Orientador: Alberto Vazquez Saa / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática, Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-17T16:45:35Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dadam_Fabio_D.pdf: 1924347 bytes, checksum: 659b242dc84dcd65c774c8d252ca54b4 (MD5) Previous issue date: 2011 / Resumo: O objetivo do presente trabalho foi o de estudar as oscilações de alguns wormholes na tentativa de se encontrar candidatos que apresentassem soluções exatas para modos quase normais. Apresentamos uma nova classe de wormholes estáticos que generaliza os wormholes de Morris-Thorne pela inclusão de dois parâmetros adicionais a fim de distorcer a simetria esférica e alcançar equações de perturbação onde o potencial pode ser dissociado das respectivas auto-frequências. A nova métrica provou ser muito geral no sentido de que a maioria das geometrias de wormhole estudadas atualmente na literatura podem ser expressas como casos particulares dela. As equações de Teukolsky para esta métrica geral foram determinadas por meio do formalismo de Newman-Penrose e, em consequência deste processo, obtivemos um tipo de solução com freqüências de MQN exatas, a menos de uma equação transcendental. Esse tipo especial de solução foi usado para aproximar potenciais de buracos negros de uma forma semelhante às quadraturas. Estudamos também a propagação de ondas eletromagnéticas ao longo das soluções do tipo wormhole através do formalismo de Newman Penrose e, seguindo certos critérios, obtivemos certos tipos de geometrias de wormhole que são capazes de modelar barreiras de Coulomb ou Morse. Esses resultados podem indicar que wormholes poderiam ser usados no futuro como modelos para sistemas físicos, como as supercordas são usadas atualmente, e também como guia nos chamados modelos análogos de grativação. Finalmente, estudamos outros tipos de soluções do tipo "estrelas exóticas", as chamadas dobras espaciais. Esperamos que as equações, e especialmente os princípios, apresentados neste trabalho ajudem futuros pesquisadores a procurar wormholes susceptíveis a fornecer fontes para uma descrição exata das ondas gravitacionais e uma percepção mais profunda do problema das singularidades na Relatividade Geral e na Mecânica Quântica / Abstract: The aim of the present work was to study the oscillations of certain wormholes in an attempt to find candidates for exact solutions of quasinormal modes. We presented a new class of static wormholes which generalizes Morris-Thorne wormholes by adding two additional parameters in order to distort spherical symmetry and achieve perturbation equations where the potential may be decoupled from the frequency. The new metric proved to be very general in the sense that most of the current wormhole geometries studied in the literature can be expressed as particular cases of it. The Teukolsky equations for this class of wormholes were determined via Newman-Penrose formalism and, as a result of this procedure, we constructed one special solution with exact QNM frequencies except for a transcendental equation. This special type of solution is used to approximate black hole potentials in a similar manner than quadratures. We also studied the propagation of electromagnetic waves in wormhole solutions through Newman-Penrose formalism and, following a set of criteria, we obtained certain types of wormhole geometries that are capable of modeling Coulomb or Morse scatterers. These results may indicate that wormholes could be used in the future as models for physical systems just as superstrings are used today. Finally, we studied other kinds of exotic stars, the warp drives. We hope that the equations, and specially the principles, presented in this work will help future researchers to search for wormholes which could provide sources for exact description of gravitational waves and a deeper insight into the problem of singularities in both General Relativity and Quantum Mechanics / Doutorado / Matematica Aplicada / Doutor em Matemática Aplicada

