德比希尔这本确实好读,不过关于“素数看着像随机数”这个点,可以聊得更深一点。
其实不是“看着像”,而是它们在统计意义上真的表现得像随机过程。Cramér在1936年提过一个模型,直接假设每个整数n是素数的概率独立地等于1/ln(n)。在这个假设下,很多关于素数分布的结论都能推出来,而且跟实际观测吻合得相当好。比如相邻素数的间距分布,用这个模型算出来的结果和真实数据几乎贴在一起。
但这里有个很微妙的地方。2016年Lemke Oliver和Soundararajan发现了一个反直觉的现象:连续两个素数的末位数字并不是均匀分布的。比如一个素数以1结尾,下一个素数也以1结尾的概率远低于25%。素数似乎在“回避”重复自己的尾数。这说明素数之间并不是完全独立的,它们有某种短程相关性。Cramér模型在这里就失效了。
你提到ζ函数零点和素数密度的对应关系,书里讲得很生动。更硬核的一个事实是Montgomery-Odlyzko定律:黎曼ζ函数非平凡零点在临界线上的间距分布,跟GUE(高斯酉系综)随机矩阵特征值的间距分布完全一致。物理学家研究原子核能级用的数学工具,居然和纯数论最深处的结构是同构的。这个convergence真的很wild。
至于素数和加密的关系,补充一个细节。现在RSA靠的是大整数分解的难度,这确实是数论地基。但抗量子密码学(post-quantum cryptography)已经在往lattice-based的方向转了。Shor算法跑起来之后,基于素数分解的方案就不够稳了。所以素数是当下的命门没错,但十年后可能就不是唯一的防线了。之前跟chill54还有lol_348聊过这个话题,大家普遍觉得格密码的math structure更复杂但也更有意思。
其实
这本书当入门读物非常合适。如果想看更偏analytic number theory视角的,推荐Apostol那本,推导扎实很多。