素数不随机!2025跨学科研究改写千年数学认知

9月西蒙斯基金会举办了一场数学会议,会上,沃里克大学的数论学家亚当・哈珀投下一枚“重磅炸弹”,其言论或成果瞬间吸引众人目光。

他跟纽约大学徐文强、斯坦福大学坎南・桑达拉拉詹一起,证明了素数的统计行为能用“高斯乘性混沌”这种东西描述。

我一开始听这名字都懵了,后来查了才知道,这工具本来是用来算湍流、量子引力甚至金融市场波动的,跟素数八竿子打不着。

谁能想到啊,描述混沌系统的玩意儿,居然能套在素数上。

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他们还算出了个关键事儿,当研究的数值区间从x缩小到x加上y时,素数里随机性啥时候变成混沌性,比例都能算得明明白白。

这种跨学科的嫁接真挺颠覆认知的,本来数学里的“高冷难题”,居然要靠物理领域的工具来破局,这思路一般人还真想不到。

哈珀能有这突破也不是突然的

2023年他就写过篇论文,说传统研究素数有个“平方根壁垒”,就是考察区间从x延伸到x加根号x的时候,现有工具就不管用了。

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他当时猜,比这更小的区间里,肯定有比黎曼素数计数公式更好用的方法。

本来好多人还半信半疑,没想到两年后还真让他给证出来了,这坚持劲儿确实厉害。

其实素数研究跟物理扯上边,早有先例

上世纪70年代,剑桥大学有个博士生叫休・蒙哥马利,他去高等研究院的时候碰到了物理学家弗里曼・戴森。

本来他还不好意思打扰,磨磨蹭蹭才敢提自己研究的“黎曼ζ函数零点间距”。

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结果戴森一听就惊了,说这结构跟他和诺贝尔奖得主尤金・维格纳算重原子核能级的“随机矩阵理论”一模一样。

你说巧不巧?维格纳当年研究重核的时候,因为粒子太多,直接算能级算不动,才改用统计方法。

他发现那些能级特有意思,既不扎堆也不分散,就是“规律的不规律性”,蒙哥马利居然在素数相关的黎曼ζ函数零点上看到了一样的特征。

如此看来,科学研究有时候真就像串珠子,不同领域的珠子说不定哪天就被一根线串起来了。

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而这一切都绕不开黎曼假设

1859年黎曼提出来,说黎曼ζ函数的非平凡零点都落在实部为1/2的“临界线”上。

这事儿一百多年了都没证出来,2000年克雷数学研究所干脆悬赏百万美元征解。

现在计算机都验证到超过10万亿个零点了,全符合临界线特征,但就是缺个严格的数学证明。

搞不清这题到底难在哪,怕是只有顶尖数学家才能体会,2025年的“物理助攻”,徐文强团队怎么证实哈珀猜想的?

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2025年还有个关键进展,就是徐文强跟中国台湾地区数学研究所的王维克,一起发表论文证实了哈珀2023年的猜想。

有意思的是,他们的证明得靠一个物理学家提的猜想,徐文强自己都说,他个人并不特别钟情物理学,但工作却依赖物理直觉。

这事儿挺耐人寻味的,数学研究向来讲究严谨推导,结果现在要靠物理领域的猜想当“跳板”,并非明智之举?可事实是,这步“险棋”还真走通了。

这也说明,现在的科学研究早不是“各玩各的”了,跨学科的合作越来越重要,说不定以后还会有更多数学难题要靠其他领域帮忙。

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还有个挺有意思的点,咱们老祖宗传下来的“埃拉托斯特尼筛法”,居然跟分形结构有关系。

这筛法就是挨个剔除倍数找素数,看着简单,但其动态过程居然和曼德布罗集这种经典分形结构“同构”,都是用简单规则生成特别复杂的结构。

本来想这老方法也就当个历史知识点,没想到还能跟现代分形理论挂上钩,挺意外的。

曼德布罗说过分形的核心是“局部与整体自相似”,比如海岸线不管放大多少倍,样子都差不多。

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素数分布也这样,不管看哪个数值区间,统计特征都很像,毫无疑问,这又给素数的分形混沌属性添了个证据。

素数研究不只是玩数学,跟咱们的网络安全有关系?可能有人觉得,研究素数就是数学家的“智力游戏”,跟咱们没关系。

其实不然,现在常用的RSA加密算法,核心就是靠大素数分解难,咱们网上付个钱、传个私密文件,能保证安全,背后就有素数的功劳。

但现在研究还有个大难题,虽然能用量概率语言描述素数的统计行为,甚至算出混沌特性出现的尺度,可就是说不清为啥会这样。

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西北大学的马克西姆・拉齐维尔打了个比方,说这就像知道随机数生成器能出随机数,但不知道它内部咋运作的,他这比喻还真挺贴切。

咱们现在对素数的理解,就停留在“知道它长啥样”,但“它为啥长这样”还没搞懂。

而黎曼假设要证明的,恰恰就是这“为什么”,如此看来,要拿那百万美元奖金,还得先把这层窗户纸捅破。

总的来说,2025年哈珀团队的研究算是给素数研究开了个新口子。

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从当年蒙哥马利和戴森的偶然对话,到现在跨学科用物理、分形理论研究素数,能看出来数学、物理、概率这些领域的边界正在慢慢消失。

素数这“数学原子”,说不定最后能帮咱们揭开数学宇宙更统一的结构,我挺期待后续进展的,说不定哪天就能听到黎曼假设被证明的消息。

到时候不光是数学家高兴,咱们普通人也能跟着见识下,千年数学难题被破解到底有多牛。

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THE END
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