TY  - THES
A1  - Adamek, Julian
T1  - Classical and Quantum Aspects of Anisotropic Cosmology
T1  - Klassische und Quantentheoretische Gesichtspunkte der Anisotropen Kosmologie
N2  - The idea that our observable Universe may have originated from a quantum tunneling event out of an eternally inflating false vacuum state is a cornerstone of the multiverse paradigm. Modern theories that are considered as an approach towards the ultraviolet-complete fundamental theory of particles and gravity, such as the various types of string theory, even suggest that a vast landscape of different vacuum configurations exists, and that gravitational tunneling is an important mechanism with which the Universe can explore this landscape. The tunneling scenario also presents a unique framework to address the initial conditions of our observable Universe. In particular, it allows to introduce deviations from the cosmological concordance model in a controlled and well-motivated way. These deviations are a central topic of this work. An important feature in most of the theories mentioned above is the presumed existence of additional space dimensions in excess of the three which we observe in our every-day experience. It was realized that these extra dimensions could avoid our detection if they are compactified to microscopic length scales far beyond the reach of current experiments. There also seem to be natural mechanisms available for dynamical compactification in those theories. These typically lead to a vast landscape of different vacuum configurations which also may differ in the number of macroscopic dimensions, only the total number of dimensions being determined by the theory. Transitions between these vacuum configurations may hence open up new directions which were previously compact, spontaneously compactify some previously macroscopic directions, or otherwise re-arrange the configuration of compact and macroscopic dimensions in a more general way. From within the bubble Universe, such a process may be perceived as an anisotropic background spacetime - intuitively, the dimensions which open up may give rise to preferred directions. If our 3+1 dimensional observable Universe was born in a process as described above, one may expect to find traces of a preferred direction in cosmological observations. For instance, two directions could be curved like on a sphere, while the third space direction is flat. Using a scenario of gravitational tunneling to fix the initial conditions, I show how the primordial signatures in such an anisotropic Universe can be obtained in principle and work out a particular example in more detail. A small deviation from isotropy also has phenomenological consequences for the later evolution of the Universe. I discuss the most important effects and show that backreaction can be dynamically important. In particular, under certain conditions, a buildup of anisotropic stress in different components of the cosmic fluid can lead to a dynamical isotropization of the total stress-energy tensor. The mechanism is again demonstrated with the help of a physical example.
N2  - Die Vorstellung von einem Multiversum baut unter anderem auf dem Gedanken auf, dass unser beobachtbares Universum in einem Tunnelprozess entstanden sein könnte. Demzufolge hätte es sich dabei von einem ewig währenden, inflationären Vakuumzustand abgekoppelt. Die so entstehende Blase gleicht einer bewohnbaren Insel inmitten eines gewaltigen Ozeans. Moderne Theorien, die als gute Ansätze bezüglich einer fundamentalen und ultraviolett-vollständigen Beschreibung von Elementarteilchen und Gravitation angesehen werden, wie etwa die verschiedenen Ausprägungen der Stringtheorie, legen sogar nahe, dass eine ganze "Landschaft" (im Englischen "landscape") verschiedener Vakuumzustände existiert, und dass Tunnelprozesse einen wichtigen Mechanismus darstellen, mit dem das Universum die Vielzahl an Möglichkeiten erforschen und realisieren kann. Das Tunnelszenario stellt auch einen einzigartigen Rahmen zur Verfügung, um die Anfangsbedingungen unseres beobachtbaren Universums zu untersuchen. Insbesondere besteht damit die Möglichkeit, geringfügige Abweichungen vom kosmologischen Standardmodell in kontrollierter und gut motivierter Art und Weise zu realisieren. Solche Abweichungen stellen eines der zentralen Themen dieser Arbeit dar. Eine wichtige Besonderheit der eben erwähnten Theorien ist die Annahme, dass neben den drei uns bekannten Raumdimensionen eine Vielzahl weiterer existieren könnte. Diese Zusatzdimensionen könnten vor uns verborgen sein, wenn sie kompakt sind und nur extrem mikroskopische Ausmaße haben, so dass sie sich weit unterhalb des Auflösungsvermögens heutiger Experimente befinden. Mechanismen, welche eine solche mikroskopische Gestalt dynamisch erklären könnten, sind in den gängigen Theorien auf ganz natürliche Weise verfügbar. Typischerweise ergibt sich daraus das eben gezeichnete Bild einer ausgedehnten "Landschaft" verschiedener Konfigurationen. Die Vakuumzustände können sich nun auch in der Anzahl