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Coupling matter to loop quantum gravity

  • Motivated by recent proposals on the experimental detectability of quantum gravity effects, the present thesis investigates assumptions and methods which might be used for the prediction of such effects within the framework of loop quantum gravity. To this end, a scalar field coupled to gravity is considered as a model system. Starting from certain assumptions about the dynamics of the coupled gravity-matter system, a quantum theory for the scalar field is proposed. Then, assuming that the gravitational field is in a semiclassical state, a "QFT on curved space-time limit" of this theory is defined. In contrast to ordinary quantum field theory on curved space-time however, in this limit the theory describes a quantum scalar field propagating on a (classical) random lattice. Then, methods to obtain the low energy limit of such a lattice theory, especially regarding the resulting modified dispersion relations, are discussed and applied to simple model systems. Finally, under certain simplifying assumptions, using the methodsMotivated by recent proposals on the experimental detectability of quantum gravity effects, the present thesis investigates assumptions and methods which might be used for the prediction of such effects within the framework of loop quantum gravity. To this end, a scalar field coupled to gravity is considered as a model system. Starting from certain assumptions about the dynamics of the coupled gravity-matter system, a quantum theory for the scalar field is proposed. Then, assuming that the gravitational field is in a semiclassical state, a "QFT on curved space-time limit" of this theory is defined. In contrast to ordinary quantum field theory on curved space-time however, in this limit the theory describes a quantum scalar field propagating on a (classical) random lattice. Then, methods to obtain the low energy limit of such a lattice theory, especially regarding the resulting modified dispersion relations, are discussed and applied to simple model systems. Finally, under certain simplifying assumptions, using the methods developed before as well as a specific class of semiclassical states, corrections to the dispersion relations for the scalar and the electromagnetic field are computed within the framework of loop quantum gravity. These calculations are of preliminary character, as many assumptions enter whose validity remains to be studied more thoroughly. However they exemplify the problems and possibilities of making predictions based on loop quantum gravity that are in principle testable by experiment.show moreshow less
  • Motiviert durch neuere Vorschläge zur experimentellen Untersuchung von Quantengravitationseffekten werden in der vorliegenden Arbeit Annahmen und Methoden untersucht, die für die Vorhersagen solcher Effekte im Rahmen der Loop-Quantengravitation verwendet werden können. Dazu wird als Modellsystem ein skalares Feld, gekoppelt an das Gravitationsfeld, betrachtet. Zunächst wird unter bestimmten Annahmen über die Dynamik des gekoppelten Systems eine Quantentheorie für das Skalarfeld vorgeschlagen. Unter der Annahme, dass sich das Gravitationsfeld in einem semiklassischen Zustand befindet, wird dann ein "QFT auf gekrümmter Raumzeit-Limes" dieser Theorie definiert. Im Gegensatz zur gewöhnlichen Quantenfeldtheorie auf gekrümmter Raumzeit beschreibt die Theorie in diesem Grenzfall jedoch ein quantisiertes Skalarfeld, das auf einem (klassisch beschriebenen) Zufallsgitter propagiert. Sodann werden Methoden vorgeschlagen, den Niederenergieliemes einer solchen Gittertheorie, vor allem hinsichtlich der resultierenden modifiziertenMotiviert durch neuere Vorschläge zur experimentellen Untersuchung von Quantengravitationseffekten werden in der vorliegenden Arbeit Annahmen und Methoden untersucht, die für die Vorhersagen solcher Effekte im Rahmen der Loop-Quantengravitation verwendet werden können. Dazu wird als Modellsystem ein skalares Feld, gekoppelt an das Gravitationsfeld, betrachtet. Zunächst wird unter bestimmten Annahmen über die Dynamik des gekoppelten Systems eine Quantentheorie für das Skalarfeld vorgeschlagen. Unter der Annahme, dass sich das Gravitationsfeld in einem semiklassischen Zustand befindet, wird dann ein "QFT auf gekrümmter Raumzeit-Limes" dieser Theorie definiert. Im Gegensatz zur gewöhnlichen Quantenfeldtheorie auf gekrümmter Raumzeit beschreibt die Theorie in diesem Grenzfall jedoch ein quantisiertes Skalarfeld, das auf einem (klassisch beschriebenen) Zufallsgitter propagiert. Sodann werden Methoden vorgeschlagen, den Niederenergieliemes einer solchen Gittertheorie, vor allem hinsichtlich der resultierenden modifizierten Dispersonsrelation, zu berechnen. Diese Methoden werden anhand von einfachen Modellsystemen untersucht. Schließlich werden die entwickelten Methoden unter vereinfachenden Annahmen und der Benutzung einer speziellen Klasse von semiklassischen Zuständen angewandt, um Korrekturen zur Dispersionsrelation des skalaren und des elektromagnetischen Feldes im Rahmen der Loop-Quantengravitation zu berechnen. Diese Rechnungen haben vorläufigen Charakter, da viele Annahmen eingehen, deren Gültigkeit genauer untersucht werden muss. Zumindest zeigen sie aber Probleme und Möglichkeiten auf, im Rahmen der Loop-Quantengravitation Vorhersagen zu machen, die sich im Prinzip experimentell verifizieren lassen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Hanno Sahlmann
URN:urn:nbn:de:kobv:517-0000602
Advisor:Martin Wilkens, Bernd Schmidt, Thomas Thiemann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2002
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2002/09/09
Release Date:2005/02/10
Tag:Dispersionsrelationen; Loop-Quantengravitation; Quantengravitation; semiklassische Zustände
dispersion relations; loop quantum gravity; quantum gravity; semiclassical states
RVK - Regensburg Classification:UH 1080
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik