In dieser Arbeit werden die Grundlagen von zwei häufig auftretenden Merkmalen unserer Naturgesetze untersucht: Eichsymmetrien und Quantisierung. Durch die Betrachtung dieser Merkmale im mathematischen Rahmen von Homotopie-Algebren wollen wir neue Methoden zur Berechnung physikalischer Observablen beschreiben, insbesondere in der Kosmologie und der Quantenmechanik. Zunächst befassen wir uns mit dem Problem der Eichredundanzen, die es schwer machen zu erkennen, welche Größen eine physikalische Bedeutung haben. Im Jahr 1980 erreichte Bardeen dieses Ziel in der kosmologischen Störungstheorie zu erster Ordnung. Die Frage, ob dieses Verfahren auf die perturbative Expansion von Eichtheorien aller Ordnungen ausgedehnt werden kann, ist seitdem jedoch offen geblieben. Wir zeigen, dass die Umformulierung von Eichtheorien in eichinvariante Felder als ein Transfer von homotopie-algebraischer Strukturen verstanden werden kann. Unter Verwendung dieses mathematischen Rahmens erweitern wir dann die Gültigkeit der Bardeen-Variablen auf perturbative Eichtheorien zu allen Ordnungen. Nach der Einführung eines systematisches Verfahrens für die eichinvariante Störungstheorie betrachten wir die Berechnung von Observablen in der Doppelfeldtheorie um zeitabhängige Hintergründe. Indem wir die Doppelfeldtheorie um zeitabhängige Hintergründe quadratischer und kubischer Ordnung erweitern und die quadratische Wirkung in den eichinvarianten Variablen ausdrücken, schaffen wir eine Grundlage für zukünftige Berechnungen, insbesondere zur Untersuchung des Einflusses massiver Stringmoden in kosmologischen Hintergründen. Zum Schluss betrachten wir einen anderen Ansatz zur Berechnung von Erwartungswerten in der Quantenmechanik. Obwohl die Pfadintegralformulierung der Quantenmechanik für den Fortschritt der Quantentheorie von entscheidender Bedeutung war, fehlt ihr immer noch eine strenge mathematische Definition. Die Reduktion eines unendlich-dimensionalen Raums von klassisch erlaubten Trajektorien auf einen Erwartungswert, der lediglich eine Funktion der Anfangs- und Endrandbedingungen ist, hat jedoch eine homotopiealgebraische Interpretation. Mit Hilfe des Batalin-Vilkovisky-Formalismus, der eng mit Homotopie-Lie-Algebren verwandt ist, entwickeln wir einen homologischen Ansatz zur Berechnung von Quantenerwartungswerten. Als Beispiel betrachten wir den harmonischen Oszillator und zeigen, dass unsere Methode auch im Kontext der Quantenfeldtheorie in gekrümmter Raumzeit verwendet werden kann, indem wir den Unruh-Effekt berechnen. / This thesis examines the underpinnings of two frequently manifest features of our laws of nature: gauge symmetries and quantization. By studying these features through the mathematical framework of homotopy algebras, we aim to describe new methods towards the computation of physical observables, in particular for cosmology and quantum mechanics. First, we deal with the problem of gauge redundancies, which make it difficult to discern which quantities have physical meaning. In 1980, Bardeen introduced a procedure to achieve this goal in first order cosmological perturbation theory. However, the question whether this procedure can be extended to the perturbative expansion of gauge theories to all orders has remained open since then. We show that, in general, the reformulation of gauge theories in gauge invariant fields has the interpretation of transferring homotopy algebraic structure. Utilising this mathematical framework, we then generalize Bardeen’s procedure to perturbative expansions of gauge theories to all orders in perturbations. After establishing a systematic procedure for gauge invariant perturbation theory, we set up the stage for computing observables in double field theory around time-dependent backgrounds. Double field theory not only has T-duality as a manifest symmetry, which is expected to be important in string cosmology proposals, but is also (in its weakly constrained form) a description of massive string modes, and hence is a suitable arena to investigate the imprint of massive string modes in cosmological backgrounds. By expanding double field theory around time-dependent backgrounds to quadratic and cubic order and expressing the quadratic action in terms of gauge invariant variables, we provide a basis for future computations. Finally, we describe a different approach for computing expectation values in quantum mechanics. Though having been essential for the progress of quantum theory, the path integral formulation of quantum mechanics still lacks a rigorous mathematical definition. However, the act of reducing an infinite-dimensional space of classically allowed trajectories into an expectation value which is merely a function of the initial and final boundary conditions does have a homotopy algebraic interpretation. Through the Batalin-Vilkovisky formalism, which is closely related to homotopy Lie algebras, we build a homological approach for computing quantum expectation values. We demonstrate our method for the harmonic oscillator and we show that our method can also be used in the context of quantum field theory in curved spacetime by rederiving the Unruh effect.