und Gestalt der mikroskopischen Dimensionen unterscheiden, da nur die Gesamtzahl an Raumdimensionen von der Theorie vorgegeben wird. Übergänge zwischen diesen Zuständen können also dazu führen, dass neue Raumrichtungen entstehen, indem mikroskopische Dimensionen sich plötzlich aufblähen, alte Raumrichtungen verschwinden, indem sie sich spontan ins Mikroskopische zusammenziehen, oder dass die Konfiguration der Raumdimensionen auf eine noch kompliziertere Art und Weise verändert wird. Aus Sicht des neu entstehenden "Universums" in der Blase führt ein solcher Prozess effektiv zu einem anisotropen Hintergrund - vereinfacht ausgedrückt können die neu entstehenden Raumrichtungen eine Vorzugsrichtung ausweisen. Wenn unser 3+1 dimensionales beobachtbares Universum in einem solchen Prozess entstanden ist, kann man vermuten, dass sich in kosmologischen Beobachtungen Hinweise auf eine Vorzugsrichtung finden lassen müssten. Zum Beispiel könnten zwei Raumrichtungen gekrümmt wie eine Kugeloberfläche sein, während die dritte Richtung keinerlei Krümmung aufweist. Indem ich ein Tunnelszenario benutze, um die Anfangsbedingungen festzulegen, gelingt es mir zu zeigen wie die primordialen Spuren eines solchen anisotropen Universums prinzipiell auszusehen haben und führe eine Berechnung anhand eines speziellen Beispiels explizit vor. Eine geringfügige Abweichung von Isotropie hat ebenfalls phänomenologische Auswirkungen auf die spätere Entwicklung des Universums. Ich gehe auf die wichtigsten Effekte ein und zeige außerdem, dass Rückkopplung dynamisch relevant sein kann. Insbesondere kann sich unter gewissen Voraussetzungen ein Ungleichgewicht der Druckkräfte in verschiedenen Komponenten der "kosmischen Flüssigkeit" aufbauen, das insgesamt zu einer dynamischen Isotropisierung des kollektiven Energie-Impuls-Tensors führt. Dieser Mechanismus wird ebenfalls anhand eines konkreten Beispiels beleuchtet.
KW  - Kosmologie
KW  - Anisotropes Universum
KW  - Quantenkosmologie
KW  - Bianchi-Kosmologie
KW  - Anisotropic Universe
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-65908
ER  - 
TY  - THES
A1  - Koslowski, Tim Andreas
T1  - Cosmological Sectors in Loop Quantum Gravity
T1  - Kosmologische Sektoren in der Schleifenquantengravitation
N2  - This thesis is concerned with the description of macroscopic geometries through Loop Quantum Gravity, and there particularly with the description of cosmology within full Loop Quantum Gravity. For this purpose we depart from two distinct (classically virtually equivalent) ansätze: One is phase space reduction and the other is the restriction to particular states. It turns out that the quantum analogue of these two approaches are fundamentally different: The quantum analogue of phase space reduction needs the reformulation in terms of the observable Poisson algebra, so it can be applied to the noncommutative quantum phase space: It rests on the observation that the observable Poisson algebra of classical canonical cosmology is induced by the embedding of the reduced cosmological phase space into the phase space of full General Relativity. Using techniques related to Rieffel-induction, we develop a construction for a noncommutative embedding that has a classical limit that is described by a Poisson embedding. To be able to use this class of noncommutative embeddings for Loop Quantum Gravity, one needs a complete group of diffeomorphisms for the quantum theory, which is constructed. These two results are applied to construct a quantum embedding of a cosmological sector into full Loop Quantum Gravity. The embedded cosmological sector turns out to be discrete, like standard Loop Quantum Cosmology and can be interpreted as a super-selection sector thereof; however due to pathologies of the dynamics of full Loop Quantum Gravity, one can not induce a meaningful dynamics for this cosmological sector. The quantum analogue of restricting the space of states is achieved by explicitly constructing states for Loop Quantum Gravity with smooth geometry. These states do not exist within the Hilbert space of Loop Quantum Gravity, but as states on the observable algebra of Loop Quantum Gravity. This observable algebra is built from spin network functions, area operators and a restricted set of fluxes. For this algebra to be physically complete, we needed to construct a version of Loop Quantum Geometry based on a fundamental area operator. This version of Loop Quantum Geometry is constructed. Since the smooth geometry states are not in the Hilbert space of standard Loop Quantum Gravity, we needed to calculate the Hilbert space representation that contains them using the GNS construction. This representation of the observable algebra can be illustrated as a classical condensate of geometry with quantum fluctuations thereon. Using these representations we construct a quantum-minisuperspace, which allows for an interpretation of standard Loop Quantum Cosmology in terms of these states and led us to conjecture a new approach for the implementation of dynamics for Loop Quantum Gravity.
