Diese Arbeit konzentriert sich auf eine fundamentale Problematik der numerischen Relativitätstheorie: Die Extraktion von Gravitationswellen in einer eich- und koordinateninvarianten Formulierung, um ein physikalisch interpretierbares Objekt zu erhalten. Es wird eine neue Methodik entwickelt, um die physikalisch relevanten Größen aus einer numerisch erzeugten Raumzeit zu extrahieren. Wir präsentieren eine allgemeingültige kanonische Formulierung der Weyl Skalare im Newman-Penrose Formalismus als eine Funktion von fundamentalen Raumzeit-Invarianten. Dadurch zeigt sich, dass mit Hilfe dieser Methodik die explizite Konstruktion eines Vierbeins vollständig redundant ist. Als weiteren Schwerpunkt charakterisieren wir innerhalb des Newman-Penrose Formalismus eine spezielle Untergruppe von Tetraden, die transversen Frames. Es wird eine bisher unbekannte Verbindung zwischen den primär genutzen Vierbeinen für die Extraktion der Wellenform abgeleitet, dem Gram-Schmidt Vierbein und dem quasi-Kinnersley Vierbein. Abschliessend studieren wir die Abhängigkeit der Gravitationswellen eines gestörten Schwarzen Loches vom verwendeten Vierbein. Wir berechnen die Form der Gravitationswellen in dieser Raumzeit und demonstrieren inwieweit unsere neue Methodik robustere und exaktere Ergebnisse liefert, als die gewöhnlich verwendeten Ansätze zur Extraktion des Signals. / This work focuses on a fundamental problem in modern numerical rela- tivity: Extracting gravitational waves in a coordinate and gauge independent way to nourish a unique and physically meaningful expression. We adopt a new procedure to extract the physically relevant quantities from the numerically evolved space-time. We introduce a general canonical form for the Weyl scalars in terms of fundamental space-time invariants, and demonstrate how this ap- proach supersedes the explicit definition of a particular null tetrad. As a second objective, we further characterize a particular sub-class of tetrads in the Newman-Penrose formalism: the transverse frames. We establish a new connection between the two major frames for wave extraction: namely the Gram-Schmidt frame, and the quasi-Kinnersley frame. Finally, we study how the expressions for the Weyl scalars depend on the tetrad we choose, in a space-time containing distorted black holes. We apply our newly developed method and demonstrate the advantage of our approach, compared with methods commonly used in numerical relativity.

I perform and analyse the first ever calculations of rotating stellar iron core collapse in {3+1} general relativity that start out with presupernova models from stellar evolutionary calculations and include a microphysical finite-temperature nuclear equation of state, an approximate scheme for electron capture during collapse and neutrino pressure effects. Based on the results of these calculations, I obtain the to-date most realistic estimates for the gravitational wave signal from collapse, bounce and the early postbounce phase of core collapse supernovae. I supplement my {3+1} GR hydrodynamic simulations with 2D Newtonian neutrino radiation-hydrodynamic supernova calculations focussing on (1) the late postbounce gravitational wave emission owing to convective overturn, anisotropic neutrino emission and protoneutron star pulsations, and (2) on the gravitational wave signature of accretion-induced collapse of white dwarfs to neutron stars. / Ich präsentiere die ersten Computer-Simulationen des rotierenden Kollapses stellarer Eisenkerne, die in der {3+1}-Zerlegung der Allgemeinen Relativitätstheorie durchgeführt werden und Vorsupernova-Sternmodelle aus Sternentwicklungsrechnungen, eine heiße nukleare Zustandsgleichung und ein näherungsweises Verfahren zur Beschreibung des Elektroneneinfangs enthalten und Neutrinodruck-Effekte berücksichtigen. Basierend auf den Ergebnissen dieser Rechnungen erhalte ich die zur Zeit realistischsten Vorhersagen für das Gravitationswellensignal der Kollaps, Abprall, Abkling und frühen Nach-Abprallphase einer Kern-Kollaps-Supernova. Neben den {3+1} Simulationen diskutiere ich newtonsche axisymmetrische Kern-Kollaps-Supernova-Simulationen mit Schwerpunkten auf: (1) der Gravitationswellenabstrahlung in der späten Nach-Abprallphase durch Konvektionsströmungen, anisotropische Neutrinoemission und Proto-Neutronenstern Pulsationen und (2) der Gravitationswellensignatur des Kollapses weißer Zwergsterne zu Neutronensternen, der durch Akkretion eingeleitet wird.

