Une théorie fixé de la gravitation est loin d' être complète. La théorie plus prometteuse parmi ces théories de la gravité dans ce siècle est la relativité générale (RG), qui est toujours rencontre des obstacles par plusieurs problèmes. Les problèmes que nous soulignons dans cette thèse sont les aspects thermodynamiques et la quantification de la gravitation. Les tentatives proposées pour comprendre d'aspect thermodynamique de RG ont déjà été étudiés par la thermodynamique des trous noirs, alors que la théorie de la gravité quantique a déjà eu plusieurs des candidats, l'un d' entre eux était la gravité quantique à boucles (LQG), celui qui est la théorie base de notre travail. La théorie correcte de la gravité quantique devrait offrir une limite classique qui est correcte et consistent , ce qui évidemment , la relativité générale. / A fixed theory of gravity is far from being complete. The most promising theory of gravity in this century is general relativity (GR), which is still plagued by several problems. The problems we highlight in this thesis are the thermodynamical aspects and the quantization of gravity. Attempts to understand the termodynamical aspect of GR have already been studied through the thermodynamics of black holes, while the theory of quantum gravity has already had several candidates, one of them being the canonical loop quantum gravity (LQG), which is the base theory in our work.

Le but de cette thèse est d'étudier lagravité quantique bidimensionnelle. Nousnous intéressons plus particulièrement auxapproches dans le continu. Ces dernièresreposent principalement sur l'action deLiouville qui décrit le couplage entre théorieconforme et gravité. Si cette action, bienconnue, est très bien comprise, la mesure del'intégrale fonctionnelle sur l'espace desmétriques pose plus de problèmes. Toutefois,sous l'hypothèse simplificatrice d'une mesurede champ libre, la dépendance en l'aire de lafonction de partition de la gravité quantiqueen présence de matière conforme a pu êtreétablie. Malgré l'hypothèse assez forte sur lamesure d'intégration, cette formule (diteKPZ), a été confirmée par des calculs issusde méthodes discrètes, et ce dans plusieurscas particuliers. Grâce à une nouvelle méthode derégularisation spectrale en espace courbe,cette mesure d'intégration a récemment puêtre proprement définie. Dans cette thèse,un calcul perturbatif de la fonction departition à aire fixée est mené, jusqu'à troisboucles, en considérant l'action de Liouvilleet des surfaces de Kähler de genrequelconque (qui coïncident avec l'ensembledes surfaces à deux dimensions). Desdivergences apparaissant dans les calculs, ilest nécessaire de renormaliser les actions.Cette renormalisation peut être interprétéecomme une renormalisation de la mesured'intégration. Nos résultats à deux bouclessont finis, indépendants de la régularisationet compatibles avec le résultat KPZ, maisdépendent d'un paramètre libre. L'étude àtrois boucles suggère que la théorie resterenormalisable aux ordres supérieurs maisdépend de nouveaux paramètres à chaqueordre. Ces résultats ont été généralisé dansle cas du tore au couplage à de la matièrenon-conforme. / Nowadays, two-dimensional quantumgravity can be studied in two differentapproaches, one involving discrete theories(triangulation, matrix model...), the othercontinuous ones, mainly based on the socalled Liouville action which universallydescribes the coupling of any conformal fieldtheory to gravity. While the Liouville action isrelatively well understood, the appropriatefunctional integral measure is however rathercomplicated. Nevertheless, a formula for thearea dependence of the quantum gravitypartition function in the presence of conformalmatter has been obtained, under thesimplifying assumption of a free-fieldmeasure. Notwithstanding its non-rigorousderivation, this formula, often referred to asthe KPZ formula, has since been verified inmany instances and has scored manysuccesses. Recent developments of efficient multiloopregularization methods on curved spacetimesopened the way for a precise and welldefinedperturbative computation of the fixedareapartition function in the Kählerformalism. In this work, a first-principlescomputation of the fixed-area partitionfunction in the Liouville theory is performed,up to three loops. Among other things, therole of the non-trivial quantum gravityintegration measure is highlighted.Renormalization is required and may beinterpreted as a renormalization of theintegration measure. This leads to a finite andregularization-independent result at two loops,that is more general than the KPZ result,although compatible. Finiteness andregularization-independence seem alsopossible at three loops. These results aregeneralized to the coupling to non-conformalmatter on the torus.