Diese Arbeit befasst sich mit der sogenannten Doppelkopie, welche erstmals im Rahmen von Streuamaplituden formuliert wurde und eine Beziehung zwischen Yang-Mills-Theorie und der Gravitation herstellt. Yang-Mills-Streuamplituden tragen sowohl kinematische Informationen als auch Informationen, die mit einer Eigenschaft namens Farbe verbunden sind. Die Doppelkopie besagt, dass die Ersetzung der Farbinformation in Yang-Mills-Amplituden durch eine andere Kopie ihrer kinematischen Information zu Gravitationsamplituden führt, sofern bestimmte algebraische Bedingungen erfüllt sind. Die algebraischen Bedingungen, die für die Doppelkopie erforderlich sind, deuten auf die Existenz einer Algebra hin, die der Kinematik der Yang-Mills-Theorie zugrunde liegt und die kinematische Algebra genannt wird. In den letzten fünfzehn Jahren hat die Doppelkopie die Art und Weise, wie Streuungsberechnungen in der Gravitation durchgeführt werden, revolutioniert, und dennoch bleibt ein grundsätzliches Verständnis der Doppelkopie und der kinematischen Algebra schwer zu fassen. In dieser Arbeit verlassen wir den Rahmen der Streuamplituden und behandeln dieses Problem mit Hilfe von Homotopie-Algebren, den mathematischen Strukturen, die perturbativen Feldtheorien, einschließlich ihrer Off-Shell Struktur, zugrunde liegen. Insbesondere die der Yang-Mills-Theorie zugrunde liegende Algebra lässt sich in algebraische Strukturen für Farbe und Kinematik faktorisieren. Unter Verwendung dieser Faktorisierung konstruieren wir explizit eine kinematische Algebra für die Yang-Mills Theorie bis zur quartischen Ordnung in der Störungstheorie. Dann ersetzen wir die Farbalgebra durch eine zweite Kopie der kinematischen Algebra und erhalten eine Gravitationstheorie bis hinzu und einschließlich der quartischen Wechselwirkungen. Außerdem erklären wir, inwiefern die kinematische Algebra die Struktur ist, die für die Konsistenz der resultierenden Gravitationstheorie verantwortlich ist. Unsere algebraische Herangehensweise an die Doppelkopie ist vollständig Off-Shell, eichunabhängig und lokal und bietet eine neue Perspektive auf die algebraischen Grundlagen und Ursprünge der Doppelkopie. / This thesis deals with a relation between Yang-Mills theory and gravity called the double copy, which was first formulated in the framework of scattering amplitudes. Yang-Mills scattering amplitudes carry kinematic information as well as information associated with a property called color. The double copy states that, provided that certain algebraic conditions are met, replacing the color information of Yang-Mills amplitudes with another copy of their kinematic information yields gravitational amplitudes. The algebraic conditions required by the double copy hint at the existence of an algebra underlying the kinematics of Yang-Mills called the kinematic algebra. In the last fifteen years, the double copy has revolutionized the way that scattering computations are performed in gravity, and, yet, a first principle understanding of the double copy and the kinematic algebra remains elusive. In this thesis we divert from scattering amplitudes and address this problem in the framework of homotopy algebras, which are the mathematical structures underlying perturbative field theories, including their off-shell structure. In particular, the algebra underlying Yang-Mills theory factorizes into color and kinematic algebraic structures. Using this factorization, we construct explicitly a kinematic algebra for Yang-Mills theory to quartic order in perturbation theory. Then, following the double copy, we replace the color algebra with a second copy of the kinematic algebra and we obtain gravity up to and including quartic interactions. Moreover, we explain how the kinematic algebra is responsible for the consistency of the resulting gravity theory. Our algebraic approach to the double copy is completely off-shell, gauge independent and local, and provides a novel perspective on the algebraic foundations and origins of the double copy.