17 年蝉 — 素数生命周期蝉猜想

自然界中有一种蝉,拉丁名叫 Magicicada Septendecim,是昆虫里生命周期最长的:十七年。他们的生命从地下开始,幼虫从树根中耐心地吮吸汁液。过17年后,成虫从地里冒头,成群结队,一时间泛滥了整块地界。几周之后,他们交配产卵,后悄然死去。产下的卵也要待17年再冒头。(另有一种叫 Magicicada Tredecim,生命周期是13 年)。

生物学家相当困惑:为什么这种蝉的生命周期这么长?
一个数学爱好者客串回答,他注意到13 和 17 都是素数(即除了1和自身以外无其他约数),于是就提出了下面有趣的假说:

设有一种寄生于蝉的虫子。蝉冒头时一定要避开这种寄生虫的大年(即最繁盛的一年)。因为碰到寄生虫不是好事,会影响到这一代蝉的群体健康和生活质量。如果该虫的生命周期是 2 年,那么为了蝉自身的好处,蝉的生命周期是单数才好 (两代蝉中只有一代会遇到寄生虫的大年,比每代都撞上好。)同样地,为了蝉自己,生命周期最好也不是3的倍数,5 的倍数,…… 于是,比较合理的就是一个不太小的素数了。

对于17年生命周期的蝉,如果寄生虫的生命周期是 1 年,那么假设这一代蝉不幸遭遇寄生虫的话,过17代才会再次遭劫。如果寄生虫的生命周期是 2 年,那么也是再过17 代 (年头当然更长,是34 年)。对虫子来讲,17 代中只一代遇到十七年蝉的这个结果是不变的,只要寄生虫的生命周期是整数年(合理的假设)。而对蝉来讲,当寄生虫的周期从1年-16年 变化时,蝉已经越来越难遇到寄生虫的大年。如果寄生虫的生命周期是17年,糟糕了:可能每次都撞车:蝉被虫子克了。

论理,寄生虫的生命周期应该比较短,以此来增加繁衍和找到适合寄主的机会。寄生虫刚好也是17年的机会很小。而且,虫子没有机会了解蝉的生命周期;假定它能够逐渐延长生命周期(经过许多代),那么生命周期是8年时,仍会错过17年蝉的大年,除非下一代的周期立即变到9年。不过就这一次,接下来的几代还要再错过。
这个称为“素数周期蝉”的猜想得到证实了吗?我们先要问,怎样才算证实呢?这样提问题也很有趣。我们只能说“素数周期蝉”是一个合乎情理的猜想。数学和科学也有,而且需要,大胆的想象和猜测!

通过这个有趣的例子,让我们对于素数也有了更多认识!你作分数加法时,假定两个分数的分母是不同的素数,知道怎末做的人可能会说,My God!因为通分以后的公分母一定很大,刚好是两个分母的乘积。比方你如果做 (2/7) + (1/13) = ? (七分之二 加上 十三分之一 等于什么)公分母是 7 乘 13 得 91。蝉和寄生虫的公共大年,也就在找最小公倍数,和通分的概念是一样的。