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.

Zeitreisen und Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit sind zwei Menschheitsträume; sie beflügeln die Fantasie und bieten Stoff für skurrile Geschichten. Eine Arbeit zum Thema „Zeitreisen und Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit“ zwingt zu einer Auseinandersetzung mit dem Begriff der „Zeit“. Die Vielschichtigkeit und der antinomische Charakter dieses Begriffes machen es schwer, „Zeit“ genauer zu fassen. Zeit tritt uns entgegen als Form der Wahrnehmung in ihrer zutiefst subjektiven Seite, als biologischer Rhythmus, als soziales Phänomen im Sinne einer kollektiven Zeitbestimmung, aber eben auch als physikalischer Parameter. Einsteins Relativitätstheorie revolutioniert unsere Vorstellungen von Raum und Zeit, indem sie sich vom newton-mechanischen Konzept des absoluten Raumes und der absoluten Zeit löst. Sie macht aber das, was bei Wells zehn Jahre vorher noch reine Fiktion war, zu einem für die Physik diskussionswürdigen Thema, nämlich das „Problem der Zeitreisen“. Einsteins Spezielle Relativitätstheorie (1905) erlaubt durch den von ihr vorhergesagten Effekt der Zeitdilatation „Reisen in die Zukunft“, und die Einstein’sche Gravitationstheorie lässt geschlossene zeitartige Linien als Lösungen ihrer Gleichungen zu (z. B. Gödel-Kosmos, Anti-de-Sitter-Kosmos). Allerdings würde eine Reise auf einer Zeitschleife sofort ein ganzes Bündel von Paradoxien (z. B. Großvater-Paradoxon, Informationsparadoxon) und semantischen Inkonsistenzen nach sich ziehen. Obwohl erstaunlicherweise die fundamentalen Gesetze der Physik (abgesehen von extrem seltenen und makroskopisch nicht in Erscheinung tretenden quantenmechanischen Effekten) bei einer Zeitumkehr nicht verletzt würden, scheint es in der Natur doch ein grundsätzliches Verbot von Vergangenheitsreisen zu geben. Der Physiker Dieter Zeh, dessen Position im Schlusskapitel der Arbeit näher beleuchtet wird, vertritt die Auffassung, dass die Science-Fiction-Literatur zum Thema „Zeitreisen“ überwiegend auf einfachen begrifflichen Fehlern beruhe. Die in Anlehnung an die Allgemeine Relativitätstheorie konstruierten Vorgänge seien bestenfalls genauso „theoretisch möglich“ wie ein Gas, das sich von selbst in einer Ecke des Gefäßes versammelt. Die vorliegende Arbeit erörtert Ansätze für „Zeitmaschinen“ und superluminale Prozesse, die in Einklang mit der modernen Physik stehen. Besprochen werden u. a. die Tachyonen-Hypothese, Tiplers rotierender Zylinder, der Gödel-Kosmos, der Anti-de-Sitter-Kosmos, die sogenannten „Wurmlöcher“ und die Alcubierre-Metrik. Zugleich sollen Ansätze vorgestellt werden (z. B. Eternalismus, Viele-Welten-Modell, Prinzip der konsistenten Geschichte), die Lösungsversuche für die Paradoxien von Vergangenheitsreisen bieten. Um die Reisen in die Vergangenheit und Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit scheint es zu stehen wie mit einer Anfrage an Radio Jerewan; die Antwort lautet stets: „Im Prinzip ja, aber …“ Doch die Faszination dieser Idee wird weiterhin Stoff für die „Fiction“ liefern. / Time travel and superluminal travel are two of mankind's dreams. They inspire our imagination and provide material for bizarre stories. A work on the subject of time travel and superluminal travel forces us to re-examine our concept of "time". The complexity and the contradictory nature this subject makes it difficult to be more precise about "time". On its deepest subjective side, time is a means of perception, a biological rhythm, a social phenomenon in terms of our collective understanding of time. But it is also a physical parameter. Einstein's Theory of Relativity revolutionised our idea of space and time by freeing us from the Newtonian concept of absolute space and absolute time. The "problem of time travel", a subject that Wells wrote about just ten years before as mere fiction, was now a discussion worthy of physics. Einstein's Special Theory of Relativity (1905), by predicting the effects of time dilation, allowed