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Exkurs zur kanonischen Quantisierung der Gravitation

Jenseits des etablierten Standardmodells der Elementarteilchenphysik und der Allgemeinen Relativitätstheorie, d.h. Quantengravitation, Supersymmetrie und Supergravitation, Stringtheorien...
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Exkurs zur kanonischen Quantisierung der Gravitation

Beitrag von tomS » 5. Aug 2010, 07:15

Hallo,

anbei ein kleiner Exkurs zur Constraint-Quantisierung der Gravitation - anlässlich dieses Beitrages:
Sculletto hat geschrieben:Ich will bei der Gelegenheit auch schon mal so viel verraten: Grundlage ist dabei die kanonische Quantengravitation. Bei der kommt heraus, dass die von uns wahrgenommene 4-dim. Raumzeit einem Pfad auf einem Superraum entspricht, von dem jeder Punkt für eine raumartige Hyperfläche mit einer Dreiergeometrie und einem Satz von nichtgravitativen Feldern steht. Das kann man so deuten, dass nicht die Raumzeit das fundamentale Objekt ist, sondern die Hyperflächen erst die Bausteine der Raumzeit bilden. Damit ist dann auch automatisch eine absolute Gleichzeitigkeit gegeben: zwei Ereignisse sind gleichzeitig, wenn sie der gleichen Hyperfläche, d.h. dem gleichen Punkt im Superraum angehören. Die Raumzeit in Hyperfläche zerlegen kann man zwar schon in der ART, dort ist die Zerlegung aber willkürlich. Die kanonische Quantengravitation aber lässt sich so verstehen, dass die Zerlegung eben nicht willkürlich ist, da sich nicht die Hyperflächen aus der Zerlegung der Raumzeit ergeben (wie im ART-Bild), sondern umgekehrt, die Raumzeit aus der Abfolge der Hyperflächen (ein Ei-Henne-Problem, wenn man so will).
Das ist so nicht ganz richtig; die verschiedenen Zerlegungen (engl. foliations) bleiben auch bei der Quantisierung äquivalent. Ausdruck dessen ist die Constraint-Algebra der kanonischen Quantisierung, nämlich G[up]a[/up], D[up]a[/up] und H, wobei G[up]a[/up] lokale Lorentztransformationen im Tangentialraum, D[up]a[/up] raumartige Diffeomorphismen und H zeitartige Diffeomorphismen generiert (und diese eben die Äquivalenz der Zerlegungen beinhalten). Die Tatsache, dass die Constraints als Bedingungen an physikalische Zustände Null sind (insbs. der Hamiltonoperator H) zeigt, dass der Hilbertraum die volle Symmetrie der ART trägt. Zur Implementierung der Constraints ein Beispiel aus der Quantenmechanik (ohne Rechnung, aber evtl. kriegst du die selbst hin).

Betrachte ein Zweiteilchensystem mit dem üblichen kinetsichen Term im Hamiltonoperator sowie einem Wechselwirkungsterm der Form V(|r[down]1[/down]-r[down]2[/down]|)
Üblicherweise transformiert man zuerst auf Schwerpunktskoordinaten r und R, setzt P=0 und quantisiert dann in r und p, was auf ein Zentralpotential mit reduzierter Masse hinausläuft
Man kann aber auch in den ursprünglichen Koordinaten quantisieren und eine unitäre Transformation durchführen, die (r[down]1[/down],r[down]2[/down],p[down]1[/down],p[down]2[/down]) nach (r,R,p,P) überführt
Die unitäre Trf. in der QM entspricht exakt der kanonischen Trf. in der klassischen Mechanik
Damit hat man nun aber noch den ursprünglichen Hilbertraum; wie wird man nun R und P los?
Ganz einfach: wenn man die Trf. so wählt, dass eben genau Relativkoordinate r und -impuls p entstehen, dann hat der transformierte Hamiltonoperator die Struktur H[r,p,P], wobei der R-Term wegen der Form des Potentials V(|r[down]1[/down]-r[down]2[/down]|) = V(|r|) wegfällt.
Damit ist eine Lösung in P extrem einfach, es handelt sich nämlich um ein "freies Teilchen" der Masse M mit Impuls P, also um ebene Wellen für den Schwerpunkt R.
Erst jetzt führt man den "Constraint" P=0 als Bedingung an physikalische Zustände ein, also P|phys> = 0, was der Wahl eines bestimmten Unterraumes entspricht
(der Operator P ist nicht Null, da er immer noch die kanonischen Vertauschungsrelationen mit R erfüllen muss!)
Da P mit H vertauscht, bleibt dieser Constraint unter Zeitentwicklung erhalten

Ähnlich funktioniert die kanonische Quantisierung in QED, QCD und QG, jedoch mit einigen bedeutsamen Unterschieden:
Die Constraints folgen zwingend aus der lokalen Eichsymmetrie bzw. der Diffeomorphismen-Invarianz und werden nicht per Hand eingeführt
Die Implementierung der Constraints ist wesentlich komplizierter (in der QED einieg Seitenm Rechnung, wer Gupta-Bleuler versteh, hat damit keine Probleme; in der QCD eine Veröffentlichung von 50 Seiten mit einigen Mannjahren Arbeit dahinter; in der LQG ein Zeitraum von 1987 bis heute - da die genaue Form von H immer noch diskutiert wird)

Der Witz in der QG ist, dass H die Zeitentwicklung in einer lokal zur Hyperfläche orthogonalen Richtung generiert, also einer Koordinatenzeit. Diese ist jedoch unphysikalisch (willkürlich bis auf Symmetrietransformationen). Daher ist H|phys> = 0 und somit die Zeitentwicklung U = expi(-iht), U|phys> = Id|phys>. Damit ist gesagt, dass der physikalische Sektor des Hilbertraumes für eine einmal gewählte Foliation unter dieser Zeitentwicklung invariant ist. Alle unterschiedlichen Foliationen generieren zunächst unterschiedliche Hilberträume, diese sind jedoch unitär äquivalent.

Der Hintergrund ist die Diffeomorphismeninvarianz der ART. Man erkennt dies in einem weiteren ToySpielzeugmodell, dem freien relativistischen Teilchen.

Man geht aus von der üblichen Wirkung als Integral über ds, und schreibt diese wie gewöhnlich um mittels der Vierervektoren x[up]a[/up] und einem Parameter, der die Weltlinie parametrisiert
Dannn berechnet man auf dem Standardweg die kanonisch konjugierten Impulse p[up]a[/up] durch Legendre-Transformation (entspricht der Impulsen zu diesem Parameter)
Man beachte, dass man vier Impulse bekommt, obwohl man ja nur drei Freiheitsgrade erwartet; ein Impuls ist sozusagen zeitartig
Um den überzähligen Impulslsozuwerden, benötigt man einen Constraint
Diesen liefert aber genau der Hamiltonoperator, der in deen Viereimpulsen p dir Form H=p²-m² annimmt, was natürlich wiederum Null ergeben muss

Die Reparametrisierunsginvarianz der Weltlinie des freien Teilchens ist das Analogon zu den zeitartigen Diffeomorphismen in der Quantengravitation und führt in beiden Fällen auf einen Hamiltonschen Constraint.
Gruß
Tom

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Exkurs zur kanonischen Quantisierung der Gravitation

Beitrag von tomS » 5. Aug 2010, 23:04

Sorry für die Konfusion.

Zunächst mal bin ich davon ausgegangen, das du die Quantisierung in Ashtekar-Variablen meinst. Die von der verwendete Qantisierung ist seit einigen Jahrzehnten eher "out", da die Wheeler-deWitt Gleichung ziemlich pathologisch bzw. nicht lösbar ist. Ohne auf die Details einzugehen: die Ashtekar-Variablen basieren auf der Vierbein-Formulierung und weist eine zusätzliche lokale Eichsymmetrie auf, die deine Quantisierungsmethode nicht zeigt. Entsprechend hast du ein kein Gaußsches Gesetz.

Das ändert aber nichts an der Tatsache, dass der wesentliche Constraint H in beiden Formulierungen ziemlich gleichbedeutend ist. Du hast recht, die Folation der Raumzeit und die Hyperflächen bleiben bei den Transformationen unverändert; aber die Constraints garantieren, das die genaue Wahl der Foliation irrelevant ist.

