Local Thermal Equilibrium on Curved Spacetimes and Linear Cosmological Perturbation Theory

In this work the extension of the criterion for local thermal equilibrium by Buchholz, Ojima and Roos to curved spacetime as introduced by Schlemmer is investigated. Several problems are identified and especially the instability under time evolution which was already observed by Schlemmer is inspected. An alternative approach to local thermal equilibrium in quantum field theories on curved spacetimes is presented and discussed. In the following the dynamic system of the linear field and matter perturbations in the generic model of inflation is studied in the view of ambiguity of quantisation. In the last part the compatibility of the temperature fluctuations of the cosmic microwave background radiation with local thermal equilibrium is investigated.:1. Introduction 5 2. Technical Background 10 2.1. The Free Scalar Field on a Globally Hyperbolic Spacetime . . . . . . 10 2.1.1. Construction of the Scalar Field . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.2. Algebra of Wick Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.3. Local Covariance Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2. Local Thermal Equilibirum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.1. Global Thermodynamic Equilibrium - KMS States . . . . . . 21 2.2.2. Local Thermal Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.3. LTE on Flat Spacetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.4. LTE in Cosmological Spacetimes . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.3. Linear Scalar Cosmological Perturbations . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.1. Robertson-Walker Cosmology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.2. Mathematical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.3.3. Technical Framework and Formulae . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.3.4. The Boltzmann Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.3.5. The Sachs-Wolfe Effect for Adiabatic Perturbations . . . . . . 49 3. Towards a Refinement of the LTE Condition on Curved Spacetimes 54 3.1. Non-Minimal Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.1.1. Commutator Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.1.2. KMS Two-Point Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1.3. Balanced Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.2. Conformally Static Spacetimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.2.1. Conformal KMS States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.2.2. Extrinsic LTE in de Sitter Spacetime . . . . . . . . . . . . . . 71 3.3. Massive Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.3.1. Properties of the Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.3.2. Bogoliubov Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.3.3. Thermal Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.4. Towards an Alternative Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.4.1. Problems and Open Questions Concerning LTE . . . . . . . . 92 3.4.2. Dynamic Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.4.3. Positivity Inequalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.4.4. Macroobservable Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.5. An Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4. Cosmological Perturbation Theory 105 4.1. Dynamics of Perturbations in Inflation . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.1.1. CCR Quantisation is Ambiguous . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.1.2. Canonical Symplectic Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.1.3. The Algebraic Point of View . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.2. LTE States in Cosmology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.2.1. The Link to Fluid Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.2.2. Incompatibility of LTE with Sachs-Wolfe Effect . . . . . . . . 125 5. Conclusion and Outlook 131 A. Technical proofs 136 A.1. Proof of Lemma 3.2.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 A.2. Proof of Lemma 3.2.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 A.3. Proof of Lemma 3.4.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 A.4. Idea of Proof for Conjecture 3.4.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 B. Introduction to Probability Theory 146 Bibliography 150 Correction of Lemma 3.1.2 155In dieser Arbeit wird die von Schlemmer eingeführte Erweiterung des Kriteriums für lokales thermisches Gleichgewicht in Quantenfeldtheorien von Buchholz, Ojima und Roos auf gekrümmte Raumzeiten untersucht. Dabei werden verschiedene Probleme identifiziert und insbesondere die bereits von Schlemmer gezeigte Instabilität unter Zeitentwicklung untersucht. Es wird eine alternative Herangehensweise an lokales thermisches Gleichgewicht in Quantenfeldtheorien auf gekrümmten Raumzeiten vorgestellt und deren Probleme diskutiert. Es wird dann eine Untersuchung des dynamischen Systems der linearen Feld- und Metrikstörungen im üblichen Inflationsmodell mit Blick auf Uneindeutigkeit der Quantisierung durchgeführt. Zuletzt werden die Temperaturfluktuationen der kosmischen Hintergrundstrahlung auf Kompatibilität mit lokalem thermalem Gleichgewicht überprüft.:1. Introduction 5 2. Technical Background 10 2.1. The Free Scalar Field on a Globally Hyperbolic Spacetime . . . . . . 10 2.1.1. Construction of the Scalar Field . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.2. Algebra of Wick Products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.3. Local Covariance Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2. Local Thermal Equilibirum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.1. Global Thermodynamic Equilibrium - KMS States . . . . . . 21 2.2.2. Local Thermal Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.3. LTE on Flat Spacetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.2.4. LTE in Cosmological Spacetimes . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.3. Linear Scalar Cosmological Perturbations . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.3.1. Robertson-Walker Cosmology . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.2. Mathematical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.3.3. Technical Framework and Formulae . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.3.4. The Boltzmann Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.3.5. The Sachs-Wolfe Effect for Adiabatic Perturbations . . . . . . 49 3. Towards a Refinement of the LTE Condition on Curved Spacetimes 54 3.1. Non-Minimal Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.1.1. Commutator Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.1.2. KMS Two-Point Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1.3. Balanced Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.2. Conformally Static Spacetimes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.2.1. Conformal KMS States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.2.2. Extrinsic LTE in de Sitter Spacetime . . . . . . . . . . . . . . 71 3.3. Massive Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.3.1. Properties of the Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.3.2. Bogoliubov Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 3.3.3. Thermal Observables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.4. Towards an Alternative Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.4.1. Problems and Open Questions Concerning LTE . . . . . . . . 92 3.4.2. Dynamic Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.4.3. Positivity Inequalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.4.4. Macroobservable Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.5. An Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4. Cosmological Perturbation Theory 105 4.1. Dynamics of Perturbations in Inflation . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.1.1. CCR Quantisation is Ambiguous . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.1.2. Canonical Symplectic Form . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.1.3. The Algebraic Point of View . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 4.2. LTE States in Cosmology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.2.1. The Link to Fluid Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 4.2.2. Incompatibility of LTE with Sachs-Wolfe Effect . . . . . . . . 125 5. Conclusion and Outlook 131 A. Technical proofs 136 A.1. Proof of Lemma 3.2.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 A.2. Proof of Lemma 3.2.6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 A.3. Proof of Lemma 3.4.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141 A.4. Idea of Proof for Conjecture 3.4.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 B. Introduction to Probability Theory 146 Bibliography 150 Correction of Lemma 3.1.2 15