Как не ошибаться

Вернемся к кластерам простых чисел

Теорема о распределении простых чисел гласит, что доля простых чисел среди первых
N
 целых чисел составляет около 1/log 
N
. В частности, простые числа встречаются все реже по мере увеличения чисел, хотя частота встречаемости простых чисел уменьшается очень медленно: случайное число из двадцати цифр может быть простым с вероятностью, в два раза меньшей, чем число из десяти цифр.

Вполне естественно предположить, что чем чаще встречаются числа определенного типа, тем меньше промежутки между такими числами. В случае четного числа вам не придется перемещаться вперед больше, чем на два числа, чтобы найти следующее четное число; на самом деле промежутки между четными числами всегда составляют ровно 2. В случае степеней числа 2 совсем другая история. Промежутки между двумя следующими друг за другом степенями числа 2 возрастают по экспоненциальному закону, неуклонно увеличиваясь все больше и больше, по мере того как вы проходите эту последовательность. Например, добравшись до степени 2

4
 = 16, вы больше никогда не увидите две степени числа 2, расстояние между которыми составляет 15 или менее.
Это две простые задачи, а вот вопрос о промежутках между последовательными простыми числами более сложен. На самом деле этот вопрос настолько сложен, что даже после прорыва Чжана он во многих отношениях остается загадкой.
Тем не менее, на наш взгляд, мы знаем, чего ожидать, благодаря удивительно плодотворной точке зрения: давайте считать простые числа
случайными величинами

. Причина столь высокой плодотворности этой точки зрения состоит в том, что она в высшей степени ошибочна. Простые числа не являются случайными! В них нет ничего произвольного, и они не подвержены воле случая. Напротив, мы воспринимаем их как неотъемлемый элемент Вселенной; мы вырезаем их на золотых табличках и отправляем в межзвездное пространство, чтобы доказать представителям внеземных цивилизаций, что мы не дураки.

Простые числа не относятся к категории случайных величин, но они во многих отношениях
ведут себя так, словно они случайные числа

. Например, если разделить произвольное целое число на 3, в остатке с равной вероятностью будет либо 0, либо 1, либо 2. Если разделить большое простое число на 3, частное не может быть целым числом, поскольку в противном случае так называемое простое число можно было бы разделить на 3, а это значило бы, что оно вовсе не простое. Однако старая теорема Дирихле гласит, что остаток 1 имеет место с такой же вероятностью, что и остаток 2, – точно так же, как и в случае случайных чисел. Следовательно, с точки зрения «остатка от деления на 3» простые числа напоминают случайные числа, не считая того, что они не могут быть кратны 3.

А что насчет промежутков между последовательными простыми числами? Можно предположить, что, поскольку по мере увеличения чисел простые числа встречаются все реже, они становятся более отдаленными друг от друга. В целом это действительно так. Однако Чжан доказал, что существует бесконечное количество пар простых чисел, отличающихся друг от друга максимум на 70 миллионов. Другими словами, множество простых чисел, разница между которыми не превосходит 70 миллионов, бесконечно. В этом и состоит гипотеза об ограниченных промежутках между простыми числами.

Почему 70 миллионов? Потому, что это то, что Чжан смог доказать. В действительности публикация работы Чжана повлекла за собой взрыв активности: математики всего мира начали работать вместе в рамках проекта Polymath (своего рода онлайнового кибуца) над сужением промежутка, применяя для этого различные варианты метода Чжана. В июле 2013 года этой группе математиков удалось доказать, что существует бесконечно больше промежутков, не превышающих 5414. В ноябре Джеймс Мэйнард, только что получивший ученую степень в Монреале, сократил этот промежуток до 600, а участники проекта Polymath начали активно работать над объединением его идей с идеями группы. К тому моменту, когда вы будете читать данную книгу, этот промежуток, вне всяких сомнений, станет еще меньше

[131]
.
На первый взгляд ограниченный промежуток между простыми числами может показаться чем-то удивительным. Если простые числа становятся все более отдаленными друг от друга, почему существует так много пар простых чисел, расположенных близко друг от друга? Может существует некая сила притяжения между простыми числами?

