科建立联系。这是一门我大半生都在完全回避的学科。为了准备这场演出,我拿起了这本书。我战战兢兢地翻开书页,目光落在了一个数学公式上,立刻就被吓到了,就像梦回儿时在数学课上的挣扎。

但当我开始阅读时,我被带进了一片故事的森林。有史以来,以及在史前时期,这些茂密的灌木与树叶都有其特性与经历。到处都是谜团与发现,比如来自非洲中部赤道地区,有着 6500 年历史的伊尚戈骨 A,它上面用线条刻着 10 和 20 之间的所有素数——11 条线,另一组是 13 条,然后是 17 条和 19 条。为什么呢?这是个谜。刻下这些痕迹的数学家们知道些什么呢?

317 是一个素数。这不是因为我们这么认为,也不是因为我们的思维被以这样或那样的方式塑造,而是因为它本就如此,因为数学的真相就是以这种方式建立起来的。”

在排练室里,哈代的扮演者讲出了这段话。这话引自哈代在 1940 年所写的《一个数学家的辩白》。那时的哈代已步入晚年。这位演员穿着白色板球服,板球的得分、计分系统与战术都是哈代所痴迷的。我们都想扮演哈代,他身上充满了冷幽默、才华以及被克制的欲望——一个迷人的角色。

这些强大的素数的出现有何“规律”?对此,马库斯向我们介绍了相关研究,同样,他还绘声绘色地描述了整个角色阵容。

比如热情洋溢、滑稽有趣的意大利数学家恩里科·邦别里(Enrico Bombieri),他那封关于解谜的愚人节邮件正是本书的开场白。古怪的高斯(Gauss)、好斗的哥德尔(Gödel)、埃拉托色尼(Eratosthenes)和他的“筛子”、不合传统的费曼(Feynman)、欧拉、李特尔伍德(Littlewood)、拉马努金、叶卡捷琳娜大帝、16 岁的萨拉·弗兰纳里(Sarah Flannery)、假装成男人才能被认真对待的索菲·热尔曼(Sophie Germain)……马库斯简洁、灵活地介绍着每个人,抓住了他们的特质。

他生动地描绘着这些人,就像我女儿用木炭画笔灵活地捕捉着我们花园里那棵白蜡“老妇”难以捉摸的枝杈一样。

这本书真是“热情好客”。我们受邀进入陌生复杂的数学领域,却又很快感到宾至如归。你不必深入每种数学思想,即便它们完全以数学形式呈现在你面前。你只要轻松自在地面对它们就好。

周围的角色,有男有女,有生有死,就像我们所有人一样,都在探寻着世界意义的模式。像大卫·希尔伯特(David Hilbert)这样的探索者,在 20 世纪初提出了一系列数学问题,“作为下一个世纪需要解决的挑战”。

年复一年,许多问题得到了解决。黎曼假设,一个关于素数出现的频率与模式的假设,也在其中。这个问题提出后……被证明了吗?

人们在求证素数出现的规律时,还产生了其他问题。为什么素数会出现在一条“音乐线”(musical line)上?这条线能帮我们看出规律吗?或者,我幻想着,我们是不是可以听见而非仅仅看见它?依然未解。故事就是这样了。在这个故事里,最伟大的数学家们投身于一个始终坚守其秘密的问题。

哈代在《一个数学家的辩白》一书的开头写道:“对于专业的数学家来说,写下与数学相关的文字会是一段悲伤的经历。数学家的职责是有所作为,证出新的定理,为数学领域添砖加瓦,而非谈论自己或其他数学家已经做过的事情。”

然而,这本奇妙的书揭示了,事实并非一定如此。这本书不仅在描述人们对于证明一个定理的不懈追求——这种追求就像火车一样推动着我们——远甚于此,它还是一个值得探访的天地。

书中故事涵盖的内容之丰富,阐释之清晰,能让你看到数学的现实是如何与这个世界密不可分的。我们的身边处处有数学。我曾经想象过在自然与数学之间存在着面纱,而这本书让我揭开了这层纱,帮助我开始理解哈代所说的“数学家就像画家或诗人一样,是模式的创造者……”,认识数学真理的唯一终极标准就是它的美——“这个世界容不下丑陋的数学”。

