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On the corpuscular theory of gravity
On the corpuscular theory of gravity
The aim of this thesis is to provide a general description of the corpuscular theory of gravity. After reviewing some of the major conceptual issues emerging from the semiclassical and field theoretic approaches to Einstein's gravity, we present a synthetic overview of two novel (and extremely intertwined) perspectives on quantum mechanical effects in gravity: the horizon quantum mechanics formalism and the classicalization scheme. After this preliminary discussion, we then proceed with implementing the latter to several different scenarios, namely self-gravitating systems, the early Universe, and galactic dynamics. Concerning the first scenario, we start by describing the generation of the Newtonian potential as the result of a coherent state of toy (scalar) gravitons. After that we employ this result to study some features of the gravitational collapse and to argue that black holes can be thought of a self-sustained quantum states, at the critical point, made of a large number soft virtual gravitons. We then refine this simplified analysis by constructing an effective theory for the gravitational potential of a static spherical symmetric system up to the first post-Newtonian correction. Additionally, we employ the horizon quantum mechanics formalism to study the causal structure emerging from the corpuscular scenario. Finally, we present a short discussion of corpuscular black holes in lower dimensional spaces. After laying down the basics of corpuscular black holes, we present a generalization of the aforementioned arguments to cosmology. Specifically, we first introduce a corpuscular interpretation of the de Sitter spacetime. Then we use it as the starting point for a corpuscular formulation of the inflationary scenario and to provide an alternative viewpoint on the dark components of the LambdaCDM model. The key message of this work is that the corpuscular theory of gravity offers a way to unify most of the experimental observations (from astrophysical to galactic and cosmological scales) in a single framework, solely based on gravity and baryonic matter., Das Ziel dieser These ist eine allgemeine Beschreibung der ‘Korpuskeltheorie’ zu liefern. Nach der Überprüfung einiger der wichtigsten konzeptionellen Probleme die sich aus den semiklassischen Ansätzen und den Ansätzen der Quantenfeldtheorie zu Einsteins Schwerkraft ergeben, präsentieren wir einen synthetischen Überblick über zwei neuartige (und extrem verflochtene) Perspektiven über quantenmechanische Effekte in der Gravitation: der Formalismus der Quantenmechanik des Horizonts und das Klassifizierungsschema. Nach dieser Vorbesprechung fahren wir dann mit der Umsetzung von verschiedenen Szenarien fort, nämlich Selbstgravitationssysteme, das frühe Universum und die galaktische Dynamik. Was das erste Szenario betrifft, so beschreiben wir zunächst die Generierung des Newtonschen Potenzials als Ergebnis eines kohärenten Zustands von vereinfachten (skalaren) Gravitons. Danach verwenden wir dieses Ergebnis um einige Merkmale des Gravitationskollapses zu untersuchen. Weiterhin nutzen wir das Ergebnis zu argumentieren, dass schwarze Löcher an einen selbst nachhaltigen Quantenzustand gedacht werden können, an der kritischen Stelle, die aus einer großen Anzahl weicher virtueller Gravitons besteht. Diese vereinfachte Analyse verfeinern wir dann, indem wir eine wirksame Theorie für das Gravitationspotenzial eines statistischen kugelförmigen symmetrischen Systems bis zur ersten Post-Newtonschen Korrektur konstruieren. Darüber hinaus verwenden wir den Formalismus der Quantenmechanik des Horizonts, um die kausale Struktur zu untersuchen, die aus dem korpuskulären Szenario entsteht. Schließlich stellen wir eine kurze Diskussion über korpuskuläre schwarze Löcher in unteren dimensionalen Räumen vor. Nachdem wir die Grundlagen der korpuskulären schwarzen Löcher gelegt haben, stellen wir eine Verallgemeinerung der oben genannten Argumente zur Kosmologie vor. Konkret führen wir zunächst eine korpuskuläre Interpretation der de Sitter Raumzeit ein. Dann nutzen wir das als Ausgangspunkt für eine korpuskuläre Formulierung des inflationären Szenarios und weiterhin, um einen alternativen Standpunkt zu den dunklen Komponenten des LambdaCDM Modells zu bieten. Die Kernbotschaft dieser Arbeit ist, dass die ‘Korpuskeltheorie’ eine Möglichkeit bietet, die meisten experimentellen Beobachtungen (von astrophysikalischen bis galaktischen und kosmologischen Skalen) in einen einzigen Rahmen zu vereinen, der sich ausschließlich auf der Schwerkraft und der Baryonischen Materie basiert.