for "travels into the future" and Einstein's Theory of Gravity used closed time-like lines for solutions to calculations about time travel (for example, the Gödel Universe and the Anti-de Sitter Universe). However, a trip to a time warp would immediately involve a whole set of paradoxes (for example, the grandfather paradox and the information paradox) and semantic inconsistencies. Surprisingly, the fundamental laws of physics (apart from extremely rare and non-emergent macroscopic quantum mechanical effects) are not violated by the concept of time reversal. Yet, in nature, there still seems to be a fundamental prohibition against time travel to the past. Physicist Dieter Zeh, whose position is more closely presented in the final chapter of this work, supports the view that science fiction literature on the subject of "time travel" is overwhelmingly based on simple conceptual errors. The processes used in this literature, which are based on the General Theory of Relativity, at best, are just as "theoretically possible" as a gas which gathers itself into the corner of a container. This work discusses approaches for "time machines" and superluminal travel which are consistent with modern physics. Some of the discussions that will be presented are the tachyon hypothesis, Tipler's rotating cylinder, the Gödel Universe, the Anti-de Sitter Universe, so-called "wormholes" and the Alcubierre-metric. At the same time, approaches will be presented (for example, Eternalism, the Many-Worlds Interpretation and the Consistent Histories Approach) that will provide attempts to find a solution for paradoxes regarding time travel to the past. Questions about time travel to the past and superluminal travel are like the questions asked on Radio Yerevan. The answer is always, "In principle yes, but…" But the fascination about time travel will continue to provide material for "fiction".

The inspiral and merger of two black holes is among the most exciting and extreme events in our universe. Being one of the loudest sources of gravitational waves, they provide a unique dynamical probe of strong-field general relativity and a fertile ground for the observation of fundamental physics. While the detection of gravitational waves alone will allow us to observe our universe through an entirely new window, combining the information obtained from both gravitational wave and electro-magnetic observations will allow us to gain even greater insight in some of the most exciting astrophysical phenomena. In addition, binary black-hole mergers serve as an intriguing tool to study the geometry of space-time itself. In this dissertation we study the merger process of binary black-holes in a variety of conditions. Our results show that asymmetries in the curvature distribution on the common apparent horizon are correlated to the linear momentum acquired by the merger remnant. We propose useful tools for the analysis of black holes in the dynamical and isolated horizon frameworks and shed light on how the final merger of apparent horizons proceeds after a common horizon has already formed. We connect mathematical theorems with data obtained from numerical simulations and provide a first glimpse on the behavior of these surfaces in situations not accessible to analytical tools. We study electro-magnetic counterparts of super-massive binary black-hole mergers with fully 3D general relativistic simulations of binary black-holes immersed both in a uniform magnetic field in vacuum and in a tenuous plasma. We find that while a direct detection of merger signatures with current electro-magnetic telescopes is unlikely, secondary emission, either by altering the accretion rate of the circumbinary disk or by synchrotron radiation from accelerated charges, may be detectable. We propose a novel approach to measure the electro-magnetic radiation in these simulations and find a non-collimated emission that dominates over the collimated one appearing in the form of dual jets associated with each of the