爱因斯坦把引力描述为空间和时间上的曲线，但物理学家们长期以来一直在寻找引力子的理论，它被认为是量子尺度的来源。80年来，物理学家一直在寻找量子引力理论。虽然引力子单独太弱而无法探测到，但大多数物理学家认为，这些粒子成群结队地漫游在量子领域，它们的行为以某种方式共同产生了宏观引力，就像光是一种被称为光子的粒子的宏观效应一样。但是每一个关于引力粒子如何运动的理论都面临着同样的问题：仔细观察，它在数学上没有意义。引力子相互作用的计算一开始似乎是可行的，但当物理学家试图使它们更精确时，它们却产生了“胡言乱语”——一个“无穷大”的答案。斯特尔说：“这就是量化重力的结果。”年，加州大学洛杉矶分校粒子物理学家兹维伯尔尼在与当时伦敦国王学院的保罗豪打赌时赢了一瓶葡萄酒。但是现在，伯尔尼把赌注押在了一个一度被边缘化的理论上，这个理论叫做超重力，它假定存在新的与重力相关的粒子，这些粒子可以反映引力子的效应。上世纪70年代发展起来的超重力理论，长期以来一直被认为存在“无穷”问题，这表明该理论在数学上存在缺陷。但是计算起来非常困难，没有人能确定——“直到伯尔尼和他的朋友们出现，”斯特尔说。利用新发现的工具和快捷方式，伯恩和他的团队现在正以越来越高的精度计算这些引力相互作用。这个理论非但没有吃瘪，反而一直有意义。超重力本身不能准确地描述自然，因为它是为一个更对称的理论世界而设计的。但如果这个理论在伯尔尼目前与斯特尔的打赌中站得住脚，那么它可能会为物理学家提供构建一个更现实理论所需的框架。“这意味着超重力有一个非常特殊的结构，”伯尔尼说。“我相信这将是解开引力理论的钥匙。”伯尔尼的计算是一个更大的驱动力的一部分，以了解引力的全部性质。他正在研究大量相互碰撞的引力子，但量子引力的终极理论也必须能解释构成黑洞的强大群体。黑洞带来的深奥的概念谜题表明，真正的理论将要求对宇宙有一个全新的视角——在这个视角中，空间和时间只是幻觉。另一种方法是利用振幅面体，这是一种简化某些粒子相互作用计算的物体，可以帮助物理学家解决一些难题。加州大学圣巴巴拉分校理论物理学教授史蒂夫·吉丁斯是黑洞悖论方面的领先专家。“我们可以在计算中看到黑洞的轮廓。”量子爱因斯坦的理论认为，引力是空间和时间曲线的结果。当时空结构在重物的重压下伸展时，较小的物体就会向它们坠落。爱因斯坦的理论完美地描述了宏观尺度上的引力，即苹果落地和地球绕太阳公转。但是，当他的计算引力相互作用结果的方程被应用到时空结构中可能存在的最小波纹(称为引力子的能量束)时，计算就乱了套。“爱因斯坦的引力被无限所污染，”斯特尔说。问题是引力子理论上可以以无穷多种方式相互作用。物理学家计算“散射振幅”，即表示粒子相互作用不同结果的概率的数字，方法是绘制粒子在相互作用过程中可能发生变形或洗牌的各种方式的图像，然后将不同图像的可能性相加。(这些图片以它们的发明者理查德·费曼的名字命名，被称为“费曼图”。)不太可能的是，复杂的图表远远多于简单的图表。这意味着计算每一个新精度水平的散射振幅需要绘制指数级的费曼图，并求解一个复杂得多的数学公式。在某些情况下，这些公式简化得很好。对于爱因斯坦方程所定义的引力子相互作用，它们没有。超重力试图通过在爱因斯坦的理论中加入新的“超对称性”来提供帮助。就像镜子一样，这些规则规定，如果存在一种粒子，那么它的对立面也必须存在。在N=8超重力理论的一个变种中，有8个这样的加倍，新的镜像粒子让物理学家可以抵消公式中一些比较麻烦的部分。这种方法适用于前四个精度级别。但专家们长期以来一直怀疑，如果他们试图使计算更精确，无穷大将再次抬头。