Submitted by Renata Lopes (renatasil82@gmail.com) on 2017-06-26T14:38:34Z No. of bitstreams: 1 brunogoncalves.pdf: 246587 bytes, checksum: 4946078d524d06ffecd1ed00826823c8 (MD5) / Approved for entry into archive by Adriana Oliveira (adriana.oliveira@ufjf.edu.br) on 2017-08-07T20:36:49Z (GMT) No. of bitstreams: 1 brunogoncalves.pdf: 246587 bytes, checksum: 4946078d524d06ffecd1ed00826823c8 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-07T20:36:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 brunogoncalves.pdf: 246587 bytes, checksum: 4946078d524d06ffecd1ed00826823c8 (MD5) Previous issue date: 2007-02-14 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / No início desta tese apresentamos uma breve revisão dos elementos básicos da Relatividade Geral, inclusive a informação necessária sobre ondas gravitacionais fracas. Serão introduzidas as formulações dos campos de Klein-Gordon e Dirac num campo gravitacional externo. Na parte original da tese, uma partícula de Dirac será considerada numa região onde há ondas gravitacionais e também um campo magnético. Para extrair informações físicas da hamiltoniana, é necessário fazer uma transformação Foldy-Wouthuysen nela. A transformação Foldy-Wouthuysen padrão não é exata, ela representa uma expansão em séries de potências em campos externos. Nesta tese será desenvolvida uma maneira de se fazer a transformação Foldy-Wouthuysen exata com os campos acima mencionados. Além disso, o formalismo desenvolvido permite tratar várias versões da transformação Foldy-Wouthuysen exata, estudados anteriormente, como casos particulares. Estas contas servem como uma forte verificação do resultado geral para a transformação Foldy-Wouthuysen exata. O limite não relativístico mostra uma correspondência perfeita com o resultado da trasformação Foldy-Wouthuysen exata e, também, entre o resultado sem as ondas gravitacionais e a equação de Pauli, inclusive para caso (especialmente calculado) de ondas gravitacionais. Finalmente, usando a hamiltoniana elaborada pelo método Foldy-Wouthuysen, construímos as equações de movimento não relativístico para uma partícula com spin 1/2. / At the beginning of this thesis, we present a brief review of the basic elements of General Relativity, including necessary information about weak gravitational waves. The Klein-Gordon and Dirac fields will be formulated in an external gravitational field. In the original part of the work, we consider a particle described by Dirac equation in presence of a constant magnetic field, in a region where there are also gravitational waves. In order to extract some physical information from the Hamiltonian, it is necessary to make a Foldy-Wouthuysen transformation on it. The standard Foldy-Wouthuysen transformation is not exact, it represents an expansion in power series in external fields. In the present thesis, we introduce a method for performing an exact transformation Foldy-Wouthuysen for the given case. The formalism is general in a sense it enables one to treat many versions of exact Foldy-Wouthuysen transformation, studied before, as particular cases. The corresponding calculations may be used as a strong verification of the general result of exact Foldy-Wouthuysen transformation. The non relativistic limit shows perfect correspondence between the result of the exact Foldy-Wouthuysen transformation and Pauli equation, including the (specially derived) case with gravitational waves. Finally, using the Hamiltonian derived within the Foldy-Wouthuysen method, we write the non relativistic equations of motion for a particle with spin 1/2.

