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Bitte beziehen Sie sich beim Zitieren dieses Dokumentes immer auf folgende
URN: urn:nbn:de:kobv:517-opus-61869
URL: http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2012/6186/


Rivera Hernández, Sergio

Tensorial spacetime geometries carrying predictive, interpretable and quantizable matter dynamics

Tensorielle Raumzeit-Geometrien, welche prädiktive, interpretierbare und quantisierbare Materiefeld-Dynamiken tragen können

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Dokument 1.pdf (942 KB) (SHA-1:b165a85ff7f1f035c4504178cba402ea1c8a7e50)


Kurzfassung in Englisch

Which tensor fields G on a smooth manifold M can serve as a spacetime structure? In the first part of this thesis, it is found that only a severely restricted class of tensor fields can provide classical spacetime geometries, namely those that can carry predictive, interpretable and quantizable matter dynamics. The obvious dependence of this characterization of admissible tensorial spacetime geometries on specific matter is not a weakness, but rather presents an insight: it was Maxwell theory that justified Einstein to promote Lorentzian manifolds to the status of a spacetime geometry. Any matter that does not mimick the structure of Maxwell theory, will force us to choose another geometry on which the matter dynamics of interest are predictive, interpretable and quantizable.

These three physical conditions on matter impose three corresponding algebraic conditions on the totally symmetric contravariant coefficient tensor field P that determines the principal symbol of the matter field equations in terms of the geometric tensor G: the tensor field P must be hyperbolic, time-orientable and energy-distinguishing. Remarkably, these physically necessary conditions on the geometry are mathematically already sufficient to realize all kinematical constructions familiar from Lorentzian geometry, for precisely the same structural reasons. This we were able to show employing a subtle interplay of convex analysis, the theory of partial differential equations and real algebraic geometry.

In the second part of this thesis, we then explore general properties of any hyperbolic, time-orientable and energy-distinguishing tensorial geometry. Physically most important are the construction of freely falling non-rotating laboratories, the appearance of admissible modified dispersion relations to particular observers, and the identification of a mechanism that explains why massive particles that are faster than some massless particles can radiate off energy until they are slower than all massless particles in any hyperbolic, time-orientable and energy-distinguishing geometry.

In the third part of the thesis, we explore how tensorial spacetime geometries fare when one wants to quantize particles and fields on them. This study is motivated, in part, in order to provide the tools to calculate the rate at which superluminal particles radiate off energy to become infraluminal, as explained above. Remarkably, it is again the three geometric conditions of hyperbolicity, time-orientability and energy-distinguishability that allow the quantization of general linear electrodynamics on an area metric spacetime and the quantization of massive point particles obeying any admissible dispersion relation. We explore the issue of field equations of all possible derivative order in rather systematic fashion, and prove a practically most useful theorem that determines Dirac algebras allowing the reduction of derivative orders.

The final part of the thesis presents the sketch of a truly remarkable result that was obtained building on the work of the present thesis. Particularly based on the subtle duality maps between momenta and velocities in general tensorial spacetimes, it could be shown that gravitational dynamics for hyperbolic, time-orientable and energy distinguishable geometries need not be postulated, but the formidable physical problem of their construction can be reduced to a mere mathematical task: the solution of a system of homogeneous linear partial differential equations. This far-reaching physical result on modified gravity theories is a direct, but difficult to derive, outcome of the findings in the present thesis.

Throughout the thesis, the abstract theory is illustrated through instructive examples.

Kurzfassung in Deutsch

Welche Tensorfelder G auf einer glatten Mannigfaltigkeit M können eine Raumzeit-Geometrie beschreiben? Im ersten Teil dieser Dissertation wird es gezeigt, dass nur stark eingeschränkte Klassen von Tensorfeldern eine Raumzeit-Geometrie darstellen können, nämlich Tensorfelder, die eine prädiktive, interpretierbare und quantisierbare Dynamik für Materiefelder ermöglichen. Die offensichtliche Abhängigkeit dieser Charakterisierung
erlaubter tensorieller Raumzeiten von einer spezifischen Materiefelder-Dynamik ist keine Schwäche der Theorie, sondern ist letztlich genau das Prinzip, das die üblicherweise betrachteten Lorentzschen Mannigfaltigkeiten auszeichnet: diese stellen die metrische Geometrie dar, welche die Maxwellsche Elektrodynamik prädiktiv, interpretierbar und quantisierbar macht. Materiefeld-Dynamiken, welche die kausale Struktur von Maxwell-Elektrodynamik nicht respektieren, zwingen uns, eine andere Geometrie auszuwählen, auf der die Materiefelder-Dynamik aber immer noch prädiktiv, interpretierbar und quantisierbar sein muss.

