Сложи оригами — раскрой тайны квантовой Вселенной. Складки бумаги вывели физиков к формуле столкновений частиц

Амплитуэдр — геометрический объект, объём которого напрямую связан с вычислениями в квантовой физике. Его структура отражает, как взаимодействуют элементарные частицы при столкновениях. Недавно молодой математик из Корнеллского университета Павел Галашин обнаружил неожиданную связь между этой фигурой и оригами. В статье, опубликованной в октябре 2024 года, он показал, что схемы сгибов бумаги можно перевести в набор точек, образующих тот же самый амплитуэдр. Иными словами, принципы складывания листа и закономерности квантовых взаимодействий описываются одной геометрией. Благодаря этой идее Галашину удалось доказать, что амплитуэдр действительно разбивается на элементарные части без наложений и зазоров — результат, которого физики добивались более десяти лет.

Сам амплитуэдр появился как способ упростить расчёты амплитуд рассеяния — вероятностей различных исходов при столкновении частиц. Например, при взаимодействии глюонов возможны разные сценарии: они могут отразиться, объединиться или породить новые кванты. Каждый вариант описывается формулой — амплитудой рассеяния. Ранее для таких вычислений использовали диаграммы Фейнмана — графические схемы, где линии обозначают траектории частиц и их взаимодействия. Но с увеличением числа частиц количество диаграмм росло экспоненциально, и даже простое столкновение требовало миллионов вычислительных шагов.

В начале 2000-х появилась альтернатива — рекурсия Бритто–Качазо–Фэнга–Уиттена (BCFW). Она разбивает сложное взаимодействие на простые и объединяет результаты через графы, что уменьшает объём расчётов, но не избавляет от громоздкости. Промежуточные выражения получаются огромными, хотя итоговый ответ всегда гораздо компактнее.

В 2013 году физики Нима Аркани-Хамед и Ярослав Трнка предложили рассматривать эти расчёты как геометрическую задачу. Они использовали понятие положительного грассманиана — многомерного пространства всех подпространств фиксированной размерности, у которых все миноры матрицы положительны. Математик Александр Постников ещё раньше описал это пространство с помощью планарных двуцветных графов, где вершины двух цветов соединены рёбрами без пересечений. Каждому такому графу соответствует область грассманиана. Аркани-Хамед и Трнка обнаружили, что структуры, возникающие в формализме BCFW, совпадают с этими графами, и что объём определённой проекции грассманиана равен амплитуде рассеяния. Так возник амплитуэдр — геометрическое представление квантового столкновения.

Оставалось подтвердить, можно ли разложить этот объект на простейшие компоненты, которые соответствуют отдельным членам формулы. Для версии, выраженной в координатах твисторов импульса, это удалось доказать в 2021 году. Однако существовал и импульсный амплитуэдр — вариант, описывающий столкновения напрямую через импульсы частиц, который ближе к реальной физике, но гораздо сложнее в математическом описании. Его структура долго оставалась загадкой.

Галашин подошёл к проблеме с другой стороны. Работая аспирантом Постникова, он исследовал связь положительного грассманиана с моделью Изинга, описывающей поведение спинов в ферромагнетиках. В подобных задачах часто изучают границы объектов, чтобы через них понять внутреннюю структуру. В научных работах он заметил, что для визуализации сложной геометрии иногда применяются схемы сгибов оригами — линии, по которым лист нужно сложить для получения фигуры.

Математики давно интересуются вопросом, можно ли по расположению сгибов заранее определить, сложится ли лист без разрывов и перекосов. В 2023 году Галашин наткнулся на нерешённую задачу: если известны только отрезки по краю листа и их положение до и после складывания, можно ли гарантировать, что существует полная схема сгибов, которая позволит сложить фигуру плоско? Этот вопрос напомнил ему метод анализа границ в геометрии грассманиана, и после долгих раздумий он понял, что формулировку можно переписать языком импульсного амплитуэдра.

Он показал, что каждый контур листа соответствует набору векторов: один описывает положение до сгиба, другой — после. Из этих пар составляется четырёхмерный вектор, а их совокупность задаёт точку в многомерном пространстве. Эта точка, как оказалось, находится внутри импульсного амплитуэдра. Следовательно, корректная схема складок существует тогда и только тогда, когда соответствующая точка принадлежит этому геометрическому объекту.

Далее Галашин разработал алгоритм, который по заданной границе строит единственную допустимую схему сгибов. Затем он перевёл её в планарный двуцветный граф: каждая область схемы получила вершину — белую, если часть листа после складывания направлена вверх, и чёрную, если вниз; соседние области соединялись рёбрами по линиям сгиба. Такой граф задаёт конкретную область внутри амплитуэдра, а каждая граница соответствует точке, принадлежащей ровно одной из них. Из этого следует, что пересечений и пробелов быть не может: триангуляция существует и полностью заполняет фигуру.

Это доказательство удивило коллег своей наглядностью. Оно показало, что оригами может не только служить метафорой, но и стать инструментом для анализа многомерной геометрии. Физики надеются, что через эту связь удастся вычислять амплитуды рассеяния напрямую по объёму амплитуэдра, минуя промежуточные формулы. Математики видят возможность применить идею и в других областях — от статистической физики до комбинаторной топологии.

Сам Галашин признаётся, что не ожидал такой связи: между схемами оригами и геометрией квантовых процессов нет очевидных параллелей. Однако совпадение оказалось слишком точным, чтобы быть случайным. Теперь остаётся понять, почему два столь разных мира — бумажные сгибы и взаимодействия элементарных частиц — подчиняются одним и тем же геометрическим законам. Возможно, это намёк на более глубокий принцип, связывающий симметрию, пространство и физику на фундаментальном уровне.