black holes. Finally, we provide an optimized gravitational wave detection pipeline using phenomenological waveforms for signals from compact binary coalescence and show that by including spin effects in the waveform templates, the detection efficiency is drastically improved as well as the bias on recovered source parameters reduced. On the whole, this disseration provides evidence that a multi-messenger approach to binary black-hole merger observations provides an exciting prospect to understand these sources and, ultimately, our universe. / Schwarze Löcher gehören zu den extremsten und faszinierensten Objekten in unserem Universum. Elektromagnetische Strahlung kann nicht aus ihrem Inneren entkommen, und sie bilden die kompaktesten Objekte, die wir kennen. Wir wissen heute, dass in den Zentren der meisten Galaxien sehr massereiche schwarze Löcher vorhanden sind. Im Fall unserer eigenen Galaxie, der Milchstrasse, ist dieses schwarze Loch ungefähr vier Millionen mal so schwer wie unsere Sonne. Wenn zwei Galaxien miteinander kollidieren, führt dies auch dazu, dass ihre beiden schwarzen Löcher kollidieren und zu einem einzelnen schwarzen Loch verschmelzen. Das Simulieren einer solchen Kollision von zwei schwarzen Löchern, die Vorhersage sowie Analyse der von ihnen abgestrahlten Energie in Form von Gravitations- und elektromagnetischen Wellen, bildet das Thema der vorliegenden Dissertation. Im ersten Teil dieser Arbeit untersuchen wir die Verschmelzung von zwei schwarzen Löchern unter verschiedenen Gesichtspunkten. Wir zeigen, dass Ungleichmässigkeiten in der Geometrie des aus einer Kollision entstehenden schwarzen Loches dazu führen, dass es zuerst beschleunigt und dann abgebremst wird, bis diese Ungleichmässigkeiten in Form von Gravitationswellen abgetrahlt sind. Weiterhin untersuchen wir, wie der genaue Verschmelzungsprozess aus einer geometrischen Sicht abläuft und schlagen neue Methoden zur Analyse der Raumzeitgeometrie in Systemen vor, die schwarze Löcher enthalten. Im zweiten Teil dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit den Gravitationswellen und elektromagnetischer Strahlung, die bei einer Kollision von zwei schwarzen Löchern freigesetzt wird. Gravitationswellen sind Wellen, die Raum und Zeit dehnen und komprimieren. Durchläuft uns eine Gravitationswelle, werden wir in einer Richtung minimal gestreckt, während wir in einer anderen Richtung minimal zusammengedrückt werden. Diese Effekte sind allerdings so klein, dass wir sie weder spüren, noch auf einfache Weise messen können. Bei einer Kollision von zwei schwarzen Löchern wird eine grosse Menge Energie in Form von Gravitationswellen und elektromagnetischen Wellen abgestrahlt. Wir zeigen, dass beide Signale in ihrer Struktur sehr ähnlich sind, dass aber die abgestrahlte Energie in Gravitationswellen um ein Vielfaches grösser ist als in elektromagnetischer Strahlung. Wir führen eine neue Methode ein, um die elektromagnetische Strahlung in unseren Simulationen zu messen und zeigen, dass diese dazu führt, dass sich die räumliche Struktur der Strahlung verändert. Abschliessend folgern wir, dass in der Kombination der Signale aus Gravitationswellen und elektromagnetischer Strahlung eine grosse Chance liegt, ein System aus zwei schwarzen Löchern zu detektieren und in einem weiteren Schritt zu analysieren. Im dritten und letzen Teil dieser Dissertation entwickeln wir ein verbessertes Suchverfahren für Gravitationswellen, dass in modernen Laser-Interferometerexperimenten genutzt werden kann. Wir zeigen, wie dieses Verfahren die Chancen für die Detektion eines Gravitationswellensignals deutlich erhöht, und auch, dass im Falle einer erfolgreichen Detektion eines solchen Signals, seine Parameter besser bestimmt werden können. Wir schliessen die Arbeit mit dem Fazit, dass die Kollision von zwei schwarzen Löchern ein hochinteressantes Phenomenon darstellt, das uns neue Möglichkeiten bietet die Gravitation sowie eine Vielzahl anderer fundamentaler Vorgänge in unserem Universum besser zu verstehen.