Diesen drei Voraussetzungen an die Materie entsprechen drei algebraische Voraussetzungen an das total symmetrische kontravariante Tensorfeld P, welches das Prinzipalpolynom der Materiefeldgleichungen (ausgedrückt durch das grundlegende Tensorfeld G) bestimmt: das Tensorfeld P muss hyperbolisch, zeitorientierbar und energie-differenzierend sein. Diese drei notwendigen Bedingungen an die Geometrie genügen, um alle aus der Lorentzschen Geometrie bekannten kinematischen Konstruktionen zu realisieren. Dies zeigen wir im ersten Teil der vorliegenden Arbeit unter Verwendung eines teilweise recht subtilen Wechselspiels zwischen konvexer Analysis, der Theorie partieller Differentialgleichungen und reeller algebraischer Geometrie.

Im zweiten Teil dieser Dissertation erforschen wir allgemeine Eigenschaften aller solcher hyperbolischen, zeit-orientierbaren und energie-differenzierenden Geometrien. Physikalisch wichtig sind der Aufbau von frei fallenden und nicht rotierenden Laboratorien, das Auftreten modifizierter Energie-Impuls-Beziehungen und die Identifizierung eines Mechanismus, der erklärt, warum massive Teilchen, die sich schneller als einige masselosse Teilchen bewegen, Energie abstrahlen können, aber nur bis sie sich langsamer als alle masselossen Teilchen bewegen.

Im dritten Teil der Dissertation ergründen wir die Quantisierung von Teilchen und Feldern auf tensoriellen Raumzeit-Geometrien, die die obigen physikalischen Bedingungen erfüllen. Eine wichtige Motivation dieser Untersuchung ist es, Techniken zur Berechnung der Zerfallsrate von Teilchen zu berechnen, die sich schneller als langsame masselose Teilchen bewegen. Wir finden, dass es wiederum die drei zuvor im klassischen Kontext identifizierten Voraussetzungen (der Hyperbolizität, Zeit-Orientierbarkeit und Energie-Differenzierbarkeit)
sind, welche die Quantisierung allgemeiner linearer Elektrodynamik auf einer flächenmetrischen Raumzeit und die Quantizierung massiver Teilchen, die eine physikalische Energie-Impuls-Beziehung respektieren, erlauben. Wir erkunden auch systematisch, wie man Feldgleichungen aller Ableitungsordnungen generieren kann und beweisen einen Satz, der verallgemeinerte Dirac-Algebren bestimmt und die damit Reduzierung des Ableitungsgrades einer physikalischen Materiefeldgleichung ermöglicht.

Der letzte Teil der vorliegenden Schrift skizziert ein bemerkenswertes Ergebnis, das mit den in dieser Dissertation dargestellten Techniken erzielt wurde. Insbesondere aufgrund der hier identifizierten dualen Abbildungen zwischen Teilchenimpulsen und -geschwindigkeiten auf allgemeinen tensoriellen Raumzeiten war es möglich zu zeigen, dass man die Gravitationsdynamik für hyperbolische, zeit-orientierbare und energie-differenzierende Geometrien nicht postulieren muss, sondern dass sich das Problem ihrer Konstruktion auf eine rein mathematische Aufgabe reduziert: die Lösung eines homogenen linearen Differentialgleichungssystems. Dieses weitreichende Ergebnis über modifizierte Gravitationstheorien ist eine direkte (aber schwer herzuleitende) Folgerung der Forschungsergebnisse dieser Dissertation.

Die abstrakte Theorie dieser Doktorarbeit wird durch mehrere instruktive Beispiele illustriert.

Freie Schlagwörter (Englisch): refined spacetime geometries , modified dispersion relations , modified gravitational dynamics , Finsler geometry , quantization of field theories
RVK - Regensburger Verbundklassifikation: UH 8500 , UO 4000
Institut: Institut für Physik und Astronomie
Fakultät: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: a Dissertation
Hauptberichter: Schuller, Frederic P. (Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 17.07.2012
Erstellungsjahr: 2012
Publikationsdatum: 04.10.2012
Bemerkung: PACS-Klassifikation: 03.70.+k , 04.20.Gz , 04.50.Kd
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