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Há duas brechas quânticas nos Teoremas da Singularidade em Relatividade Geral: violações das condições clássicas de energia e flutuações quânticas da geometria do espaço-tempo. Nesta dissertação, estudamos a primeira brecha e abordamos os Teoremas da Singularidade através da condição de energia. Revisamos a abordagem algébrica de Teoria Quântica de Campos para o campo de Klein-Gordon e, neste formalismo, revisamos a derivação de uma desigualdade quântica de energia para os estados de Hadamard em espaços-tempos globalmente hiperbólicos. Apesar das desigualdades quânticas de energia não poderem ser aplicadas diretamente nos Teoremas de Singularidade, mostramos que generalizações dos Teoremas de Hawking e Penrose são provadas considerando condições de energia enfraquecidas inspiradas por elas. Assim sendo, os Teoremas de Singularidade continuam valendo se considerarmos efeitos quânticos sutis. A questão de se efeitos de interação ou efeitos de ``backreaction\'\' poderiam quebrá-los ainda está em aberto; há razões para se esperar ambas as respostas. / There are two quantum loopholes in the Singularity Theorems of General Relativity: violations of the classical energy conditions and quantum fluctuations of the spacetime geometry. In this dissertation, we study the first loophole and approach Singularity Theorems through the energy condition. We review the algebraic approach of Quantum Field Theory for the Klein-Gordon field and, within it, we review the derivation of a quantum energy inequality for Hadamard states on globally hyperbolic spacetimes. However quantum energy inequalities cannot be directly applied to Singularity Theorems, we show that generalized Hawking and Penrose Theorems are proven considering weakened energy conditions inspired by them. Hence, Singularity Theorems do hold under subtle quantum effects. The question of whether interaction or backreaction effects could break them is still open; there are reasons to expect both answers.

Há duas brechas quânticas nos Teoremas da Singularidade em Relatividade Geral: violações das condições clássicas de energia e flutuações quânticas da geometria do espaço-tempo. Nesta dissertação, estudamos a primeira brecha e abordamos os Teoremas da Singularidade através da condição de energia. Revisamos a abordagem algébrica de Teoria Quântica de Campos para o campo de Klein-Gordon e, neste formalismo, revisamos a derivação de uma desigualdade quântica de energia para os estados de Hadamard em espaços-tempos globalmente hiperbólicos. Apesar das desigualdades quânticas de energia não poderem ser aplicadas diretamente nos Teoremas de Singularidade, mostramos que generalizações dos Teoremas de Hawking e Penrose são provadas considerando condições de energia enfraquecidas inspiradas por elas. Assim sendo, os Teoremas de Singularidade continuam valendo se considerarmos efeitos quânticos sutis. A questão de se efeitos de interação ou efeitos de ``backreaction\'\' poderiam quebrá-los ainda está em aberto; há razões para se esperar ambas as respostas. / There are two quantum loopholes in the Singularity Theorems of General Relativity: violations of the classical energy conditions and quantum fluctuations of the spacetime geometry. In this dissertation, we study the first loophole and approach Singularity Theorems through the energy condition. We review the algebraic approach of Quantum Field Theory for the Klein-Gordon field and, within it, we review the derivation of a quantum energy inequality for Hadamard states on globally hyperbolic spacetimes. However quantum energy inequalities cannot be directly applied to Singularity Theorems, we show that generalized Hawking and Penrose Theorems are proven considering weakened energy conditions inspired by them. Hence, Singularity Theorems do hold under subtle quantum effects. The question of whether interaction or backreaction effects could break them is still open; there are reasons to expect both answers.

This is a diploma thesis on Buchdahl's equations for the description of massive particles of arbitrary spin s/2. On 4-dimensional, globally hyperbolic Lorentzian spacetime manifolds, existence of advanced and retarded Green's operators is proved, the Cauchy problem for Buchdahl's equations is solved globally and two possible constructions for quantizing Buchdahl fields using CAR algebras in the fashion of [Dimock 1982] are given.