Neste trabalho nós propomos uma estratégia Euclidiana para entender o efeito Unruh. Com este objetivo, nós inicialmente o estudamos para campos livres escalares sem massa, numa forma que é normalmente apresentada aos físicos e que é mais próxima ao trabalho original de Unruh I321| . Logo em seguida, deduzimos o efeito de um ponto de vista algébrico. Com este objetivo, estudamos as propriedades e as definições de estados KMS para compreender como um estado de equilíbrio é descrito na abordagem algébrica. Apresentamos os axiomas de Wightman para campos escalares assim como os de Osterwalder-Schrader. Usamos, então, o Teorema de Bisognano-Wichmann para estes campos e concluímos, baseados no trabalho de Sewell [27], que um observador uniformemente acelerado vê o estado de vácuo dos observadores inerciais como um estado KMS, e portanto, como um estado de equilíbrio. Novamente, concluímos a existência do efeito Unruh. Finalmente estudamos algumas relações entre probabilidade e análise funcional. Este estudo é fundamental para o entendimento do trabalho de Klein e Landau [15] e de Gérard e Jakel [7]. Estes trabalhos afirmam que existe uma relação biunívoca entre certos estados KMS e certos processos estocásticos (Klein e Landau) e uma relação entre certos processos estocásticos e espaços de trajetórias generalizados (Gérard e Jakel). Usando estes trabalhos e as funções de Schwinger para campos escalares, deduzimos o efeito Unruh de uma nova maneira. Acreditamos que este trabalho mostra um ponto de vista interessante do efeito Unruh e ilustra o uso do formalismo Euclidiano em teorias quânticas dos campos. Mesmo que algumas demonstrações para uma prova completa do efeito, usando técnicas Euclidianas, não são obtidas, devido às dificuldades técnicas encontradas, acreditamos que o material apresentado neste trabalho fornece, no mínimo, uma boa estratégia para a compreensão completa deste fenômeno físico. Além disto, as técnicas que são mostradas podem ser usadas em diversos problemas, como a construção de campos interagentes a uma temperatura finita, que permanecem atuais e promissores. / This paper proposes a Euclidean strategy to understand the Unruh effect. On that ground we first study it for free massless scalar fields the way it is usually presented to pliysicists, which is closer to Unruh\'s original work [32]. Then we infer the effect from an algebraic perspective. We study the proprieties and definitions of KklS states in order to understand the description of an equilibrium state in the algebraic approach. We present the Wightman\'s as well as Osterwalder-Schrader\'s axioms for scalar fields. Then we use the Bisognano-Wichmann theorem for these fields and conclude, based on Sewell work 1271, that a uniformly accelerated observer will observe tlie vacuum state of inertial observers as a KMS state and thus as an equilibrium state. Once again we infer the existence of the Cnruh effect. Finally we study some relations between probability and functional analysis. This study is crucial for understanding the work of Klein and Landau 1151 as well as of Gérard and Jakel (71. They state there is a biunivocal relation between certain KMS states and certain stochastic processes (Klein and Landau) and a relation between certain stochastic processes and generalized path spaces (Gérard and Jakel). Lsing these works and Schwinger functions for scalar fields, we deduce tlie Unruh effect in a new way. LVe believe this work shows an interesting aspect of the Unruh effect and represents the use of Euclidean formalism in quantum field theory. Although some demonstrations for a complete proof of the Unruh effect using Euclidean techniques were not obtained due to technical difficulties we faced, we believe the material presented in this paper provides at least a good strategy for the complete understanding of this physical phenomenon. Furthermore the techniques shown, which remain current and promising, can be used in different problems, sudy as the construction of interacting fields at a finite temperature.

O trabalho propõe a aproximação da educação e da ciência com relação às artes, valorizando assim, nessas áreas, a sensibilidade e a sensorialidade, a criatividade, a dimensão de ruptura com o senso comum, a referência à beleza, à ludicidade e ao prazer. Uma investigação mais teórica dialoga constantemente com e é permeada pelo relato de uma experiência pedagógica desenvolvida no curso de licenciatura em Física do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo - IFSP. Nesta experiência, desenvolvemos um aprofundamento da escuta e do diálogo, verbal e não-verbal, por meio da dinâmica de jogos teatrais, procurando, através desses jogos, tornar mais presente uma dimensão corporal e expressiva em associação com a reflexão sobre o conhecimento físico e sobre a atuação docente. Procuro tecer analogias entre as concepções de espaço e tempo físicos - com ênfase na noção de relatividade - e concepções que podem ser associadas a expressões artísticas e a trabalhos filosóficos e especulativos. A exploração do desenvolvimento histórico dessas concepções, buscando destacar a relação com distintas visões de mundo, pretende alimentar proposições de jogos e atividades pedagógicas que permitam abordar esses temas privilegiando a contextualização cultural e as repercussões no imaginário. / This work proposes a connection between education and science in relation to arts, valuing sensibility and sensory feeling, creativity, the context of bursting the common sense, and the reference to beauty, playfulness and pleasure. A more theoretical investigation constantly interacts with and is permeated by reports of a pedagogical experience developed in the degree course of Physics of the Federal Institute of Education, Science and Technology of São Paulo (Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de São Paulo) - IFSP. In such experience, we have strengthened the hearing and the verbal and non-verbal dialog by means of theater games, aiming at achieving through such games a corporeal and expressive approach in association with the thinking of the physical awareness and the teachers\' action. I intend to draw analogies between the concepts of space and time in physics - emphasizing on the notion of relativity - and concepts that might be associated to artistic expressions and philosophical and speculative works. Seeking to call the attention to the relation with different world-views, the exploration of the historic progress of those concepts envisions to stimulate proposals of games and pedagogic activities that enable the approach to such topics by focusing on cultural context and repercussions on the imaginary.