The paper is located on the border between physics, mathematics and philosophy (ontology). The latter is required to embed the dualistic by nature mathematics into a monistic metatheory. It is shown, that a consequent philosophical monism and an approach which starts from the origin of the universe imposes significant constraints on a physical Theory-of-Everything. This may be helpful for finding such a theory. A philosophical system that is monistic and at the same time structured clear enough to be compatible with mathematical thinking is the Hegelian dialectic logic. With the aid of this logic the necessary existence of a causal chain embedded in the general, unconditional and timeless being is proved constructively. In the causal chain our entire reality is coded. It is termed by Hegel as determinate being in contrast to being. The chain has a beginning, representing the birth of the universe (big bang) and the beginning of time. It is isomorphic to the natural numbers. The half-ring structure of the natural numbers induces a secondary causal network. Thus the ontological approach results in a special version of the theory or causal sets. The causal network is topologically homeo-morphic to an infinite dimensional Minkowski cone. Each prime number corresponds to a dimension. Hypothetical small 'bumps” of 4D spacetime (Brane) in the direction of the extra dimensions of the Minkowski manifold mean topological defects, which can be interpreted as curvature of spacetime. This means a bridge to the general theory of relativity. On the other hand, the bumps may be interpreted as objects with which one can handle similar to the strings in string theory. / Die Arbeit bewegt sich im Grenzgebiet zwischen Physik, Mathematik und Philosophie (Ontologie). Letztere wird benötigt, um die vom Wesen her dualistische Mathematik in eine monistische Metatheorie einzubetten. Es wird gezeigt, dass ein konsequenter philosophischer Monismus und ein Denken vom Ursprung des Universums her einer physikalischen Theorie-von-Allem erhebliche Randbedingungen auferlegen. Für das Auffinden einer solchen Theorie kann das hilfreich sein. Ein philosophisches System, dass monistisch ist und zugleich klar genug strukturiert um mit der mathematischen Denkweise kompatibel zu sein ist die Hegelsche dialektische Logik. Unter Zuhilfenahme dieser Logik wird die notwendige Existenz einer in das allgemeine, unbedingte und zeitlose Sein eingebetteten, aber vom Chaos dieses Seins unbeeinflussten kausalen Kette konstruktiv bewiesen. In dieser kausalen Kette ist unsere gesamte Realität codiert, von Hegel als Dasein im Gegensatz zum Sein bezeichnet. Die Kette hat einen Anfang, der den Anfang des Universums und den Anfang der Zeit darstellt. Sie ist isomorph zu den natürlichen Zahlen. Deren Halbring-Struktur induziert ein sekundäres kausales Netzwerk. Somit ist das Ergebnis der ontologischen Herangehensweise eine spezielle Version der Theorie der kausalen Mengen. Das Netzwerk ist topologisch homöomorph ist zu einem unendlich dimensionalen Minkowski-Kegel. Jeder Primzahl entspricht eine Dimension. Hypothetische kleine „Ausbeulungen“ oder „Bumps“ der 4D-Raumzeit (Brane) in Richtung der Extradimensionen der Minkowski-Mannigfaltigkeit bedeuten topologische Baufehler, die sich als Krümmung der Raumzeit interpretieren lassen und eine Brücke zur allgemeinen Relativi-tätstheorie darstellen. Auf der anderen Seite lassen sich die Ausbeulungen der Brane als Objekte deuten, mit denen man ähnlich umgehen kann wie mit den Strings der Stringtheorie.