Dans cette thèse, nous nous intéressons par des approches probabilistes à la gravité quantique de Liouville, introduite par Polyakov en 1981 sous la forme d'une intégrale de chemin sur les surfaces 2d. Pour définir cette intégrale de chemin avec interaction exponentielle, nous partons du chaos multiplicatif Gaussien, l'outil fondamental pour définir l'exponentielle des champs Gaussiens de corrélation logarithmique. Dans un premier temps, nous généralisons la construction de la gravité quantique de Liouville sur la sphère de Riemann à une autre géométrie avec bord, celle du disque unité. La nouveauté de ce travail réalisé en collaboration avec R.Rhodes et V.Vargas, est d'analyser avec soin le terme du bord dans l'intégrale de chemin ainsi que l'interaction entre la mesure du bord et la mesure du disque. Nous établissons rigoureusement les formules de la théorie conforme des champs en physique, telles que la covariance conforme, la formule KPZ, l'anomalie de Weyl ainsi que la borne de Seiberg. Une borne de Seiberg relaxée dans le cas de la gravité de Liouville à volume total fixé sur le disque est aussi formulée et étudiée. Dans la seconde moitié de cette thèse, nous comparons cette construction à la Polyakov avec une autre approche de la gravité quantique de Liouville. En collaboration avec deux autres jeunes chercheurs J.Aru et X.Sun, nous fournissons une correspondance entre ces deux approches dans un cas simple et important, celui de la sphère de Riemann avec trois points marqués. En mélangeant les techniques de ces deux approches, nous fournissons une nouvelle procédure d'approximation qui permet de relier ces deux différentes approches. / In this thesis, we study the theory of Liouville Quantum Gravity via probabilist approach, introduced in the seminal paper of Polyakov in 1981, using path integral formalism on 2d surfaces. To define this path integral with exponential interaction, we started from the theory of Gaussian Multiplicative Chaos in order to define exponential of log-correlated Gaussian fields. In the first part, we generalise the construction of Liouville Quantum Gravity on the Riemann sphere to another geometry, the one of the unit disk. The novelty of this work, in collaboration with R.Rhodes and V.Vargas, is to analyse carefully the boundary term in the path integral formalism and its interaction with the bulk measure. We establish rigorously formulae from Conformal Field Theory in Physics, such as conformal covariance, KPZ relation, conformal anomaly and Seiberg bounds. A relaxed Seiberg bound in the unit volume case of Liouville Quantum Gravity on the disk is also announced and studied. In the second part of this thesis, we compare this construction in the spirit of Polyakov to another approach to the Liouville Quantum Gravity. In collaboration with two other young researchers, J.Aru and X.Sun, we give a correspondance between these two approaches in a simple but conceptually important case, namely the one on the Riemann sphere with three marked points. Using technics coming from these two approches, we give a new way of regularisation procedure that eventually allow us to link these two pictures.

Cette thèse explore divers aspects des cartes aléatoires par l'étude de trois modèles. Dans un premier temps, nous examinons les propriétés d’une mesure définie sur l’ensemble des triangulations de Delaunay planaires comportant n sommets, qui est un modèle de cartes où les arêtes sont décorées par des angles. Nous montrons ainsi que la mesure est égale à la mesure de Weil-Petersson sur l’espace des modules des surfaces de Riemann planaires marquées. Sont aussi montrées deux propriétés de la mesures, premiers pas d'une étude de la limite continue de ce modèle. Dans un deuxième temps, nous définissons des fonctions de corrélations sur les graphes de Strebel planaires isopérimétriques à n faces, qui sont des cartes métriques trivalentes. Les périmètres des faces sont fixés. Nous recourons au théorème de Kontsevich pour calculer les fonctions de corrélations en termes de nombres d’intersection de classes de Chern sur l’espace des modules des surfaces de Riemann. Pour la fonction à une face marquée, la limite des grandes cartes est examinée via l’approximation du point-selle, pour différents régimes du périmètre de la face marquée, et nous déduisons le régime où le comportement de la fonction de corrélation n’est pas trivial. Les fonctions de corrélations peuvent être calculées de manière systématique par la récurrence topologique. Partant, nous calculons la courbe spectrale de notre modèle, ce qui nous permet de montrer qu’il existe une courbe spectrale critique. Nous déduisons de cette courbe critique que la limite continue des graphes de Strebel isopérimétriques est un modèle minimal de type (3,2), habillé par la théorie de Liouville. Cela correspond bien à la gravité pure. Enfin, nous abordons la question des symétries dans le modèle d’Ising sur cartes aléatoires. Certaines fonctions de corrélations de ce modèle comptent le nombre de cartes bicolores avec des faces marquées, les bords, ayant des conditions aux bords mixtes, calculées par récurrence à partir de la courbe spectrale du modèle. Nous prouvons ici que, pour des courbes spectrales génériques, les fonctions de corrélations des cartes à un bord mixte sont symétriques par rotation et par inversion du bord mixte. Nous décrivons ensuite les conséquences de telles symétries, suggérant une possible reformulation du modèle en termes de chaînes de spins. / This thesis explore several aspects of random maps through the study of three models. First, we examine the properties of a measure defined on the set of planar Delaunay triangulations with n vertices, a model in which the edges of the maps are decorated with angles. We show that the measure is the Weil-Petersson volume form on the moduli space of planar Riemann surfaces having n marked points. Two other properties, first steps toward the continuous limit study of the model, are also shown. Second, we define correlation functions on isoperimetric planar Strebel graphs with n faces, which are trivalent maps whose edges are decorated by positive lengths, and whose faces have a fixed perimeter. Kontsevich's theorem allows us to compute the correlation functions in terms of the intersection numbers of Chern classes of moduli space of Riemann surfaces. The continuous limit of the one-point function is computed in different regimes for the perimeter of the marked face via the saddle-point approximation. We identify the regime in which the behaviour of the one-point function is not trivial. The correlation functions can be computed in a systematic way by the Topological Recursion. To do so, we compute the spectral curve of the model, and show that there exists a critical spectral curve. We deduce from the latter that the continuous limit of isoperimetric Strebel graphs is a (3,2) minimal model dressed by Liouville theory: it corresponds to pure gravity. Last, we address the problem of symmetries in the Ising model on random maps. Some correlation functions of this model count the bi-colored maps with marked faces having mixed boundary conditions. They are computed via a recursive formula and the spectral curve of the model. We prove here that the correlation functions of maps with one mixed boundary, computed from the recursive relation with generic spectral curve, are invariant under rotation and inversion of the mixed boundary. We describe the consequences of such symmetries, suggesting a possible reformulation of the model in terms of spin chains.

Presently, Planck’s constant is a fundamental constant that can not be derived from other onstants. Assis developed a model based on an extended Weber-type potential energy, that allows calculating gravitational-type forces from neutral oscillating electric dipoles. Here we show that the maximum possible point-mass in his model equals the Planck mass which allows us to derive Planck’s constant and the fine-structure constant. We match the exact order of magnitude only requiring a pre-factor that is present in all Weber-type theories and has to be determined empirically. This classical model allows to link electromagnetic, gravitational and quantum properties with one approach.

