In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit zwei Ansätzen zur Quantengravitation (QG), die einander konträr gegenüberstehen: - Erstens mit der Loop Quantum Gravity (LQG), einem eher konservativen Ansatz zur QG, dessen Startpunkt eine Hamiltonsche Formulierung der klassischen Allgemeinen Relativitätstheorie (ART) ist, - zweitens mit der sogenannten Topos-Theorie, angewandt auf die Allgemeine Relativitätstheorie, die die mathematischen Konzepte der Quantentheorie (und möglicherweise auch der ART) radikal umformuliert, was eine immense Redefinition von Konzepten wie Raum, Zeit und Raumzeit zur Folge hätte. Der Grund für die Wahl zweier so verschiedener Ansätzen als Gegenstand dieser Arbeit liegt in der Hoffnung begründet, dass sich diese beiden Ansätze auf einen gemeinsamen Ursprung zurückführen lassen können und somit gegenseitig ergänzen können. Im ersten Teil dieser Arbeit führen wir den allgemeinen Formalismus der LQG ein und gehen dabei insbesondere auf den semiklassischen Sektor der Theorie ein; insbesondere untersuchen wir die semiklassischen Eigenschaften des Volumenoperators. Dieser Operator spielt in der Quantendynamik der LQG eine tragende Rolle, da alle bekannten dynamischen Operatoren auf den Volumenoperator zurückgeführt werden können. Aus diesem Grund ist es auerordentlich wichtig zu überprüfen, dass der klassische Limes des Volumenoperators wirklich mit dem klassischen Volumen übereinstimmt. Anschließend beschäftigen wir uns mit sogenannten Spin Foam Modellen (SFM), welche als ein kovarianter oder Pfadintegralzugang zur kanonischen LQG angesehen werden können. Diese Spin Foam Modelle beruhen auf einer Langrange-Formulierung der LQG mittels einer kovarianten sum-over-histories Beschreibung. Die Entwicklung eines Lagrange-Zuganges zur LQG wurde motiviert durch die Tatsache, dass es in der kanonischen Formulierung der LQG überaus schwierig ist, Übergangsamplituden auszurechnen. Allerdings weichen die Spin Foam Modelle, die wir in dieser Arbeit behandeln in einem entscheidenden Punkt von den bisher in der Literatur diskutierten ab, da wir die Holst-Wirkung Holst [1996] und nicht die Palatini-Wirkung als Ausgangspunkt nehmen. Dies ermöglicht es uns, explizit gewisse Zwangsbedingungen zu lösen, was in den gegenwärtig diskutierten SFM problematisch scheint. Im zweiten Teil dieser Arbeit führen wir in die Topos-Theorie ein und rekapitulieren, wie diese Theorie benutzt werden kann, um die Quantentheorie derart umzuformulieren, dass eine konsistente Quanten-Logik definiert werden kann. Darüber hinaus definieren wir auch eine Topos-Beschreibung der Quantentheorie in der sum-over-histories Formulierung. Unser Ansatz entscheidet sich vom gegenwärtigen consistent-histories Ansatz vor allem dadurch, dass das Konzept der konsistenten Menge (eine Menge von Historien, die nicht mit sich selbst interferieren) keine zentrale Rolle spielt, während es in letzterem grundlegend ist. Diese Tatsache bietet einen interessanten Ausgangspunkt, da eine der Hauptschwierigkeiten im consistent-histories Ansatz darin besteht, die richtige konsistente Menge der Propositionen von Historien zu finden: Im allgemeinen gibt es viele solcher Mengen, und die meisten davon sind nicht miteinander kompatibel. Wir zeigen, dass in unserer Topos-Beschreibung der sum-over-histories Quantentheorie jeder Proposition von Historien Wahrheitswerte zugeteilt werden können; daher ist das Konzept einer konsistenten Menge von Propositionen redundant. Dies bedeutet, dass es im Rahmen einer Quantengravitationstheorie möglich sein könnte, jeder Proposition von vierdimensionalen Metriken (welche als allgemein relativistisches Analogon einer Historie angesehen werden können) einen Wahrheitswert zuzuweisen. / One of the main challenges in theoretical physics over the last five decades has been to reconcile quantum mechanics with general relativity into a theory of quantum gravity. However, such a theory has been proved to be hard to attain due to i) conceptual difficulties present in both the component theories (General Relativity (GR) and Quantum Theory); ii) lack of experimental evidence, since the regimes at which quantum gravity is expected to be applicable are far beyond the range of conceivable experiments. Despite these difficulties, various approaches for a theory of Quantum Gravity have been developed. In this thesis we focus on two such approaches: Loop Quantum Gravity and the Topos theoretic approach. The choice fell on these approaches because, although they both reject the Copenhagen interpretation of quantum theory, their underpinning philosophical approach to formulating a quantum theory of gravity are radically different. In particular LQG is a rather conservative scheme, inheriting all the formalism of both GR and Quantum Theory, as it tries to bring to its logical extreme consequences the possibility of combining the two. On the other hand, the Topos approach involves the idea that a radical change of perspective is needed in order to solve the problem of quantum gravity, especially in regard to the fundamental concepts of `space'' and `time''. Given the partial successes of both approaches, the hope is that it might be possible to find a common ground in which each approach can enrich the other.