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 3.1.2 155 / 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.: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 3.1.2 155

Zeitreisen und Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit sind zwei Menschheitsträume; sie beflügeln die Fantasie und bieten Stoff für skurrile Geschichten. Eine Arbeit zum Thema „Zeitreisen und Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit“ zwingt zu einer Auseinandersetzung mit dem Begriff der „Zeit“. Die Vielschichtigkeit und der antinomische Charakter dieses Begriffes machen es schwer, „Zeit“ genauer zu fassen. Zeit tritt uns entgegen als Form der Wahrnehmung in ihrer zutiefst subjektiven Seite, als biologischer Rhythmus, als soziales Phänomen im Sinne einer kollektiven Zeitbestimmung, aber eben auch als physikalischer Parameter. Einsteins Relativitätstheorie revolutioniert unsere Vorstellungen von Raum und Zeit, indem sie sich vom newton-mechanischen Konzept des absoluten Raumes und der absoluten Zeit löst. Sie macht aber das, was bei Wells zehn Jahre vorher noch reine Fiktion war, zu einem für die Physik diskussionswürdigen Thema, nämlich das „Problem der Zeitreisen“. Einsteins Spezielle Relativitätstheorie (1905) erlaubt durch den von ihr vorhergesagten Effekt der Zeitdilatation „Reisen in die Zukunft“, und die Einstein’sche Gravitationstheorie lässt geschlossene zeitartige Linien als Lösungen ihrer Gleichungen zu (z. B. Gödel-Kosmos, Anti-de-Sitter-Kosmos). Allerdings würde eine Reise auf einer Zeitschleife sofort ein ganzes Bündel von Paradoxien (z. B. Großvater-Paradoxon, Informationsparadoxon) und semantischen Inkonsistenzen nach sich ziehen. Obwohl erstaunlicherweise die fundamentalen Gesetze der Physik (abgesehen von extrem seltenen und makroskopisch nicht in Erscheinung tretenden quantenmechanischen Effekten) bei einer Zeitumkehr nicht verletzt würden, scheint es in der Natur doch ein grundsätzliches Verbot von Vergangenheitsreisen zu geben. Der Physiker Dieter Zeh, dessen Position im Schlusskapitel der Arbeit näher beleuchtet wird, vertritt die Auffassung, dass die Science-Fiction-Literatur zum Thema „Zeitreisen“ überwiegend auf einfachen begrifflichen Fehlern beruhe. Die in Anlehnung an die Allgemeine Relativitätstheorie konstruierten Vorgänge seien bestenfalls genauso „theoretisch möglich“ wie ein Gas, das sich von selbst in einer Ecke des Gefäßes versammelt. Die vorliegende Arbeit erörtert Ansätze für „Zeitmaschinen“ und superluminale Prozesse, die in Einklang mit der modernen Physik stehen. Besprochen werden u. a. die Tachyonen-Hypothese, Tiplers rotierender Zylinder, der Gödel-Kosmos, der Anti-de-Sitter-Kosmos, die sogenannten „Wurmlöcher“ und die Alcubierre-Metrik. Zugleich sollen Ansätze vorgestellt werden (z. B. Eternalismus, Viele-Welten-Modell, Prinzip der konsistenten Geschichte), die Lösungsversuche für die Paradoxien von Vergangenheitsreisen bieten. Um die Reisen in die Vergangenheit und Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit scheint es zu stehen wie mit einer Anfrage an Radio Jerewan; die Antwort lautet stets: „Im Prinzip ja, aber …“ Doch die Faszination dieser Idee wird weiterhin Stoff für die „Fiction“ liefern. / Time travel and superluminal travel are two of mankind's dreams. They inspire our imagination and provide material for bizarre stories. A work on the subject of time travel and superluminal travel forces us to re-examine our concept of "time". The complexity and the contradictory nature this subject makes it difficult to be more precise about "time". On its deepest subjective side, time is a means of perception, a biological rhythm, a social phenomenon in terms of our collective understanding of time. But it is also a physical parameter. Einstein's Theory of Relativity revolutionised our idea of space and time by freeing us from the Newtonian concept of absolute space and absolute time. The "problem of time travel", a subject that Wells wrote about just ten years before as mere fiction, was now a discussion worthy of physics. Einstein's Special Theory of Relativity (1905), by predicting the effects of time dilation, allowed for "travels into the future" and Einstein's Theory of Gravity used closed time-like lines for solutions to calculations about time travel (for example, the Gödel Universe and the Anti-de Sitter Universe). However, a trip to a time warp would immediately involve a whole set of paradoxes (for example, the grandfather paradox and the information paradox) and semantic inconsistencies. Surprisingly, the fundamental laws of physics (apart from extremely rare and non-emergent macroscopic quantum mechanical effects) are not violated by the concept of time reversal. Yet, in nature, there still seems to be a fundamental prohibition against time travel to the past. Physicist Dieter Zeh, whose position is more closely presented in the final chapter of this work, supports the view that science fiction literature on the subject of "time travel" is overwhelmingly based on simple conceptual errors. The processes used in this literature, which are based on the General Theory of Relativity, at best, are just as "theoretically possible" as a gas which gathers itself into the corner of a container. This work discusses approaches for "time machines" and superluminal travel which are consistent with modern physics. Some of the discussions that will be presented are the tachyon hypothesis, Tipler's rotating cylinder, the Gödel Universe, the Anti-de Sitter Universe, so-called "wormholes" and the Alcubierre-metric. At the same time, approaches will be presented (for example, Eternalism, the Many-Worlds Interpretation and the Consistent Histories Approach) that will provide attempts to find a solution for paradoxes regarding time travel to the past. Questions about time travel to the past and superluminal travel are like the questions asked on Radio Yerevan. The answer is always, "In principle yes, but…" But the fascination about time travel will continue to provide material for "fiction".