The main result of the thesis is the derivation of quantum phenomenological gravi- tational dynamics from the thermodynamics of local causal diamonds. By taking into account logarithmic corrections to entropy implied by quantum gravity effects, we derive new gravitational equations of motion which incorporate quantum corrections. The re- sulting theory appears to be a direct generalisation of the classical unimodular gravity instead of the general relativity. Upon obtaining the equations, we discuss their prop- erties and possible implications. As by-products, we also present a novel derivation of the Einstein equations from the thermodynamics of causal diamonds and a derivation of the logarithmic corrections to black hole entropy from the existence of minimal re- solvable area. Apart from the new results, we also provide an extensive review of the thermodynamics of local causal horizons. 1

Un des grand défis de la physique actuelle est la quantification de la gravit é. La théorie d’Einstein est remarquable pour ses prédictions. Malheureusement, elle reste une théorie classique et de ce fait en désaccord avec les progrès actuels en physique des particules qui montrent qu’à faible distance, une théorie physique doit être quantique. Une des pistes pour résoudre ce problème est d’étudier la version classique de la gravité dans l’espoir d’en déduire des propriétés ou même la forme de la théorie quantique.<p><p>Un des outils pour étudier une theorie est la notion de dualité. On dit que deux théories sont duales quand elles décrivent le même système par des moyens différents. La dualité est le dictionnaire permettant de passer d’une description à l’autre. Dans ma thèse, j’ai étudié deux dualités s’appliquant à la gravité en 4 dimensions.<p><p>La première est connue sous le nom de dualité électromagnétique. A l’origine, cette dualité s’applique à l’électromagnétisme où elle échange les rôles du champ & / Doctorat en Sciences / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ma thèse s'inscrit dans le cadre de l'unification des interactions fondamentales, dans lequel la théorie quantique de la gravitation devrait trouver une formulation cohérente. La piste la plus prometteuse dans cette voie semble être celle de la théorie M dont le groupe de symétrie a été conjecturé être le groupe de Kac-Moody. Diverses indications reliant cette théorie à des algèbres de Kac-Moody de type g++ proviennent de l’étude des théories de la gravitation couplée à des p-formes et des dilatons. En particulier, la dynamique du champs de gravitation à l’approche d’une singularité de type espace est contrôlée par le groupe de Weyl de ces algèbres (et interprétée comme le mouvement d’une particule libre sans masse sur un billard). <p><p>Nous avons étudié la limite BKL dans le contexte des cosmologies homogènes en terme de billard einsteiniens. Notre analyse confirme la restauration du comportement chaotique du champ gravitationnel lorsque la métrique est non – diagonale, en toutes les dimensions D d’espace-temps telles que 4<D<11. Des sous - algèbres infini - dimensionnelles des algèbres g++ apparaissent naturellement dans ce cadre. <p><p>En utilisant les propriétés des billards, nous avons déterminé la dimension maximale ainsi que le contenu en champs des théories de la gravitation qui, en D=3, se réduisent à la gravité couplée à une réalisation non linéaire du quotient G/K où G est un groupe de Lie simple non maximalement déployé et K son sous-groupe compact maximal. <p><p>Les billards peuvent être de volume fini ou infini. Dans ce dernier cas, la dynamique asymptotique du champ de gravitation (et des dilatons) est chaotique. Si le billard est identifiable à la chambre fondamentale de Weyl d’une algèbre de Kac-Moody, le critère pour que la dynamique asymptotique soit chaotique est que l’algèbre de Kac-Moody soit hyperbolique. Nous avons identifié toutes les algèbres hyperboliques résultant d’une théorie de la gravitation couplée à des p-formes et des dilatons. Pour chacune de ces algèbres, nous avons écrit un Lagrangien en dimension maximale. <p><p>On obtient des actions explicitement invariantes sous les groupes de Kac-Moody G++ (ou G+++) en copiant les modèles sigma décrivant un mouvement géodésique sur une variété homogène de type G++/K(G++) où K(G++) est le sous-groupe compact maximal de G++. Le lien entre cette construction et les théories de la gravitation couplée à des p-formes et dilatons n'est pas encore établi mais certaines connexions ont été mises en évidence. <p><p>- Nous avons inclus les fermions dans les actions invariantes sous G++. De plus, nous nous sommes intéressés à vérifier la compatibilité des fermions avec les symétries cachées en D=3. Nous avons étudié le comportement des fermions la limite BKL dans le langage des billards. <p><p>- Dans le cadre des théories invariantes sous G+++, les réflexions de Weyl peuvent s’interpréter comme des dualités entre théorie des cordes. Ces dualités peuvent changer la signature de l’espace-temps en des signatures exotiques ;nous avons obtenu toutes les signatures provenant ainsi d’une signature Lorentzienne. <p> / Doctorat en sciences, Spécialisation physique / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Diese Arbeit