Corpuscular gravity, black holes, inflation, dark matter, horizon quantum mechanics, classicalization
Giusti, Andrea
2018
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Giusti, Andrea (2018): On the corpuscular theory of gravity. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The aim of this thesis is to provide a general description of the corpuscular theory of gravity. After reviewing some of the major conceptual issues emerging from the semiclassical and field theoretic approaches to Einstein's gravity, we present a synthetic overview of two novel (and extremely intertwined) perspectives on quantum mechanical effects in gravity: the horizon quantum mechanics formalism and the classicalization scheme. After this preliminary discussion, we then proceed with implementing the latter to several different scenarios, namely self-gravitating systems, the early Universe, and galactic dynamics. Concerning the first scenario, we start by describing the generation of the Newtonian potential as the result of a coherent state of toy (scalar) gravitons. After that we employ this result to study some features of the gravitational collapse and to argue that black holes can be thought of a self-sustained quantum states, at the critical point, made of a large number soft virtual gravitons. We then refine this simplified analysis by constructing an effective theory for the gravitational potential of a static spherical symmetric system up to the first post-Newtonian correction. Additionally, we employ the horizon quantum mechanics formalism to study the causal structure emerging from the corpuscular scenario. Finally, we present a short discussion of corpuscular black holes in lower dimensional spaces. After laying down the basics of corpuscular black holes, we present a generalization of the aforementioned arguments to cosmology. Specifically, we first introduce a corpuscular interpretation of the de Sitter spacetime. Then we use it as the starting point for a corpuscular formulation of the inflationary scenario and to provide an alternative viewpoint on the dark components of the LambdaCDM model. The key message of this work is that the corpuscular theory of gravity offers a way to unify most of the experimental observations (from astrophysical to galactic and cosmological scales) in a single framework, solely based on gravity and baryonic matter.

Abstract

Das Ziel dieser These ist eine allgemeine Beschreibung der ‘Korpuskeltheorie’ zu liefern. Nach der Überprüfung einiger der wichtigsten konzeptionellen Probleme die sich aus den semiklassischen Ansätzen und den Ansätzen der Quantenfeldtheorie zu Einsteins Schwerkraft ergeben, präsentieren wir einen synthetischen Überblick über zwei neuartige (und extrem verflochtene) Perspektiven über quantenmechanische Effekte in der Gravitation: der Formalismus der Quantenmechanik des Horizonts und das Klassifizierungsschema. Nach dieser Vorbesprechung fahren wir dann mit der Umsetzung von verschiedenen Szenarien fort, nämlich Selbstgravitationssysteme, das frühe Universum und die galaktische Dynamik. Was das erste Szenario betrifft, so beschreiben wir zunächst die Generierung des Newtonschen Potenzials als Ergebnis eines kohärenten Zustands von vereinfachten (skalaren) Gravitons. Danach verwenden wir dieses Ergebnis um einige Merkmale des Gravitationskollapses zu untersuchen. Weiterhin nutzen wir das Ergebnis zu argumentieren, dass schwarze Löcher an einen selbst nachhaltigen Quantenzustand gedacht werden können, an der kritischen Stelle, die aus einer großen Anzahl weicher virtueller Gravitons besteht. Diese vereinfachte Analyse verfeinern wir dann, indem wir eine wirksame Theorie für das Gravitationspotenzial eines statistischen kugelförmigen symmetrischen Systems bis zur ersten Post-Newtonschen Korrektur konstruieren. Darüber hinaus verwenden wir den Formalismus der Quantenmechanik des Horizonts, um die kausale Struktur zu untersuchen, die aus dem korpuskulären Szenario entsteht. Schließlich stellen wir eine kurze Diskussion über korpuskuläre schwarze Löcher in unteren dimensionalen Räumen vor. Nachdem wir die Grundlagen der korpuskulären schwarzen Löcher gelegt haben, stellen wir eine Verallgemeinerung der oben genannten Argumente zur Kosmologie vor. Konkret führen wir zunächst eine korpuskuläre Interpretation der de Sitter Raumzeit ein. Dann nutzen wir das als Ausgangspunkt für eine korpuskuläre Formulierung des inflationären Szenarios und weiterhin, um einen alternativen Standpunkt zu den dunklen Komponenten des LambdaCDM Modells zu bieten. Die Kernbotschaft dieser Arbeit ist, dass die ‘Korpuskeltheorie’ eine Möglichkeit bietet, die meisten experimentellen Beobachtungen (von astrophysikalischen bis galaktischen und kosmologischen Skalen) in einen einzigen Rahmen zu vereinen, der sich ausschließlich auf der Schwerkraft und der Baryonischen Materie basiert.