In dieser Arbeit wird der Ansatz der Weltlinienquantenfeldtheorie (WQFT) zur Berechnung von Observablen des klassischen allgemeinen relativistischen Zweikörpersystems vorgestellt. Kompakte Körper wie Schwarze Löcher oder Neutronensterne werden im Rahmen einer effektiven Feldtheorie mit Weltlinienfeldern beschrieben. Die WQFT behandelt alle Weltlinienfelder gleichberechtigt mit dem Gravitationsfeld und ist definiert als die tree-level-Beiträge eines Pfadintegrals auf diesen Feldern. Zuerst wird die effektive feldtheoretische Beschreibung von kompakten Körpern mit Weltlinien und die post-Minkowski'schen Approximation der Streuung dieser Körpern vorgestellt. Die Einbeziehung des Spins wird mit besonderem Augenmerk auf ihre supersymmetrische Beschreibung in Form von antikommutierenden Grassmann-Variablen analysiert. Anschließend wird die WQFT mit einer Diskussion ihrer in-in Schwinger-Keldysh-Formulierung, ihrer Feynman-Regeln und Graphengenerierung sowie ihrer on-shell Einpunktfunktionen vorgestellt. Die Berechnung von Streuobservablen erfordert im Allgemeinen die Auswertung von Multi-Loop-Integralen, und wir analysieren die Zwei-Loop-Integrale, die in der dritten post-Minkowski'schen Ordnung der Weltlinienobservablen auftreten. Schließlich wenden wir uns den Ergebnissen der WQFT zu und beginnen mit der gravitativen Bremsstrahlung bei der Streuung zweier rotierender Körper. Diese Wellenform wird zusammen mit der Strahlungsinformation der Linear- und Drehimpulsflüsse diskutiert. Der gesamte abgestrahlte Drehimpuls führender post-Minkowski'schen Ordnung wird abgeleitet. Wir präsentieren dann die Ergebnisse des konservativen und strahlenden Impulses und des Spin-Kicks bei dritter post-Minkowski'scher Ordnung und quadratischer Ordnung in Spins zusammen mit der Abbildung der ungebundenen Ergebnisse auf einen konservativen (gebundenen) Hamiltonian bei der entsprechenden perturbativen Ordnung. / In this work the worldline quantum field theory (WQFT) approach to computing observables of the classical general relativistic two-body system is presented. Compact bodies such as black holes or neutron stars are described in an effective field theory by worldline fields with spin degrees of freedom efficiently described by anti-commuting Grassmann variables. Novel results of the WQFT include the gravitational bremsstrahlung at second post-Minkowskian order and the impulse and spin kick at third post-Minkowskian order all at quadratic order in spins. Next, the WQFT is presented with a comprehensive discussion of its in-in Schwinger-Keldysh formulation, its Feynman rules and graph generation and its on-shell one-point functions which are directly related to the scattering observables of unbound motion. Here, we present the second post-Minkowskian quadratic-in-spin contributions to its free energy from which the impulse and spin kick may be derived to the corresponding order. The computation of scattering observables requires the evaluation of multi-loop integrals and for the computation of observables at the third post-Minkowskian order we analyze the required two-loop integrals. Our discussion uses retarded propagators which impose causal boundary conditions of the observables. Finally we turn to results of the WQFT starting with the gravitational bremsstrahlung of the scattering of two spinning bodies. This waveform is discussed together with its radiative information of linear and angular momentum fluxes. Lastly we present the conservative and radiative impulse and spin kick at third post-Minkowskian order and quadratic order in spins together with the a conservative Hamiltonian at the corresponding perturbative order. The results obey a generalized Bini-Damour radiation-reaction relation and their conservative parts can be parametrized in terms of a single scalar.

