Discrete quantum geometries and their effective dimension

Abstract

In einigen Ansätzen zu einer Quantentheorie der Gravitation wie Gruppenfeldtheorie und Schleifenquantengravitation zeigt sich, dass Zustände und Entwicklungen der geometrischen Freiheitsgrade auf einer diskreten Raumzeit basieren. Die dringendste Frage ist dann, wie die glatten Geometrien der Allgemeinen Relativitätstheorie, beschrieben durch geeignete geometrische Beobachtungsgrößen, aus solch diskreten Quantengeometrien im semiklassischen und Kontinuums-Limes hervorgehen. Hier nehme ich die Frage geeigneter Beobachtungsgrößen mit Fokus auf die effektive Dimension der Quantengeometrien in Angriff. Dazu gebe ich eine rein kombinatorische Beschreibung der zugrunde liegenden diskreten Strukturen. Als Nebenthema erlaubt dies eine Erweiterung der Gruppenfeldtheorie, so dass diese den kombinatorisch größeren kinematischen Zustandsraum der Schleifenquantengravitation abdeckt. Zudem führe ich einen diskreten Differentialrechnungskalkül für Felder auf solch fundamental diskreten Geometrien mit einem speziellen Augenmerk auf dem Laplace-Operator ein. Dies ermöglicht die Definition der Dimensionsobservablen für Quantengeometrien. Die Untersuchung verschiedener Klassen von Quantengeometrien zeigt allgemein, dass die spektrale Dimension stärker von der zugrunde liegenden kombinatorischen Struktur als von den Details der zusätzlichen geometrischen Daten darauf abhängt. Semiklassische Zustände in Schleifenquantengravitation approximieren die entsprechenden klassischen Geometrien gut ohne Anzeichen für stärkere Quanteneffekte. Dagegen zeigt sich im Kontext eines allgemeineren, auf analytischen Lösungen basierenden Modells für Zustände, die aus Überlagerungen einer großen Anzahl von Komplexen bestehen, ein Fluss der spektralen Dimension von der topologischen Dimension d bei kleinen Energieskalen hin zu einem reellen Wert zwischen 0 und d bei hohen Energien. Im Spezialfall 1 erlauben diese Resultate, die Quantengeometrie als effektiv fraktal aufzufassen.

In several approaches towards a quantum theory of gravity, such as group field theory and loop quantum gravity, quantum states and histories of the geometric degrees of freedom turn out to be based on discrete spacetime. The most pressing issue is then how the smooth geometries of general relativity, expressed in terms of suitable geometric observables, arise from such discrete quantum geometries in some semiclassical and continuum limit. In this thesis I tackle the question of suitable observables focusing on the effective dimension of discrete quantum geometries. For this purpose I give a purely combinatorial description of the discrete structures which these geometries have support on. As a side topic, this allows to present an extension of group field theory to cover the combinatorially larger kinematical state space of loop quantum gravity. Moreover, I introduce a discrete calculus for fields on such fundamentally discrete geometries with a particular focus on the Laplacian. This permits to define the effective-dimension observables for quantum geometries. Analysing various classes of quantum geometries, I find as a general result that the spectral dimension is more sensitive to the underlying combinatorial structure than to the details of the additional geometric data thereon. Semiclassical states in loop quantum gravity approximate the classical geometries they are peaking on rather well and there are no indications for stronger quantum effects. On the other hand, in the context of a more general model of states which are superposition over a large number of complexes, based on analytic solutions, there is a flow of the spectral dimension from the topological dimension d on low energy scales to a real number between 0 and d on high energy scales. In the particular case of 1 these results allow to understand the quantum geometry as effectively fractal.