O objetivo principal deste trabalho é estudar a interação dos buracos negros primordiais com as principais espécies físicas exóticas de matéria e energia que foram teorizadas para explicar as observações cosmológicas da última década. A interação com diferentes formas de energia escura a partir de campos escalares, como a energia phantom, e modelos de quartessência, como o gás de Chaplygin, associada a modelos já existentes de interação com espécies físicas mais bem conhecidas, fornece resultados importantes e sugere comportamentos inesperados na trajetória dos buracos negros primordiais desde a sua formação até os dias de hoje. Nossa análise abrange os aspectos dinâmicos e termodinâmicos da acreção e evaporação de buracos negros, explorando os limites de validade da teoria e estudando o comportamento sob as condições extremas que resultam desses novos modelos de matéria e energia. Finalmente, o estudo prossegue na direção de um modelo de evolução a partir diretamente das equações de campo, em um espaço-tempo totalmente dinâmico em que buscamos paralelos com as descrições provenientes das hipóteses simplificadoras sobre que nos baseamos durante os estágios anteriores. Os resultados permitem fazermos uma descrição unificada da evolução dos buracos negros, em que as relações entre todas as componentes são transparentes e suas contribuições individuais são facilmente identificadas. Associando-os à descrição termodinâmica, é possível traçar um quadro completo e abrangente do problema, capaz de acomodar novos modelos e prover uma compreensão profunda da interação dos buracos negros com o meio cosmológico. / We study the interaction between primordial black holes and the exotic dark matter and dark energy components which have been modeled to explain cosmological observations within the last decade. The interaction with different forms of scalar field dark energy, such as phantom energy, and quartessence models as the Chaplygin gas, together with the well-known interaction with the ordinary forms of matter and energy, provides important results and suggests unexpected behaviors on primordial black holes since their formation until the present time. Our analysis encompasses dynamical and thermodynamical aspects of black hole accretion and evaporation exploring the theory validity ranges and studying its behavior under the extreme conditions which arise from these new dark fluid models. Finally, our study progresses towards an evolution model based solely on the field equations, within a fully dynamical space-time in which we seek parallel descriptions with previous models, which use simplifying hypotheses. Our results provide a unified description of black hole evolution, in which the role of all components and their relation to each other are clear and easily identifiable. Along with the thermodynamical description, it is possible to make a comprehensive picture of the problem, capable of accommodating new models and furnish a deep understanding of black hole interaction with the cosmological environment.

