馬林·梅森:科學的熱心擁護者和杰出貢獻者

馬林·梅森:科學的熱心擁護者和杰出貢獻者

2020-05-15 09:25:55  微科普
本文作者:黃迪

發表時間:2020-05-15 09:25:55作者:黃迪來源:微科普字體大小:A+  A-
馬林·梅森:科學的熱心擁護者和杰出貢獻者
1588年9月8日,馬林·梅森(Marin Mersenne)出生在法國奧譯的一個工人家庭,16歲進入耶穌會辦的學校學習,1609年從索邦神學院畢業后任神職人員,1619年到巴黎的拉農西亞德女修道院教授神學和哲學。梅森曾被科學界選為“100位在世界科學史上有重要地位的科學家”。他于1648年9月1日因肺病在巴黎逝世。

科學信息的“交換站”

雖然梅森是一位神職人員,但他卻是科學的熱心擁護者和杰出貢獻者,在教會中為了保衛科學事業做了很多有益的工作。梅森有很高的科學素養,其研究涉及聲學、光學、數學、力學和航海學等多個學科;而他對科學所作的主要貢獻還是他起了一個極不平常的學術思想通道作用。

17世紀30年代以前,學術刊物和國際會議等還遠遠沒有出現,甚至連科學研究機構都沒有創立,學識淵博、交往廣泛和熱情誠摯的梅森成了歐洲科學家之間的聯系橋梁。許多科學家都樂于將成果告訴他,然后再由他轉告給更多的人;因此,他被人們譽為“有定期學術刊物之前的科學信息交換站”。美國天體物理學家、鄧普頓獎獲得者斯坦利·杰基認為,梅森是17世紀早期學術成果優劣的最佳鑒定者。

由于梅森是當時歐洲科學界一位獨特的中心人物,其寓所是大科學家伽利略·伽利雷、勒內·笛卡爾、皮埃爾·費馬、布萊士·帕斯卡、約翰尼斯·開普勒、弗蘭切斯科·卡瓦列里、皮埃爾·伽桑狄等常去之處;他們每周一次輪流地討論數學、物理等問題,這種民間學術組織被稱為“梅森學院”,它就是世界聞名的法蘭西科學院的前身。

在聲學方面,梅森在1623年建立弦振動頻率公式。他于1636年最先測定了聲波的擴散速度,測得的聲速是419.5米/秒。伽桑狄用他的方法則得到為447.7米/秒,后來,法國科學院的成員也用他的方法測得聲速為337.7米/秒。梅森還確定了聲音的強度與離聲源的距離的平方成反比。因此,梅森享有“聲學之父”的美稱。

在力學領域,梅森比伽利略約早一年得到單擺頻率與擺長平方根成反比的關系。另外,他對埃萬杰利斯塔·托里拆利的真空實驗的探討有助于證實大氣壓力的存在。他還研究過流體的運動。順帶一提,梅森曾聽到友人介紹:在遙遠的東方有個神秘的文明大國,名字叫中國;那里的人們勤奮好學、思想自由。因此,他曾渴望在有生之年到中國傳教和交流學術。遺憾的是,他的這個愿望最終未能實現。

素數研究的“探索者”

梅森的學術成就以素數研究最為著名。1640年6月,費馬在給梅森的一封信中寫道:“在艱深的數論研究中,我發現了三個非常重要的性質。我相信它們將成為今后解決素數問題的基礎”。這封信討論了形如2^P-1的數(其中P 為素數)。早在公元前300多年,古希臘數學家歐幾里得就開創了研究2^P-1的先河,他在名著《幾何原本》第九章中論述完美數時指出:如果2^P-1是素數,則(2^P-1)2^(P-1)是完美數。同時他還用反證法證明素數有無窮多個,如2、3、5、7等等。

許多數學家,包括數學大師費馬、笛卡爾、哥德巴赫、高斯、歐拉、圖靈等都探究過2^P-1型素數,而梅森是其中成果最為卓著的一位“探索者”。由于梅森德高望重,并是法蘭西科學院的奠基人,為了紀念他,數學界在1897年瑞士蘇黎世舉行的首屆國際數學家大會(ICM)上將這種特殊形式的素數命名為“梅森素數”。2300多年來,人類僅發現51個梅森素數。這種素數稀奇而迷人,故被人們稱為“數海明珠”。梅森素數一直是數論研究的一項重要內容,也是當今科學探索的熱點和難點之一。

前不久,來自美國佛羅里達州的互聯網專家、數學愛好者帕特里克·拉羅什通過參加一個名為“互聯網梅森素數大搜索(GIMPS)”項目,成功發現了第51個梅森素數2^82589933-1;該數有24862048位,它是當今人類發現的最大素數。如果用普通字號將這個素數打印下來,其長度將超過100公里!

值得一提的是,在梅森素數的素性判斷方面,法國數學家愛德華·魯卡斯和美國數學家德里克·雷默都做出了重要貢獻;以他們命名的“魯卡斯-雷默方法”是目前已知的檢測梅森素數素性的最佳方法。在梅森素數的分布探索方面,中國數學家、語言學家周海中給出了梅森素數分布的精確表達式;這一研究成果被國際上命名為“周氏猜測”。

梅森素數在當代具有十分豐富的理論意義和實用價值。它是發現已知最大素數的最有效途徑;它的探究推動了數學皇后——數論的研究,促進了計算技術、程序設計技術、網格技術和密碼技術的發展以及快速傅立葉變換的應用。在當代梅森素數的探究需要多種學科和技術的支持,所以許多科學家認為:它的研究成果,一定程度上反映了一國的科技水平。

文/黃迪(作者單位:法國普瓦提埃大學理學院)

責編:微科普

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