Ничего подобного. Если распределить простые числа в случайном порядке, велика вероятность, что некоторые пары чисел по воле случая окажутся рядом друг с другом – подобно тому, как точки, рассредоточенные на плоскости, образуют видимые скопления.

Нетрудно подсчитать, что, если простые числа вели бы себя подобно случайным числам, мы увидели бы именно такое поведение, какое продемонстрировал Чжан. Более того, можно было бы ожидать, что существует бесконечно большое количество пар простых чисел, отличающихся на 2, например таких пар, как 3 и 5 и 11 и 13. Это так называемые простые числа-близнецы, бесконечность количества которых остается гипотезой.

(Ниже приведены некоторые расчеты. Если они не представляют для вас интереса, можете пропустить их и перейти к абзацу, который начинается словами:
Большое количество простых чисел-близнецов…
)
Помните: теорема о распределении простых чисел гласит, что из первых
N
 чисел
N
/log 
N
 чисел являются простыми. Если бы эти числа были распределены случайным образом, каждое число
n
 могло бы быть простым с вероятностью 1/log 
N
. Таким образом, вероятность того, что числа
n
 и 
n

 + 2 оба являются простыми, равна (1/log 
N
) × (1/log 
N
) = (1/log 
N
)². Так какого же количества пар простых чисел, отличающихся на 2, мы можем ожидать? В интересующей нас области существует
N
 пар чисел (
n, n
 + 2), причем каждое из них имеет вероятность быть простым числом-близнецом, равную (1/log 
N
)², а значит, в данном интервале можно ожидать
N
/(log 
N
)² простых чисел-близнецов.

Существуют некоторые отклонения от чистой случайности, с небольшим воздействием которых специалисты по теории чисел умеют обращаться. Главное то, что события «
n
 – простое число» и «
n
 + 2
[132]
 – простое число» не являются независимыми: если
n
 – простое число, это
увеличивает
вероятность того, что
n
 + 2 – также простое число, а это означает, что мы не совсем правильно используем произведение (1/log 
N
) × (1/log 
N
). (Обратите внимание: если
n

 – простое число, большее 2, оно нечетное, а это значит, что
n
 + 2 также является нечетным, что повышает вероятность того, что
n
 + 2 – простое число.) Годфри Гарольд Харди, который говорил о «ненужных затруднениях», а также Джон Инденсор Литлвуд, в соавторстве с которым он написал б
о
льшую часть своих работ, разработали более точный метод прогнозирования с учетом этой зависимости, согласно которому количество простых чисел-близнецов в действительности должно быть на 32 % больше, чем
N

/(log 
N
)². Такая более точная аппроксимация позволяет предсказать, что количество простых чисел-близнецов, не превышающих квадриллион, должно составлять около 1,1 триллиона – достаточно близкое совпадение с реальной цифрой 1 177 209 242 304. Это много простых чисел-близнецов.

Большое количество простых чисел-близнецов – это и есть то, что ожидают обнаружить специалисты по теории чисел, какими большими ни были бы эти числа, причем не потому, что мы считаем, будто в простых числах скрыта некая глубинная сверхъестественная структура, а 
именно потому, что мы так не считаем
. Мы исходим из того, что простые числа распределены совершенно случайным образом. Если гипотеза о распределении простых чисел была бы ошибочной,
именно это

было бы настоящим чудом, подразумевающим, что некая до сих пор неведомая сила отталкивает простые числа друг от друга.