Die von dir genannte "gängige Deutung" der kanonischen QG in der Feynman Pfadintegraldarstellung mit Pfaden im Superraum ist ebenfalls eher "out", da sie keine echten Ergebnisse produziert hat. Die heute vorherrschenden Ideen stammen sämtlich as der Schleifenquantengravitation (dazu habe ich einiges im Quantengravitations-Forum geschrieben; würde mich freuen, wenn es dir weiterhilft)

Die von mir angeführten Beispiele aus der Quantenmechanik sollen nichts über das hier diskutierte Problem der Gleichzeitigkeit und der Überlichtgeschwindigkeit sagen, sondern nur die Constraint-Quantisierung erläutern. Genau das selbe trifft auf QED und QCD zu. Du siehst die Analogie nicht, weil du nicht die Ashtekar-Variablen nutzt. Im wesentlichen kann man sagen, ist die Struktur der QG = Struktur der QCD + Diffeomorphismeninvarianz.

Richtig ist, dass die Hintergrundunabhängigkeit einen wesentlichen Unterschied darstellt.

Deine letzte Bemerkung "solange man sich nur für die Wellenfunktion interessiert, mag das ausschlaggebend sein. Die Wellenfunktion alleine ist aber aus den o.g. Gründen wenig spannend. In diesem Sinne unterscheidet sich die kanonische QG erheblich von der gewöhnlichen QT." verstehe ich überhaupt nicht.
Gruß
Tom

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Exkurs zur kanonischen Quantisierung der Gravitation

Beitrag von tomS » 6. Aug 2010, 10:38

Ich bin mir nicht sicher, ob ich deine Probleme verstanden habe:

Zunächst mal zum Gaußschen Gesetz: das tritt in der Ashtekar-Formulierung auf, weil die Theorie im Tangentialraum (also mittels Drei- oder Vierbein) formuliert wird. Damit wird die lokale Eichsymmetrie der Theorie sichtbar. Wenn du das in der Metrik formulierst, dann hast du diese Eichsymmetrie und damit das Gaußsche Gesetz nicht. Das ist nicht grundsätzlich phyikalisch schlimm, nur verzichtest du damit auf die Möglichekit, Methoden der Eichtheorien anzuwenden. Du hast recht, für deine Überlegungen spielt das keine so große Rolle.

Bzgl. der Bedeutung von H sowie der Wahl der Foliation stimmen wir offensichtlich nicht überein.

Nochmal zu meinem quantenmechanischen Beispiel. Stell dir vor, der Constraint P=0 entstammt der Theorie selbst (und wird nicht von Hand eingeführt). Zunächst mal sieht es so aus, als ob man hier die Translationsinvarianz der Theorie bricht, indem man R=0 setzt (man stellt sich das ja klassisch so vor: wo das zwei-Teilchen System sitzt ist egal, also setzt man R=0). Aber genau das tut man nicht, wenn man die von mir vorgeschlagene Quantisierung anwendet. Man setzt nicht R=0 sondern P=0. Und letzteres garantiert, dass man R=0 setzen könnte, weil R=const aus P=0 folgt. D.h. man kann das Problem für R, P abspalten und eine beliebige Wahl treffen, ohne dass die physikalisch relevante Symmetrie in r und p und damit das Spektrum der Theorie beeinflusst wird.

Übertrage das nun auf die kanonische QG. Man hat H=0 und D=0. Diese beiden Constraints garantieren, dass eine beliebige Wahl der Foliation das Spektrum der Theorie sowie die physikalischen Symmetrien nicht beeinflusst. D.h. dass die Lösung der Theorie unabhngig davon ist, wie diese Foliation genau ausschaut (man sieht das ja auch daran, dass man nie genau eine Foliation betrachtet, sondern immer alle möglichen Foliationen). Diese Analogie wollte ich mit der Quantisierunsgmethode erklären.

Der Unterschied zwischen der Verwendung der Spinnetzwerke und den Spinfoams schwindet glücklicherweise dahin; gerade in den letzten beiden Jahren hat Rovelli selbst dazu beigetragen, dass die beiden Formalismen gegeneinander konvergieren. Insbs. Konnte er eine neue Darstellung von H ableiten, die wohl einige der unphysikalischen Eigenschaften des alten H vermeidet (zur Zeit, als Rovelli sein Busch schrieb, war noch die Thiemann'sche Form von H in Gebrauch, die sich von dem neuen H in der Art und Weise unterscheidet, wie die Regularisierung auf den Simplizes durchgeführt wird).
Gruß
Tom

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Re: Exkurs zur kanonischen Quantisierung der Gravitation

Beitrag von tomS » 6. Aug 2010, 10:50

So, ich habe ein eigenes Thema daraus gemacht.
Gruß
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Re: Exkurs zur kanonischen Quantisierung der Gravitation

Beitrag von tomS » 6. Aug 2010, 13:32

Hallo,

spannende Sache!