Elaboramos um estudo detalhado de alguns aspectos d(e uma versão d)a correspondência AdS/CFT, conjeturada por Maldacena e Witten, entre teorias quânticas de campo num fundo gravitacional dado por um espaço-tempo assintoticamente anti-de Sitter (AAdS), e teorias quânticas de campos conformalmente covariantes no infinito conforme (no sentido de Penrose) deste espaço-tempo, aspectos estes: (a) independentes d(o par d)e modelos específicos em Teoria Quântica de Campos, e (b) suscetíveis a uma reformulação em moldes matematicamente rigorosos. Adotamos como ponto de partida o teorema demonstrado por Rehren no contexto da Física Quântica Local (também conhecida como Teoria Quântica de Campos Algébrica) em espaços-tempos anti-de Sitter (AdS), denominado holografia algébrica ou dualidade de Rehren. O corpo do presente trabalho consiste em estender o resultado de Rehren para uma classe razoavelmente geral de espaços-tempos AAdS d-dimensionais (d>3), escrutinar como as propriedades desta extensão são enfraquecidas e/ou modificadas em relação ao espaço-tempo AdS, e como efeitos gravitacionais não-triviais se manifestam na teoria quântica no infinito conforme. Dentre os resultados obtidos, citamos: condições razoavelmente gerais sobre geodésicas nulas no interior (cuja plausibilidade justificamos por meio de resultados de rigidez geométrica) não só garantem que a nossa generalização é geometricamente consistente com causalidade, como também permite uma reconstrução ``holográfica\'\' da topologia do interior na ausência de horizontes e singularidades; a implementação das simetrias conformes na fronteira, que associamos explicitamente a uma família de isometrias assintóticas do interior construída de maneira intrínseca, ocorre num caráter puramente assintótico e é atingida dinamicamente por um processo de retorno ao equilíbrio, mediante condições de contorno adequadas no infinito; efeitos gravitacionais podem eventualmente causar obstruções à reconstrução da teoria quântica no interior, ou por torná-la trivial em regiões suficientemente pequenas ou devido à existência de múltiplos vácuos inequivalentes, que por sua vez levam à existência de excitações solitônicas localizadas ao redor de paredes de domínio no interior, similares a D-branas. As demonstrações fazem uso extensivo de geometria Lorentziana global. A linguagem empregada para as teorias quânticas relevantes para nossa generalização da dualidade de Rehren segue a formulação funtorial de Brunetti, Fredenhagen e Verch para a Física Quântica Local, estendida posteriormente por Sommer para incorporar condições de contorno. / We elaborate a detailed study of certain aspects of (a version of) the AdS/CFT correspondence, conjectured by Maldacena and Witten, between quantum field theories in a gravitational background given by an asymptotically anti-de Sitter (AAdS) spacetime, and conformally covariant quantum field theories in the latter\'s conformal infinity (in the sense of Penrose), aspects such that: (a) are independent from (the pair of) specific models in Quantum Field Theory, and (b) susceptible to a recast in a mathematically rigorous mould. We adopt as a starting point the theorem demonstrated by Rehren in the context of Local Quantum Physics (also known as Algebraic Quantum Field Theory) in anti-de Sitter (AdS) spacetimes, called algebraic holography or Rehren duality. The main body of the present work consists in extending Rehren\'s result to a reasonably general class of d-dimensional AAdS spacetimes (d>3), scrutinizing how the properties of such an extension are weakened and/or modified as compared to AdS spacetime, and probing how non-trivial gravitational effects manifest themselves in the conformal infinity\'s quantum theory. Among the obtained results, we quote: not only does the imposition of reasonably general conditions on bulk null geodesics (whose plausibility we justify through geometrical rigidity techniques) guarantee that our generalization is geometrically consistent with causality, but it also allows a ``holographic\'\' reconstruction of the bulk topology in the absence of horizons and singularities; the implementation of conformal symmetries in the boundary, which we explicitly associate to an intrinsically constructed family of bulk asymptotic isometries, have a purely asymptotic character and is dynamically attained through a process of return to equilibrium, given suitable boundary conditions at infinity; gravitational effects may cause obstructions to the reconstruction of the bulk quantum theory, either by making the latter trivial in sufficiently small regions or due to the existence of multiple inequivalent vacua, which on their turn lead to the existence of solitonic excitations localized around domain walls, similar to D-branes. The proofs make extensive use of global Lorentzian geometry. The language employed for the quantum theories relevant for our generalization of Rehren duality follows the functorial formulation of Local Quantum Physics due to Brunetti, Fredenhagen and Verch, extended afterwards by Sommer in order to incorporate boundary conditions. (An English translation of the full text can be found at arXiv:0712.0401)

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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. / In 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.