Nesta tese, nós estabelecemos algumas correspondências entre a dinâmica de campos escalares clássicos em certos espaço-tempos de fundo e duais algébricos apropriados. Os cenários estudados incluem soluções tipo buraco negro com constante cosmológica não nula e os espaçostempos conhecidos como geometrias quase-extremas. Com base em várias propostas na literatura, associamos certos elementos próprios da dinâmica escalar a uma representação apropriada de uma álgebra relacionada com a invariância das equações de movimento escalar sob transformações conformes. Em particular, nós associamos representações de peso maior de dimensão infinita da álgebra sl(2,R) com modos e frequências quase-normais de campo escalar em geometrias quase-extremas e geometrias assintóticamente Anti de Sitter. / In this thesis, we establish some correspondences between dynamics of classical scalar fields in certain background spacetimes and appropriate algebraic duals. The scenarios studied include black hole solutions with non-zero cosmological constant and the spacetimes known as near extremal geometries. Based on several proposals in the literature, we associate certain elements proper to scalar perturbative dynamics to an appropriated representation of an algebra related with the invariance of the scalar equations of motion under conformal transformations. In particular, we associate infinite dimensional highest weight representations of the algebra sl(2,R) to quasinormal modes and frequencies of scalar fields in near extremal geometries and asymptotically Anti de Sitter geometries.

Este trabalho visa o estudo das perturbações de sistemas gravitacionais altamente compactos, como buracos negros e estrelas de nêutrons e de quarks. As perturbações em questão podem ser de diversas naturezas (escalar, eletromagnética ou gravitacional), sendo que detivemo-nos mais atentamente naquelas de natureza gravitacional, pois estas têm despertado mais interesse por serem astronomicamente mais fáceis de detectar. Além de estudarmos tais perturbações, procedemos a uma comparação dos resultados para buracos negros, estrelas de nêutrons e de quarks. Tal comparação justifica-se pelo fato de que a confrontação de previsões teóricas com resultados experimentais pode ajudar-nos a identificar objetos astronômicos de interesse, distingüi-los e, no caso de estrelas, aprender algo sobre sua estrutura interna, particularmente sobre a equação de estado (EDE) do fluido estelar. No que se segue, dividimos o trabalho em sete partes. Em primeiro lugar, damos uma introdução bastante sucinta ao mesmo (Capítulo 1). Depois, falamos sobre a física de estrelas de nêutrons e de quarks (Capítulo 2). A seguir, fazemos um estudo comparativo dos dois tipos de estrelas (Capítulo 3). Mais adiante, discutimos as perturbações de diversos tipos, além de definir os MQNs (Modos Quasi-Normais) de buracos negros de Schwarzschild (Capítulo 4). Prosseguimos a discussão com a métrica de Reissner-Nordström-de Sitter (Capítulo 5) e introduzimos, na seqüência, os MQNs estelares, de forma muito breve (Capítulo 6). Por fim, apresentamos nossas conclusões (Capítulo 7). A parte inédita deste trabalho está concentrada nos capítulos 5 e 6, os quatro anteriores servindo de preparativo e de base comparativa para estes dois. / This work aims the detailed study of the perturbations of highly compact gravitational systems, such as black holes and both neutron and quark stars. Such perturbations may have several different characters, such as scalar and electromagnetic fields as well as gravitational (either axial or polar) disturbances. We have focused more closely on the latter kind of perturbation, since they offer better possibilities of detection in the near future, in the form of gravitational waves. Besides studying the aforementioned perturbations, we have proceeded to a comparison between black holes and neutron and quark stars , when it comes to the outcomes of the perturbations, usually called QNMs (quasi-normal modes). Such a comparison is actually in order, since a direct comparison of theoretical and observational data may help us identify astronomical objects and, in the case of compact stars, may provide valuable insights into these stars' inner structure, particularly when it comes to their equation of state (EOS). In what follows, we have subdivided this work in seven parts. We begin with a brief introduction (Chapter 1), then proceed to a description of the physics of both neutron and quark stars (Chapter 2) and, in the sequence, to a comparative study of both kinds of star (Chapter 3). Subsequently, we develop the perturbation theory of the Schwarzschild black holes, discussing their QNMs (Chapter 4) and doing the same, later, for a more general Reissner-Nordström-de Sitter geometry (chapter 5). After that, we provide a very brief introduction to the stellar MQNs (Chapter 6). Finally, we present our conclusions (Chapter 7). The chapters 5 and 6 carry the inedit part of this work, and the chapters from 1 to 4 pave the way and provide a comparative basis for them.