素数的奥秘和它们出现的规律依然无法被攻破,这一事实却让人无比心安,就像花园尽头的那棵白蜡树——我们永远无法完全理解它,它就像素数一样,站在那里,尽是未知的美。马库斯··索托伊用一种不可抗拒、感染人心的力量揭示了这一点。他所唤起的不是悲伤,而是喜悦、惊奇,以及无尽的欢愉。

西蒙·麦克伯尼(Simon McBurney

2023 年 月于英国斯莱德




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悠扬的素数:黎曼猜想趣史

作者:[英] 马库斯•杜•索托伊(Marcus du Sautoy)

译者:谈天星

全新译本,20周年纪念增订版!增加了初版至今20多年间的素数进展和突破。

1.被译为11 种语言,全球累计销售百万册

2.荣获意大利皮亚诺奖,德国格丁根科学院萨托里乌斯奖

3.欧拉、高斯、黎曼、希尔伯特、兰道、哈代等大师攀登黎曼猜想高峰的天才与疯狂、失败与突破的数学史上最热血的人类智慧之战。

4.没有黎曼猜想就没有今天的互联网,顶尖数学家、计算机专家都在研究素数。

5.补上最精彩的一堂数学课:为什么顶级黑客都在研究素数?没有黎曼猜想,就没有今天的互联网?


我喜欢索菲·热尔曼的故事,她为了能在当时男性主导的数学界立足,不得不假扮成男人。她的坚持和努力令人敬佩。而且,她在数论方面也做出了重要的贡献,为费马大定理的研究奠定了基础。她的故事告诉我们,无论性别如何,都有追求知识和真理的权利。

其实我觉得“没有黎曼猜想就没有今天的互联网”这句话有点夸张。虽然黎曼猜想与密码学相关,但即使它被解决,密码学家也会找到新的数学难题来构建更安全的加密算法。毕竟,技术总是在不断进步的嘛!与其说是黎曼猜想本身,不如说是对素数规律探索的这种精神推动了密码学的发展。

楼上说的向日葵很经典!我补充一个,蜂巢的结构也是个例子。蜂巢的六边形结构被认为是自然界中最有效利用空间的方式之一,而且也与几何学有紧密的联系。这种结构能够用最少的材料构建出最大的空间,承载最多的蜂蜜和蜂卵,简直是工程学的奇迹!

我个人对拉马努金的故事特别感兴趣。他出身贫寒,却拥有惊人的数学天赋,很多公式和结论都是凭直觉推导出来的,简直是数学界的“野生大神”。他和哈代之间的合作也充满了传奇色彩,展现了不同文化背景下的思想碰撞。虽然他英年早逝,但他的数学遗产却影响深远。

这个问题挺有意思!我想到的是向日葵的种子排列,仔细观察会发现它们呈现出斐波那契数列的螺旋模式,这个数列和黄金分割率有密切关系,而黄金分割率在数学和艺术中都有广泛的应用。虽然不是直接的素数,但背后体现了自然界对数学原理的巧妙运用。

这问题问到点子上了!黎曼猜想虽然是纯数学领域的问题,但它与素数的分布密切相关。而现代密码学,特别是RSA公钥加密算法,正是基于大素数分解的困难性。如果黎曼猜想被证明,或者更糟糕的是,被证伪,导致素数分布规律被完全掌握,那么现有的许多加密算法可能会被破解,互联网的安全基石也会受到威胁。

我对高斯印象深刻。他从小就展现出非凡的数学才能,被誉为“数学王子”。他在数论、代数、几何等多个领域都做出了开创性的贡献。而且,他非常严谨,很多重要的成果都是经过反复验证才发表的。这种追求卓越、精益求精的精神值得我们学习。

别忘了雪花!虽然雪花的形状千变万化,但它们都具有六边形的对称结构。这种对称性源于水分子独特的晶体结构,而晶体结构又涉及到复杂的物理和化学原理。所以说,一片小小的雪花,其实蕴含着深刻的数学和科学知识。

同意楼上的说法。打个比方,黎曼猜想就像是密码学大厦的地基,虽然我们平时看不到它,但它却支撑着整个大厦的安全。一旦地基出现问题,大厦就会摇摇欲坠。不过,目前黎曼猜想还未被证明,所以我们也不必过于担心。但密码学家们一直在努力研究新的加密算法,以应对未来的潜在风险。