石溪大学的物理学家克里斯坦詹森解释说：“你会发现，这些图表非常复杂，超对称性再也无法抵消它们了。”上世纪90年代，伯尔尼、加州门洛帕克SLAC国家加速器实验室的兰斯迪克森和法国的戴维科索尔开发了计算散射振幅的强大新技术，他们的捷径简化了对已知自然粒子的计算，使理论学家能够以惊人的精度预测瑞士大型强子对撞机碰撞的结果，然后以偏离这些预测的形式寻找“新物理学”。在21世纪头十年中期，伯尔尼、迪克森、科索沃和其他合作者也开始将这些技术应用到更理论化、更强大的超重力计算中，这些计算在几十年前就被放弃了。斯坦福大学与伯尔尼合作的物理学家约翰约瑟夫卡拉斯科说，当计算开始产生有限的结果时，“这简直是令人难以置信的震惊。”完成超重力计算最有力的捷径来自欧洲核子研究中心实验室的伯尔尼、卡拉斯科和亨里克约翰森的发现：引力子的行为就像两个胶子的复制品，胶子是强核力的载体，它将夸克“粘”在原子核内。引力子和胶子之间的这种“双重复制”关系已经出现在研究人员所研究的每一种超重力变体中，他们希望这种关系在量子引力的正确理论中也能成立，无论自然界是否存在超对称性。在实践中，这一发现意味着，一旦胶子的散射振幅以特定的形式被计算到给定的精度水平，“提取重力振幅就是小把戏，”迪克森说。double-copy属性不仅仅是一个计算工具。“这也是我们看待引力理论的哲学转变，”伯尔尼说。“这非常具体，绝对清楚地表明(引力子和胶子)确实属于一起。它们真的应该成为统一理论的一部分。”用吉丁斯的话来说，“这极具启发性。因为物理学家有一个可操作的描述胶子的量子理论，称为量子色动力学，双拷贝特性表明超重力(或相关理论)也可能起作用。在与斯特尔的最新赌注中，伯尔尼和他的合作者将对N=8的超重力进行前所未有的测试。如果他们能计算出引力子碰撞时的精确程度，即在4.8个时空维度的虚拟世界中被称为“五环”，那么伯尔尼就赢了。在这种情况下，斯特尔必须给他一瓶英国查珀尔唐恩酒庄出产的干弗林特酒。“这是威廉和凯特婚礼上的酒，”斯特尔解释说。另一方面，如果计算在4.8维中得到无穷大，那么Stelle就赢了。在这种情况下，伯尔尼必须从纳帕谷的雄鹿跳跃处购买一瓶葡萄酒。当然，分数维并不存在。但是Stelle和他的同事们已经证明了4.8维的五次循环计算与现实世界中更为困难的七次循环计算大致相符。斯特尔说，如果这一理论在一定程度上仍然是有限的，“那将是一个真正的奇迹。”在N=8的超重力条件下，粒子之间和谐的相互作用将超出物理学家的理解。现在就断言伯尔尼和斯特尔之间的赌注会有什么结果还为时过早。《物理评论快报》上的一项研究中，伯尔尼的团队发现，超重力理论的另一种变体N=4的“表现远远好于预期”，这个结果改变了这种可能性。伯恩说：“公平地说，现在形势对我有利。黑洞问题任何量子引力理论都必须抓住黑洞。爱因斯坦的理论将黑洞描述为时空中不可避免的陡峭曲线，但在更基本的层面上，黑洞是复杂的量子系统，甚至超越了引力子的描述。解释这些系统可能需要对自然如何运作有一个全新的视角。当粒子与总能量超过亿个质子(称为“普朗克能量”)碰撞时，就形成了黑洞。在如此高的能量下，需要无数的费曼图才能对散射振幅做出粗略的近似。这削弱了物理学家直接计算黑洞详细量子特性的努力，即使是那些在N=8超重力控制下的高度对称世界中也是如此。把伯尔尼和他的同事们对低能引力子的计算外推到高能量上，粗略地再现了我们熟悉的黑洞图景——即时空中的陡峭曲线。但这一推断还不够详细，不足以回答物理学家关于黑洞的最深层问题：落入黑洞的粒子的信息会发生什么变化(所谓的信息悖论)。