Не хотелось бы слишком углубляться в эту тему, но именно так действуют многие знаменитые гипотезы в теории чисел. Гипотеза Гольдбаха, говорящая, что любое четное число больше 2 можно представить в вид суммы двух простых чисел – это еще одна гипотеза, которая была бы истинной только в случае, если простые числа вели бы себя как случайные величины. То же самое можно сказать по поводу гипотезы Бена Грина и Терри Тао, что последовательность простых чисел содержит арифметические прогрессии произвольной длины (за доказательство этой гипотезы в 2004 году Тао получил Филдсовскую премию).

Самой известной стала гипотеза, которую выдвинул в 1637 году Пьер Ферма. Она гласит, что уравнение

A
n
 +
B
n
 =
C
n

не имеет решений в целых ненулевых числах
A, B, C
 и 
n
 при
n
 большем 2. (Когда
n равно
2, это уравнение имеет множество решений, например 3² + 4² = 5².)
Все были убеждены в истинности гипотезы Ферма, точно так же, как сейчас мы убеждены в истинности гипотезы о простых числах-близнецах, но никто не мог доказать это
[133]

, пока в 1990-х годах этот прорыв не совершил математик из Принстонского университета Эндрю Уайлс. Мы были убеждены в этом, поскольку
n
-е степени целых чисел встречаются крайне редко, и поэтому вероятность обнаружения двух чисел, сумма
n
-х степеней которых равна
n
-й степени третьего числа, в случайном множестве столь редко встречающихся чисел близка к нулю. Более того: большинство специалистов убеждены в том, что не имеет решений и 
обобщенное уравнение Ферма

A
p
 +
B
q
 =
C
r

для достаточно больших значений степеней
p, q
 и 
r
. Банкир из Далласа по имени Эндрю Бил выплатит вам миллион долларов, если вы докажете, что это уравнение не имеет решений, если
p, q
 и 
r
 больше 3, и если у чисел
A, B
 и 
C
 нет общих простых делителей
[134]

. Я абсолютно убежден в истинности этого утверждения, поскольку оно было бы верным, если совершенные степени встречались бы редко, однако я считаю, что нам предстоит узнать о числах нечто совершенно новое, прежде чем мы сможем найти способ доказать это. Мы с коллегами потратили пару лет на доказательство того, что обобщенное уравнение Ферма не имеет решений при
p
 = 4,
q
 = 2 и 
r

большем 4. Только для этого одного частного случая нам пришлось разработать новые методы, которых явно недостаточно для полного решения этой задачи на миллион долларов.
Несмотря на кажущуюся простоту гипотезы об ограниченных промежутках, доказательство Чжана требует ряда самых глубоких теорем современной математики
[135]

. Опираясь на работы многих предшественников, Чжан смог доказать, что простые числа выглядят случайными в первом смысле, о котором мы уже упоминали, когда говорили об остатках, полученных после деления на множество различных целых чисел. Исходя из этого
[136]
, он смог доказать, что простые числа ведут себя как случайные величины и в совершенно другом смысле, связанном с размером промежутков между ними. Случайное случайно!

Достижение Чжана, наряду с работой других крупных современных ученых в этой области, таких как Бен Грин и Терри Тао, указывает на наличие еще более волнующей перспективы, чем любой отдельный результат в области простых чисел: возможно, в конечном счете мы встали на путь разработки более богатой теории случайности. Собственно говоря, речь идет о способе точного определения того, что мы имеем в виду, когда утверждаем, что числа ведут себя так, будто они разбросаны в случайном порядке без какой-либо организующей структуры вопреки тому, что они возникают вследствие абсолютно детерминированных процессов. Какой замечательный парадокс: то, что помогает нам разгадать последние тайны простых чисел, может оказаться новой математической идеей, которая структурирует саму концепцию бесструктурности.

Все материалы, размещенные в боте и канале, получены из открытых источников сети Интернет, либо присланы пользователями  бота. 
Все права на тексты книг принадлежат их авторам и владельцам. Тексты книг предоставлены исключительно для ознакомления. Администрация бота не несет ответственности за материалы, расположенные здесь