如何得到一個(gè)自洽的量子引力理論是當(dāng)今理論物理學(xué)的最大疑難之一，而近年來(lái)量子場(chǎng)論中關(guān)于“色因子和動(dòng)量因子對(duì)偶”的相關(guān)研究有可能給我們對(duì)量子引力的理解帶來(lái)深刻的變革。中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所的楊剛副研究員首次在量子場(chǎng)論五圈水平實(shí)現(xiàn)了色因子和動(dòng)量因子的對(duì)偶，是該方向上的重要進(jìn)展，對(duì)于量子引力，特別是超引力的研究可能產(chǎn)生重要的影響。

　　廣義相對(duì)論和量子力學(xué)是二十世紀(jì)的兩大重要發(fā)現(xiàn)，遺憾的是它們彼此并不自洽，這也成為人們理解自然本質(zhì)的最大疑難之一。這一不自洽的直接體現(xiàn)是引力的量子修正有非常壞的紫外發(fā)散行為，導(dǎo)致通常所說(shuō)的量子引力的不可重整性。但是，這一傳統(tǒng)觀點(diǎn)正由于引力高圈振幅計(jì)算的新進(jìn)展受到挑戰(zhàn)。高圈引力振幅的具體結(jié)果顯示，一些超對(duì)稱引力理論的實(shí)際紫外發(fā)散行為可能比人們預(yù)期的要弱得多（其中有些紫外相消的明確例子目前沒(méi)有任何理論能夠解釋），甚至于有人猜想最大超引力有可能是可重整的。這些發(fā)現(xiàn)表明引力理論很可能存在一些深刻的未知對(duì)稱性和隱藏結(jié)構(gòu)，而對(duì)它們的進(jìn)一步理解可能對(duì)最終解決量子引力問(wèn)題提供重要啟發(fā)。

　　高圈振幅的計(jì)算用傳統(tǒng)的費(fèi)曼圖方法極其困難，高圈引力振幅取得的一些新結(jié)果正是得益于近年來(lái)散射振幅領(lǐng)域的新方法研究。特別是關(guān)于色因子和動(dòng)量因子對(duì)偶(color-kinematics duality)的研究，使得傳統(tǒng)費(fèi)曼圖方法難以實(shí)現(xiàn)的高圈引力計(jì)算成為可能。色因子和動(dòng)量因子的對(duì)偶表明規(guī)范場(chǎng)中的色規(guī)范群和時(shí)空動(dòng)量有著意外的對(duì)偶關(guān)系；而且神奇的是，一旦構(gòu)造出滿足該對(duì)偶的規(guī)范場(chǎng)振幅，便可以直接得到相關(guān)的引力振幅，這也揭示了規(guī)范場(chǎng)和引力存在深刻的聯(lián)系。這些聯(lián)系至今還沒(méi)有一個(gè)很好的理解。在樹(shù)圖水平，色因子和動(dòng)量因子的對(duì)偶可以有某些構(gòu)造性的證明，但是在圈圖水平，這一對(duì)偶的存在還只是個(gè)猜想。該對(duì)偶在2012年初便已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了四圈的構(gòu)造，然而，盡管數(shù)年來(lái)有大量的五圈水平的嘗試，但一直沒(méi)有成功。特別是如果能在五圈散射振幅實(shí)現(xiàn)這一對(duì)偶，將對(duì)解決長(zhǎng)期以來(lái)關(guān)于最大超引力的五圈紫外發(fā)散的爭(zhēng)議至關(guān)重要。五圈的困難源于這一計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜而極富挑戰(zhàn)，另一方面，也讓人懷疑是否只在四圈以及更低圈的情形對(duì)偶才成立。

　　楊剛副研究員通過(guò)研究最大超對(duì)稱規(guī)范理論中的形狀因子，成功在五圈實(shí)現(xiàn)了色因子和動(dòng)量因子的對(duì)偶，是這一對(duì)偶長(zhǎng)期停留在四圈后的首次突破，預(yù)示了色因子和動(dòng)量因子的對(duì)偶應(yīng)該在更一般的意義下成立。此外，這一結(jié)果也首次給出了規(guī)范場(chǎng)中五圈形狀因子的結(jié)果，對(duì)于計(jì)算非平面五圈cusp反常量綱這一表征紅外發(fā)散的重要物理量也提供了關(guān)鍵的出發(fā)點(diǎn)。相關(guān)論文被《物理學(xué)評(píng)論快報(bào)》順利接收發(fā)表，并被審稿人評(píng)價(jià)為“理論高能物理中里程碑和燈塔式的計(jì)算”（“a landmark and lighthouse computation in theoretical high energy physics”）。

　　論文鏈接：http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.271602

　　附圖：色因子和動(dòng)量因子對(duì)偶和一個(gè)五圈圖的例子