根据量子力学的原理，关于粒子状态的信息永远不会被破坏。因此，当粒子坠入黑洞时，信息也必须随之进入。但量子力学也说黑洞会蒸发，最终完全消失。信息去哪里了？物理学家们仍在积极地讨论信息悖论，但越来越多的人一致认为，信息悖论的解决最终将迫使他们放弃一个长期存在的假设，即局部性，即粒子只在空间和时间的相邻位置相互作用。如果黑洞内外的粒子能以某种方式交换信息，那么来自蒸发黑洞的信息就能被挽救。“局部性是我们今天对物理学的基本描述的基石，”吉丁斯说，“但在我看来，最不疯狂的事情就是以某种方式修改它。”从粒子物理学中去除局部性可能需要对伯尔尼和其他物理学家计算散射振幅的方法进行彻底的重新表述，因为费曼图是基于粒子在时空中从相邻点相互作用的假设绘制的。受到这个问题的启发，新泽西州普林斯顿高等研究院的物理学教授尼玛最近，他发现了一种计算散射振幅的简单得多的方法——至少对于高度超对称的量子物理学来说是这样。在新方法中，可以通过测量幅面体的体积来计算饺子散射振幅。幅面体是一种几何对象，其形状由参与相互作用的胶子的数量和性质决定。计算时根本不考虑地点；在空间和时间中发生碰撞的印象仅仅是计算结果的一个特征。“振幅有正确的感觉，”吉丁斯说。“这些人发现了这个用来描述振幅的非常漂亮的结构，这可能是发现了一些观察引力的深刻新方法，这些新方法将延续到黑洞体系。”伯尔尼和他的同事在计算超重力时没有使用振幅面体，但“我们肯定在考虑如何导入他们的想法，反之亦然，”他说。振幅面体对应于胶子之间的相互作用，因此引力子的行为就像两个胶子的复制品，这一事实可以为我们指明一条通往包含两个基本粒子的几何学之路。“如果存在一个类似于振幅的重力物体，”Arkani-Hamed说，“这个想法是，存在于时空之外的物体，它能给你任何散射事件的答案。”有时，答案会是局部的，传达出空间和时间存在的印象。对于与构成黑洞的未知量子系统的相互作用，答案将不依赖于空间和时间。吉丁斯说:“真正的问题是了解这是如何运作的。“在很多情况下，我们的物理行为都是局部性的，但在黑洞存在的情况下，我们的物理行为却与局部性有明显的背离，这是怎么做到的呢?”我们如何考虑位置从何而来，为什么它不精确?”物理学家们正在积极地讨论量子引力研究的不同线索如何结合在一起。一个模糊的照片可能是新兴的引力子,胶子和其他粒子行动一致,也许是一些大的组件,非局部几何,但他们警告说,还需要大量的努力使他们宽松的思想在数学上混凝土,并适应现实世界。正如詹森所说，“有故事，也有计算。”伯尔尼报告说，他和他的合作者正在“非常努力地推进”他们最新的超重力计算。在接下来的几个月里,如果他们得到一个有限的答案引力子散射在4.8维,N=8超引力就会看起来像一个可行的、可计算的量子引力理论更比以往任何时候,激发粒子物理学家试图调整理论来描述不对称的我们生活的世界。迪克森说:“我们必须后退一步，试图找到扭转这一理论并保持其有限性的方法。”另一方面，如果N=8在压力作用下产生超重力裂缝，那么理论中一定缺少重要的因素，就像爱因斯坦的引力中缺少重要的因素一样。许多粒子物理学家认为，这些缺失的因素将成为弦理论的一部分。弦理论是一种更为复杂的自然理论，它包含了超重力，并表示引力子和所有其他粒子实际上是一维线，或“弦”。结合弦的振动效果来修正计算。但是弦理论并不能预测一组独特的散射振幅(相反，它有大量可能的解)，因此寻找一种可计算和预测的引力子散射理论将会遇到障碍。
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