一位普通的教堂执事发现史上最大梅森素数

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2017年12月26日,目前为止的最大梅森素数在一个不大可能的地方被发现:美国孟菲斯市郊区一座教堂的一台计算机。

这台计算机上运行的后台软件发现了这个梅森素数,这是史上发现的第50个,也是目前为止最大的梅森素数。

下面我们解释一下什么是素数,什么是梅森素数。素数,也叫质数,指只能被1和自身整除的大于1的自然数,如2,3,5,7,11,13,17,19,23,29,……。梅森素数是指满足 $2^n-1$形式的素数,其中$n$为正整数。例如3是梅森素数,因为$3=2^2-1$,紧随3之后的梅森素数是$7=2^3-1$,再之后是$31=2^5-1$。法国神学家、数学家马兰·梅森(Marin Mersenne)在17世纪初写出了他认为$n<257$的所有梅森素数(后来证明他有几个错误和遗漏),因此这种素数便以他的名字命名。



马兰·梅森肖像

为了招募更多志愿者寻找梅森素数,1996年计算机科学家乔治·沃特曼(George Woltman)发起互联网梅森素数大搜索(GIMPS)分布式计算项目,志愿者计算机上安装专门用来寻找梅森质数的免费软件来参与这个项目。当计算机完全空闲时,CPU就开始运行,寻找梅森素数。



乔治·沃特曼肖像

孟菲斯市教堂这台计算机参与了这个项目,做出了这个发现。这台计算机的主人是乔恩·佩斯(Jon Pace),他是教堂执事(注:基督教、天主教神职之一),同时是联邦快递财务经理,是一名数学爱好者,他参与寻找梅森素数已经14年了。

佩斯发现的梅森素数记为$M_{77 232 917}$,$M_{77 232 917}=2^{277 232 917}-1$,在1月3日正式公布。$M_{77 232 917}$有23 249 425位,比之前发现的最大的梅森素数多了近100万位。如果打印出来,打印到Tabloid纸(注:北美纸张,大小类似A3)上,用2号字体,需要69.5张纸。

51岁的佩斯在电话采访中说:“参与寻找梅森素数的计算机有数万台,平均来说,一年也不见得找到一个,我的计算机能发现一个梅森素数的概率微乎其微。”

佩斯称,他14年前成为GIMPS志愿者,立志要找到第一个1000万位以上的梅森素数,并赢取10万美元奖金。可惜,第一个1000万位以上的梅森素数在2008年被加州大学洛杉矶分校的一台计算机发现



GIMPS logo

时间一年年过去,又有多个梅森素数依次被发现,受此激励,佩斯的计算机一直在后台运行着梅森素数寻找软件。佩斯寻找梅森素数,先是用家里的计算机,后用日耳曼敦基督教堂(Germantown Church of Christ)的计算机,他在这座教堂任执事,并负责管理教堂的网络。

佩斯拥有电气工程的本科学位和工商管理学硕士(MBA),在一个街上跑牛的偏远农村长大。佩斯称,他对数学的热情是他高中数学老师哈罗德·奈特(Harold Knight)激发的,奈特的课很有感召力,并以组建强大的数学团队闻名。

“他会布置给我清晰明确的习题,这些题有且只有一个正确答案。”佩斯说,这很对他解题的个性。

奈特老师在两年前已经去世了,佩斯回忆恩师道:“他会给我出些难度很大的题目,如果我做不出,他会给我讲解我哪里出错了,或是用了错误的方法,然后再做新的难题。”

佩斯是在12月26日做出的发现,不过他当时并没有发觉。佩斯说,系统本该在你发现一个梅森素数的时候通知你,但是他却没有收到通知。GIMPS的发起者沃特曼给他发Email通知的他。

沃特曼在Email中说:“乔恩,祝贺你。软件可能发现了一个新的梅森素数(99.999%),或是出了bug (.001%)。”

软件自身可帮助发现问题。沃特曼称,梅森素数软件可用于测试计算机硬件是否有错误。较小的素数在加密方面非常重要,较大的素数目前为止主要还只能用作谈资噱头。

梅森素数发现者会被记录下来,并获得一笔数额不大的奖金,不过,如果是地位较特殊的数,奖金数额会比较大一些。比如前文提到的加州大学洛杉矶分校找到的梅森素数,它是第一个超1000万位的,奖金10万美元。未来谁发现第一个超1亿位的梅森素数,奖金15万美元。佩斯发现的是一个普通的梅森素数,获得3000美元奖金。不过,这也是他一时成了媒体红人,甚至远在巴西的电视台也来采访了他。他的儿子和女儿本对梅森素数没有什么兴趣,现在老爸出名,也很自豪地说给别人知道,做出这个学究式发现的正是自己的父亲。

佩斯的22岁的儿子布莱恩(Bryan)正学习计算机工程,与父亲一样对数学感兴趣,他说,父亲的成功也激励他在自己计算机上再次安装了GIMPS程序。

佩斯的19岁的女儿凯瑟琳(Katherine)对父亲的发现也表达了自己的看法:“我对此很自豪,尽管这不是我取得的成就。最酷的事是,我看到父亲展示的谦逊。他在第一时间就说,任何人都可以做出这个发现。”

佩斯称自己会继续寻找梅森素数,争取发现第一个超1亿位的梅森素数,拿下15万美元的大奖,但是他说自己更自豪的是两个很小的数字:“20,我在日耳曼敦做了20年的执事了”,“44,我已经捐了44加仑(注:约166升)血液和血小板。”

本文根据How a Church Deacon Found the Biggest Prime Number Yet (It Wasn’t as Hard as You Think)编译。编译文章已发表于微信公众号《世界科学》。转载请使用世界科学链接。

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标签: 梅森素数, gimps

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