N2  - Die vorliegende Arbeit ist mit der Beschreibung makroskopischer Geometrien durch Schleifengravitation befasst und zwar insbesondere mit der Beschreibung von Kosmologie innerhalb der vollen Schleifengravitation. Für dieses Ziel verwenden wir zwei unterscheidliche (jedoch auf klassischem Level scheinbar äquivalente) Ansätze: Einerseits betrachten wir die Reduktion des Phasenraumes und andererseits die Beschränkung auf bestimmte Zustände. Es stellt sich jedoch heraus, dass sich die Quantenanaloga dieser beiden Zugänge fundamental unterscheiden: Das Quantenanalogon der Phasenraumreduktion muss als Aussage über die Observablen-Poissonalgebra umformuliert werden bevor sie auf den nichtkommutativen Phasenraum von Quantentheorien angewendet werden kann: Die zugrundeliegende Beobachtung ist, dass die Observablen-Poissonalgebra von klassischer kanonischer Kosmologie durch die Einbettung des kosmologischen Phasenraumes in den Phasenraum der Allgemeinen Relativitätstheorie induziert wird. Damit können wir eine Technik, die von der Rieffelinduktion abgeschaut ist, anwenden um die Konstruktion einer nichtkommutativen Einbettung zu entwickeln, welche sich im klassischen Limes zu einer Poissoneinbettung reduziert. Um diese Konstruktion der Einbettung auf die Schleifenquantengravitation anwenden zu können benötigt man eine vollständige Diffeomorphismengruppe für die Quantentheorie, welche erarbeitet wird. Diese beiden Ergebnisse werden angewendet um die Quanteneinbettung eines kosmologischen Sektors in die volle Schleifengravitation zu konstruieren. Dieser ist, wie die standard Schleifenkosmologie diskret und kann als Auswahlsektor derselben interpretiert werden; aufgrund von Pathologien in der Dynamik der vollen Schleifengravitation lässt sich aus dieser jedoch keine sinnvolle Dynamik für den kosmologischen Sektor induzieren. Das Quantenanalogon der Beschränkung des Raumes der Zustände basiert auf der expliziten Konstruktion von Zuständen, die eine glatte räumliche Geometrie beschreiben. Diese Zustände existieren zwar nicht im Hilbertraum der Schleifenquantengravitation, aber als Zustände auf der Observablenalgebra der Schleifenquantengravitation. Diese Observablenalgebra wird aus den Spinnetzwerken, den Flächenoperatoren und einer eingeschränkten Menge der Flüsse konstruiert. Um zu zeigen, dass diese Observablenalgebra physikalisch vollständig ist benötigen wir eine Schleifenquantengeometrie, die auf einem fundamentalen Flächenoperator aufbaut. Diese Schleifenquantengeometrie wird konstruiert. Nachdem die Zustände mit glatter Geometrie nicht im Hilbertraum der standard Schliefengravitation liegen, müssen wir aus diesen Zuständen Hilbertraumdarstellungen der Observablenalgebra durch die GNS-Konstruktion erschaffen. Diese Darstellung kann mit dem Bild eines klassichen Kondensats von Geometrie, um welches Quantenfluktuationen existieren, illustriert werden. Ausgehend von diesen Darstellungen konstruieren wir einen Quanten-Minisuperraum, welcher eine Interpretation der standard Schleifenkosmologie durch diese Zustände erlaubt. Dieser Zugang gab uns ausserdem den Hinweis auf eine mögliche Konstruktion einer Dynamik für die volle Schleifenquantengravitation.
KW  - Gravitation
KW  - Quantengravitation
KW  - Quantenkosmologie
KW  - qravitation
KW  - quantum gravity
KW  - quantum cosmology
Y1  - 2008
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-28244
ER  -