befaßt sich mit der Koppelung von Vertex-Modellen an die planaren $\phi^4$-Zufallsgraphen des Zugangs zur Quantengravitation über dynamische Polygonifizierungen. Das betrachtete System hat eine doppelte Bedeutung, einerseits als die Koppelung einer konformen Feldtheorie mit zentraler Ladung $C=1$ an zweidimensionale Euklidische Quantengravitation, andererseits als Anwendung von geometrischer, "annealed" Unordnung auf ein prototypisches Modell der statistischen Mechanik. Da das Modell mit Hilfe einer großangelegten Reihe von Monte Carlo Simulationen untersucht wird, müssen entsprechende Techniken für die Simulation von dynamischen Quadrangulierungen bzw. die dualen $\phi^4$-Graphen entwickelt werden. Hierzu werden verschiedene Algorithmen und die dazugehörigen Züge vorgeschlagen und hinsichtlich ihrer Ergodizität und Effizienz untersucht. Zum Vergleich mit exakten Ergebnissen werden die Verteilung der Koordinationszahlen bzw. bestimmte Analoga davon konstruiert. Für Simulationen des $F$-Modells auf $\phi^4$-Zufallsgraphen wird ein Ordnungsparameter für den antiferroelektrischen Phasenübergang mit Hilfe einer Plakettenspindarstellung formuliert. Ausführliche "finite-size scaling"-Analysen des Kosterlitz-Thouless-Phasenübergangs des $F$-Modells auf dem Quadratgitter und auf Zufallsgraphen werden vorgestellt und die Positionen der jeweiligen kritischen Punkte sowie die dazugehörigen kritischen Exponenten werden bestimmt. Die Rückreaktion des Vertex-Modells auf die Zufallsgraphen wird in Form der Koordinationszahlverteilung, der Verteilung der "Baby-Universen" und dem daraus resultierenden String-Suszeptibilitäts-Exponenten sowie durch die geometrische Zweipunktfunktion analysiert, die eine Schätzung der intrinsischen Hausdorff-Dimension des gekoppelten Systems liefert. / In this thesis, the coupling of ice-type vertex models to the planar $\phi^4$ random graphs of the dynamical polygonifications approach to quantum gravity is considered. The investigated system has a double significance as a conformal field theory with central charge $C=1$ coupled to two-dimensional Euclidean quantum gravity and as the application of a special type of annealed connectivity disorder to a prototypic model of statistical mechanics. Since the model is analyzed by means of large-scale Monte Carlo simulations, suitable simulation techniques for the case of dynamical quadrangulations and the dual $\phi^4$ random graphs have to be developed. Different algorithms and the associated update moves are proposed and investigated with respect to their ergodicity and performance. For comparison to exact results, the co-ordination number distribution of the dynamical polygonifications model, or certain analogues of it, are constructed. For simulations of the 6-vertex $F$ model on $\phi^4$ random graphs, an order parameter for its anti-ferroelectric phase transitions is constructed in terms of a "plaquette spin" representation. Extensive finite-size scaling analyses of the Kosterlitz-Thouless point of the square-lattice and random graph $F$ models are presented and the locations of the critical points as well as the corresponding critical exponents are determined. The back-reaction of the coupled vertex model on the random graphs is investigated by an analysis of the co-ordination number distribution, the distribution of "baby universes" and the string susceptibility exponent as well as the geometric two-point function, yielding an estimate for the internal Hausdorff dimension of the coupled system.

<p>This dissertation consists of two parts. In the first part, we discuss the boundary and domain wall theories of the generalized quantum double lattice realization of the two-dimensional topological orders based on Hopf algebras. The boundary Hamiltonian and domain wall Hamiltonian are constructed by using Hopf algebra pairings and generalized quantum double. The algebraic data behind the gapped boundary and domain wall are comodule algebras and bicomodule algebras, respectively. The topological excitations in the boundary and domain wall are classified by bimodules over these algebras. Finally, via the Hopf tensor network representation of the quantum many-body states, we solve the ground state of the model in the presence of the boundary and domain wall.</p> <p><br></p> <p>In the second part, we introduce the weak Hopf algebra extension of symmetry, which arises naturally in anyonic quantum systems, and we establish weak Hopf symmetry breaking theory based on the fusion closed set of anyons. We present a thorough investigation of the quantum double model based on weak Hopf algebras, including the topological excitations and ribbon operators, and show that the vacuum sector of the model has weak Hopf symmetry. The gapped boundary and domain wall theories are also established. We show that the gapped boundary is algebraically determined by a comodule algebra, or equivalently, a module algebra, and the gapped domain wall is determined by the bicomodule algebra, or equivalently, a bimodule algebra. We also introduce the weak Hopf tensor network states, by which we solve the weak Hopf quantum double models on closed and open surfaces. Lastly, we discuss the duality of the quantum double phases.</p>