Orientador: Sandro Silva e Costa. / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós Graduação em Física, 2010.

Orientador: Prof. Dr. Roldão da Rocha Júnior / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC, Programa de Pós-Graduação em Física, 2014.

Neste trabalho nós propomos uma estratégia Euclidiana para entender o efeito Unruh. Com este objetivo, nós inicialmente o estudamos para campos livres escalares sem massa, numa forma que é normalmente apresentada aos físicos e que é mais próxima ao trabalho original de Unruh I321| . Logo em seguida, deduzimos o efeito de um ponto de vista algébrico. Com este objetivo, estudamos as propriedades e as definições de estados KMS para compreender como um estado de equilíbrio é descrito na abordagem algébrica. Apresentamos os axiomas de Wightman para campos escalares assim como os de Osterwalder-Schrader. Usamos, então, o Teorema de Bisognano-Wichmann para estes campos e concluímos, baseados no trabalho de Sewell [27], que um observador uniformemente acelerado vê o estado de vácuo dos observadores inerciais como um estado KMS, e portanto, como um estado de equilíbrio. Novamente, concluímos a existência do efeito Unruh. Finalmente estudamos algumas relações entre probabilidade e análise funcional. Este estudo é fundamental para o entendimento do trabalho de Klein e Landau [15] e de Gérard e Jakel [7]. Estes trabalhos afirmam que existe uma relação biunívoca entre certos estados KMS e certos processos estocásticos (Klein e Landau) e uma relação entre certos processos estocásticos e espaços de trajetórias generalizados (Gérard e Jakel). Usando estes trabalhos e as funções de Schwinger para campos escalares, deduzimos o efeito Unruh de uma nova maneira. Acreditamos que este trabalho mostra um ponto de vista interessante do efeito Unruh e ilustra o uso do formalismo Euclidiano em teorias quânticas dos campos. Mesmo que algumas demonstrações para uma prova completa do efeito, usando técnicas Euclidianas, não são obtidas, devido às dificuldades técnicas encontradas, acreditamos que o material apresentado neste trabalho fornece, no mínimo, uma boa estratégia para a compreensão completa deste fenômeno físico. Além disto, as técnicas que são mostradas podem ser usadas em diversos problemas, como a construção de campos interagentes a uma temperatura finita, que permanecem atuais e promissores. / This paper proposes a Euclidean strategy to understand the Unruh effect. On that ground we first study it for free massless scalar fields the way it is usually presented to pliysicists, which is closer to Unruh\'s original work [32]. Then we infer the effect from an algebraic perspective. We study the proprieties and definitions of KklS states in order to understand the description of an equilibrium state in the algebraic approach. We present the Wightman\'s as well as Osterwalder-Schrader\'s axioms for scalar fields. Then we use the Bisognano-Wichmann theorem for these fields and conclude, based on Sewell work 1271, that a uniformly accelerated observer will observe tlie vacuum state of inertial observers as a KMS state and thus as an equilibrium state. Once again we infer the existence of the Cnruh effect. Finally we study some relations between probability and functional analysis. This study is crucial for understanding the work of Klein and Landau 1151 as well as of Gérard and Jakel (71. They state there is a biunivocal relation between certain KMS states and certain stochastic processes (Klein and Landau) and a relation between certain stochastic processes and generalized path spaces (Gérard and Jakel). Lsing these works and Schwinger functions for scalar fields, we deduce tlie Unruh effect in a new way. LVe believe this work shows an interesting aspect of the Unruh effect and represents the use of Euclidean formalism in quantum field theory. Although some demonstrations for a complete proof of the Unruh effect using Euclidean techniques were not obtained due to technical difficulties we faced, we believe the material presented in this paper provides at least a good strategy for the complete understanding of this physical phenomenon. Furthermore the techniques shown, which remain current and promising, can be used in different problems, sudy as the construction of interacting fields at a finite temperature.