Andreas Degner, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2013 :

"States of Low Energy on Cosmological Spacetimes"



Schlagwörter: Einstein equation, semiclassical; field theory, quantum; cosmological model
PACS : 03.65.Sq, 03.70.+k, 04.62.+v, 98.80.Jk, 98.80.Qc

Summary

Kurzfassung

Die vorliegende Dissertation untersucht die Eigenschaften einer Klasse von physikalischen Zuständen des quantisierten Skalarfeldes auf FRWRaumzeiten, die sogenannten Zustände niedriger Energie (ZnE). Diese Zustände sind charakterisiert durch ihre Eigenschaft, die durch eine glatte Testfunktion f kompakten Trägers zeitlich verschmierte Energiedichte eines isotropen Beobachters zu minimieren und darüber hinaus alle räumlichen Symmetrien der Raumzeit zu besitzen. Da sie Hadamardzustände sind, können Erwartungswerte von Observablen wie der Energiedichte rigoros über die sogenannte Pointsplitting-Methode definiert werden. Zunächst wird dieses Programm auf die explizite Berechnung der Energiedichte in ZnE auf dem de Sitter Hintergrund mit räumlich flachen Cauchyflächen angewendet. Dabei wird insbesondere der Einfluss der Masse m und der Wahl der Testfunktion f untersucht. Die Ergebnisse führen dann zu der Frage, ob die ZnE gegen den ausgezeichneten Grundzustand der betrachteten Raumzeit (hier das Bunch-Davies Vakuum) konvergieren, wenn der Träger von f gegen die unendliche Vergangenheit strebt. Wir zeigen dass dies zutrifft und sogar auf die Klasse der asymptotischen de Sitter Raumzeiten verallgemeinert werden kann, auf denen ein Analogon zum Bunch-Davies Vakuum existiert. Dieses Resultat zeigt, dass dieser ausgezeichnete Grundzustand als Zustand niedriger Energie in der unendlichen Vergangenheit interpretiert werden kann, und zwar unabhängig von der genauen Form von f. Schließlich diskutieren wir die Rolle von Zuständen niedriger Energie für das Rückwirkungsproblem. Wir leiten die semiklassische Friedmanngleichung mittels eines Störungsansatzes um den Minkowskiraum her. Durch diese Gleichung kann die Stabilität des Minkowskiraumes untersucht werden, indem das asymptotische Langzeitverhalten von perturbativen Lösungen für den Skalenfaktor analysiert wird. Zum Schluss präsentieren wir ein numerisches Lösungsverfahren.

Titel

Kurzfassung

Summary

The present thesis investigates properties of a class of physical states of the quantised scalar field in FRW spacetimes, namely the states of low energy (SLE's). These states are characterised by minimising the time smeared energy density measured by an isotropic observer, where the smearing is performed with respect to a test function f of compact support. Furthermore, the SLE's share all spatial symmetries of the spacetime. Since SLE's are Hadamard states, expectation values of observables like the energy density can be rigorously defined via the so called point splitting method. In a first step, this procedure will be applied to the explicit calculation of the energy density in SLE's for the case of de Sitter space with flat spatial sections. In particlar, the effect of the choice of the mass m and the test function f will be discussed. The obtained results motivate the question whether SLE's converge to a distinguished state (namely the Bunch Davies state) when the support of f is shifted to the infinite past. It will be shown that this is indeed the case, even in the more general class of asymptotic de Sitter spacetimes, where an analogon of the Bunch Davies state can be defined. This result enables the interpretation of such distinguished states to be SLE's in the infinite past, independently of the form of the smearing function f. Finally the role of SLE's for the semiclassical backreaction problem will be discussed. We will derive the semiclassical Friedmann equation in a perturbative approach over Minkowski space. This equation allows for a stability analysis of Minkowski space by the investigation of asymptotic properties of solutions. We will also treat this problem using a numerical method.