Wir studieren die perturbative Quantisierung von Eichtheorien und Gravitation. Unsere Untersuchungen beginnen mit der Geometrie von Raumzeiten und Teilchenfeldern. Danach diskutieren wir die verschiedenen Lagrangedichten in der Kopplung der (effektiven) Quanten-Allgemeinen-Relativitätstheorie zum Standardmodell. Desweiteren studieren wir den zugehörigen BRST-Doppelkomplex von Diffeomorphismen und Eichtransformationen. Danach wenden wir Connes--Kreimer-Renormierungstheorie auf die perturbative Feynmangraph-Entwicklung an: In dieser Formulierung werden Subdivergenzen mittels des Koprodukts einer Hopfalgebra strukturiert und die Renormierungsoperation mittels einer algebraischen Birkhoff-Zerlegung beschrieben. Dafür verallgemeinern und verbessern wir bekannte Koprodukt-Identitäten und ein Theorem von van Suijlekom (2007), das (verallgemeinerte) Eichsymmetrien mit Hopfidealen verbindet. Insbesondere lässt sich unsere Verallgemeinerung auf Gravitation anwenden, wie von Kreimer (2008) vorgeschlagen. Darüberhinaus sind unsere Resultate anwendbar auf Theorien mit mehreren Vertexresuiden, Kopplungskonstanten und ebensolchen mit einer transversalen Struktur. Zusätzlich zeigen wir Kriterien für die Kompatibilität dieser Hopfideale mit Feynmanregeln und dem gewählten Renormierungsschema. Als nächsten Schritt berechnen wir die entsprechenden Gravitations-Materie Feynmanregeln für alle Vertexvalenzen und mit einem allgemeinen Eichparameter. Danach listen wir alle Propagator- und dreivalenten Vertex-Feynmanregeln auf und berechnen die entsprechenden Kürzungsidentitäten. Abschließend stellen wir geplante Folgeprojekte vor: Diese schließen eine Verallgemeinerung von Wigners Klassifikation von Elementarteilchen für linearisierte Gravitation ein, ebenso wie die Darstellung von Kürzungsidentitäten mittels Feynmangraph-Kohomologie und eine Untersuchung der Äquivalenz verschiedener Definitionen des Gravitonfeldes. Insbesondere argumentieren wir, dass das richtige Setup um perturbative BRST-Kohomologie zu studieren eine differentialgraduierte Hopfalgebra ist. / We study the perturbative quantization of gauge theories and gravity. Our investigations start with the geometry of spacetimes and particle fields. Then we discuss the various Lagrange densities of (effective) Quantum General Relativity coupled to the Standard Model. In addition, we study the corresponding BRST double complex of diffeomorphisms and gauge transformations. Next we apply Connes--Kreimer renormalization theory to the perturbative Feynman graph expansion: In this framework subdivergences are organized via the coproduct of a Hopf algebra and the renormalization operation is described as an algebraic Birkhoff decomposition. To this end, we generalize and improve known coproduct identities and a theorem of van Suijlekom (2007) that relates (generalized) gauge symmetries to Hopf ideals. In particular, our generalization applies to gravity, as was suggested by Kreimer (2008). In addition, our results are applicable to theories with multiple vertex residues, coupling constants and such with a transversal structure. Additionally, we also provide criteria for the compatibility of these Hopf ideals with Feynman rules and the chosen renormalization scheme. We proceed by calculating the corresponding gravity-matter Feynman rules for any valence and with a general gauge parameter. Then we display all propagator and three-valent vertex Feynman rules and calculate the respective cancellation identities. Finally, we propose planned follow-up projects: This includes a generalization of Wigner's classification of elementary particles to linearized gravity, the representation of cancellation identities via Feynman graph cohomology and an investigation on the equivalence of different definitions for the graviton field. In particular, we argue that the appropriate setup to study perturbative BRST cohomology is a differential-graded Hopf algebra.