Elaboramos um estudo detalhado de alguns aspectos d(e uma versão d)a correspondência AdS/CFT, conjeturada por Maldacena e Witten, entre teorias quânticas de campo num fundo gravitacional dado por um espaço-tempo assintoticamente anti-de Sitter (AAdS), e teorias quânticas de campos conformalmente covariantes no infinito conforme (no sentido de Penrose) deste espaço-tempo, aspectos estes: (a) independentes d(o par d)e modelos específicos em Teoria Quântica de Campos, e (b) suscetíveis a uma reformulação em moldes matematicamente rigorosos. Adotamos como ponto de partida o teorema demonstrado por Rehren no contexto da Física Quântica Local (também conhecida como Teoria Quântica de Campos Algébrica) em espaços-tempos anti-de Sitter (AdS), denominado holografia algébrica ou dualidade de Rehren. O corpo do presente trabalho consiste em estender o resultado de Rehren para uma classe razoavelmente geral de espaços-tempos AAdS d-dimensionais (d>3), escrutinar como as propriedades desta extensão são enfraquecidas e/ou modificadas em relação ao espaço-tempo AdS, e como efeitos gravitacionais não-triviais se manifestam na teoria quântica no infinito conforme. Dentre os resultados obtidos, citamos: condições razoavelmente gerais sobre geodésicas nulas no interior (cuja plausibilidade justificamos por meio de resultados de rigidez geométrica) não só garantem que a nossa generalização é geometricamente consistente com causalidade, como também permite uma reconstrução ``holográfica\'\' da topologia do interior na ausência de horizontes e singularidades; a implementação das simetrias conformes na fronteira, que associamos explicitamente a uma família de isometrias assintóticas do interior construída de maneira intrínseca, ocorre num caráter puramente assintótico e é atingida dinamicamente por um processo de retorno ao equilíbrio, mediante condições de contorno adequadas no infinito; efeitos gravitacionais podem eventualmente causar obstruções à reconstrução da teoria quântica no interior, ou por torná-la trivial em regiões suficientemente pequenas ou devido à existência de múltiplos vácuos inequivalentes, que por sua vez levam à existência de excitações solitônicas localizadas ao redor de paredes de domínio no interior, similares a D-branas. As demonstrações fazem uso extensivo de geometria Lorentziana global. A linguagem empregada para as teorias quânticas relevantes para nossa generalização da dualidade de Rehren segue a formulação funtorial de Brunetti, Fredenhagen e Verch para a Física Quântica Local, estendida posteriormente por Sommer para incorporar condições de contorno. / We elaborate a detailed study of certain aspects of (a version of) the AdS/CFT correspondence, conjectured by Maldacena and Witten, between quantum field theories in a gravitational background given by an asymptotically anti-de Sitter (AAdS) spacetime, and conformally covariant quantum field theories in the latter\'s conformal infinity (in the sense of Penrose), aspects such that: (a) are independent from (the pair of) specific models in Quantum Field Theory, and (b) susceptible to a recast in a mathematically rigorous mould. We adopt as a starting point the theorem demonstrated by Rehren in the context of Local Quantum Physics (also known as Algebraic Quantum Field Theory) in anti-de Sitter (AdS) spacetimes, called algebraic holography or Rehren duality. The main body of the present work consists in extending Rehren\'s result to a reasonably general class of d-dimensional AAdS spacetimes (d>3), scrutinizing how the properties of such an extension are weakened and/or modified as compared to AdS spacetime, and probing how non-trivial gravitational effects manifest themselves in the conformal infinity\'s quantum theory. Among the obtained results, we quote: not only does the imposition of reasonably general conditions on bulk null geodesics (whose plausibility we justify through geometrical rigidity techniques) guarantee that our generalization is geometrically consistent with causality, but it also allows a ``holographic\'\' reconstruction of the bulk topology in the absence of horizons and singularities; the implementation of conformal symmetries in the boundary, which we explicitly associate to an intrinsically constructed family of bulk asymptotic isometries, have a purely asymptotic character and is dynamically attained through a process of return to equilibrium, given suitable boundary conditions at infinity; gravitational effects may cause obstructions to the reconstruction of the bulk quantum theory, either by making the latter trivial in sufficiently small regions or due to the existence of multiple inequivalent vacua, which on their turn lead to the existence of solitonic excitations localized around domain walls, similar to D-branes. The proofs make extensive use of global Lorentzian geometry. The language employed for the quantum theories relevant for our generalization of Rehren duality follows the functorial formulation of Local Quantum Physics due to Brunetti, Fredenhagen and Verch, extended afterwards by Sommer in order to incorporate boundary conditions. (An English translation of the full text can be found at arXiv:0712.0401)

Algebraic Quantum Field Theory (AQFT) is a mathematically rigorous framework that was developed to model the interaction of quantum mechanics and relativity. In AQFT, quantum mechanics is modelled by C*-algebras of observables and relativity is usually modelled in Minkowski space. In this thesis we will consider a generalization of AQFT which was inspired by the work of Abramsky and Coecke on abstract quantum mechanics [1, 2]. In their work, Abramsky and Coecke develop a categorical framework that captures many of the essential features of finite-dimensional quantum mechanics. In our setting we develop a categorified version of AQFT, which we call premonoidal C*-quantum field theory, and in the process we establish many analogues of classical results from AQFT. Along the way we also exhibit a number of new concepts, such as a von Neumann category, and prove several properties they possess. We also establish some results that could lead to proving a premonoidal version of the classical Doplicher-Roberts theorem, and conjecture a possible solution to constructing a fibre-functor. Lastly we look at two variations on AQFT in which a causal order on double cones in Minkowski space is considered.

Algebraic Quantum Field Theory (AQFT) is a mathematically rigorous framework that was developed to model the interaction of quantum mechanics and relativity. In AQFT, quantum mechanics is modelled by C*-algebras of observables and relativity is usually modelled in Minkowski space. In this thesis we will consider a generalization of AQFT which was inspired by the work of Abramsky and Coecke on abstract quantum mechanics [1, 2]. In their work, Abramsky and Coecke develop a categorical framework that captures many of the essential features of finite-dimensional quantum mechanics. In our setting we develop a categorified version of AQFT, which we call premonoidal C*-quantum field theory, and in the process we establish many analogues of classical results from AQFT. Along the way we also exhibit a number of new concepts, such as a von Neumann category, and prove several properties they possess. We also establish some results that could lead to proving a premonoidal version of the classical Doplicher-Roberts theorem, and conjecture a possible solution to constructing a fibre-functor. Lastly we look at two variations on AQFT in which a causal order on double cones in Minkowski space is considered.