Nein, es gibt keine Foliationsabhängigkeit.

Schau dir bitte nochmal mein Beispiel aus der Quantenmechanik an. Die Bedingung P=0 sowie die Form des Potentials garantieren, dass R irrelevant für die Struktur des Hilbertraumes und die physikalischen Eigenschaften (Spektrum etc.) ist. Insofern ist P=0 das Äquivalent zu den Constraints H=0 und D=0. Wenn nun eine Foliationsabhängikeit gegeben wäre bzw. entstünde, wenn also R explizit das Spektrum in dem reduzierten ("eichfixierten") Hilbertraum für r und p beeinflussen würde, dann hättest du eine Anomalie dieser Operatoralgebra und somit eine inkonsistente Theorie. Anders gesagt, der physikalische Hilbertraum in r und p ist unabhängig von der Wahl von R, denn R kommt gar nicht mehr vor; es gibt keine Wahl von R mehr; R ist eine unphysikalsche Variable geworden (in dem man P=0 als Constraint auf den physikalischne Zuständen angeandt hat).

Genauso wird die Wahl der Foliation irrelevant; sie kommt einfach nicht mehr vor. Es ist gerade diese Tatsache, dass die Foliation in den Zuständen nicht mehr drinsteckt, die das Wesen der Theorie ausmacht. Betrachte den Fall des relativistischen Teilchens. Die Quantenmechnaik wird beschrieben durch den Hamiltonoperator H = p²-m² und die Bedingung H|phys> = 0. Die Abhängigkeit von der Parametrisierung einer Weltlinie ist vollständig verschwunden.

Ja, Rovelli spricht von zwei unterschiedlichen Formalismen, einem Hamitonschen Formalismus, und einem Spinfoam-Formalismus. Aber seither ist einige Zeit vergangen und man weiß inzwischen, wie diese Formalismen zusammenhängen. In Rovellis Buch geht es noch um die Konstruktion der Theorie (der Spinnetzwerke und der Spin Foams), während man sich heute um die physikalsichen Konsequenzen bemüht. Dabei wird weitgehend gezeigt, dass beide Formalismen identisch sind (OK, man ist noch nicht ganz fertig :-).
Gruß
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Re: Exkurs zur kanonischen Quantisierung der Gravitation

Beitrag von tomS » 6. Aug 2010, 19:49

Ich muss mir das nochmal in Ruhe überlegen.

Morgen geht's in den Urlaub. Eigentlich passt ein Buch über Quantengravitation nicht auf eine abgelegene Berghütte, aber mal sehen ...

Ansonsten eine gute Zeit und bis die Tage

:schoen
Gruß
Tom

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Re: Exkurs zur kanonischen Quantisierung der Gravitation

Beitrag von tomS » 24. Aug 2010, 23:53

Lass' uns den ADM Formalismus nochmal rein klassisch betrachten.

Man definiert eine raumartige Hyperfläche M³ und gibt auf ihr eine 3-Metrik vor. Anders gesagt ein raumartiger Schnitt einer 4-Metrik induziert eine 3-Metrik auf dem Schnitt. Damit sind die Anfangsbedingungen (bis auf die Eichfreiheiten für die Ashtekar-Variablen bzw. die 3-Diffeomorphismeninvarianz) eindeutig vorgegeben. Ich denke, man muss noch die globale Hyperbolizität der 4-Mannigfaltigkeit bzw. die Faktorisierung R * M³ voraussetzen; tut man dies, so folgt aus der Hyperbolizität, dass die 3-Metrik auf der Cauchy-Hyperfläche M³ die Dynamik der 4-Metrik eindeutig und für alle Zeiten t aus R eindeutig definiert.

Stimmst du mir soweit zu?
Gruß
Tom

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Re: Exkurs zur kanonischen Quantisierung der Gravitation

Beitrag von tomS » 25. Aug 2010, 18:34

Da hast du recht!

Im ADM-Formalismus ist das nicht besonders durchsichtig. In den Ashtekar-Variablen wird es dagegen recht transparent, da diese im wesentlichem dem Eichfeld A(x) sowie dem kanonisch konjugierten Impuls E(x) = dem elektrischen Feld entsprechen.

Ansonsten sind wir uns aber einig, oder?
Gruß
Tom

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