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Ce travail porte sur l'étude des principaux processus physico-chimiques dirigeant la redistribution des polluants photochimiques et la capacité oxydante de l'atmosphère, grâce à une approche par la modélisation méso-échelle à l'aide du modèle RAMS-Chimie. Ces études ont été réalisées dans le cadre de l'exercice ESCOMPTE d'intercomparaison de modèles de transport chimie. Cette campagne s'est déroulé dans le sud-est de la france, à proximité de la zone urbanisée de Marseille et du site industriel de Fos-Berre. Grâce au développement et au couplage d'un interprét- eur de mécanismes chimiques, d'un module de dépôt sec, et d'un code de calcul "online" des taux de photolyse, nous avons pu étudier l'impact de ces différents processus dans la répartition des polluants et de la capacité oxydante de l'atmosphère. Nous montrons que le calcul "online" des taux de photolyse est nécessaire pour ne pas modifier la représentation des radicaux et qu'un mécanisme chimique simplifié est suffisant dans le cadre d'études de processus, mais pas pour des études de qualité de l'air ou de capacité oxydante

L'objet de cette thèse est l'étude du modèle plat, l'ingrédient principal du programme de quantification de la gravité par les mousses de spins, avec un accent particulier sur ses divergences. Outre une introduction personnelle au problème de la gravité quantique, le manuscrit se compose de deux parties. Dans la première, nous obtenons une formule exacte pour le comptage de puissances des divergences de bulles dans le modèle plat, notamment grâce à des outils de théorie de jauge discrète et de cohomologie tordue. Dans la seconde partie, nous considérons le problème de la limite continue des mousses de spins, tant du point de vue des théorie de jauge sur réseau que du point de vue de la "group field theory". Nous avançons en particulier une nouvelle preuve de la sommabilité de Borel du modèle de Boulatov-Freidel-Louapre, permettant un contrôle accru du comportement d'échelle dans la limite de grands spins. Nous concluons par une discussion prospective du programme de renormalisation pour les mousses de spins.

<p>Einstein's theory of general relativity is a cornerstone in the process of gaining increased understanding about problems of gravitational nature. It can be applied to problems on the huge length scales of cosmology and as far as we know it does not break down before the Planck scale is approached. Irrespective of scale, a perturbative approach is often a very useful way to reduce the Einstein system to manageable complexity and size.</p><p>The projects included in this thesis can be divided into three subcategories. In the first category the keyword is photon-photon scattering. General relativity predicts that scattering can take place on a flat background due to the curvature of space-time caused by the photons themselves. The coupling equations and cross-section are found and a comparison with the corresponding quantum field theoretical results is done to leading order. Moreover, photon-photon scattering due to exchange of virtual electron-positron pairs is considered as an effective field theory in terms of the Heisenberg-Euler Lagrangian resulting in a possible setup for experimental detection of this phenomenon using microwave cavities. The second category of projects is related to cosmology. Here linear perturbations around a flat FRW universe with a cosmological constant are considered and the corresponding temperature variations of the cosmic microwave background radiation are found. Furthermore, cosmological models of Bianchi type V are investigated using a method based on the invariant scheme for classification of metrics by Karlhede. The final category is slowly rotating stars. Here the problem of matching a perfect fluid interior of Petrov type D to an exterior axisymmetric vacuum solution is treated perturbatively up to second order in the rotational parameter.</p>

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.

Einstein's theory of general relativity is a cornerstone in the process of gaining increased understanding about problems of gravitational nature. It can be applied to problems on the huge length scales of cosmology and as far as we know it does not break down before the Planck scale is approached. Irrespective of scale, a perturbative approach is often a very useful way to reduce the Einstein system to manageable complexity and size. The projects included in this thesis can be divided into three subcategories. In the first category the keyword is photon-photon scattering. General relativity predicts that scattering can take place on a flat background due to the curvature of space-time caused by the photons themselves. The coupling equations and cross-section are found and a comparison with the corresponding quantum field theoretical results is done to leading order. Moreover, photon-photon scattering due to exchange of virtual electron-positron pairs is considered as an effective field theory in terms of the Heisenberg-Euler Lagrangian resulting in a possible setup for experimental detection of this phenomenon using microwave cavities. The second category of projects is related to cosmology. Here linear perturbations around a flat FRW universe with a cosmological constant are considered and the corresponding temperature variations of the cosmic microwave background radiation are found. Furthermore, cosmological models of Bianchi type V are investigated using a method based on the invariant scheme for classification of metrics by Karlhede. The final category is slowly rotating stars. Here the problem of matching a perfect fluid interior of Petrov type D to an exterior axisymmetric vacuum solution is treated perturbatively up to second order in the rotational parameter.

In this thesis we address several analytical and numerical problems related with the general relativistic study of black hole space-times and boson stars. We have developed a new centered finite volume method based on the flux splitting approach. The techniques for dealing with the singularity, steep gradients and apparent horizon location, are studied in the context of a single Schwarzschild black hole, in both spherically symmetric and full 3D simulations. We present an extended study of gauge instabilities related with a class of singularity avoiding slicing conditions and show that, contrary to previous claims, these instabilities are not generic for evolved gauge conditions. We developed an alternative to the current space coordinate conditions, based on a generalized Almost Killing Equation. We performed a general relativistic study regarding the long term stability of Mixed-State Boson Stars configurations and showed that they are suitable candidates for dark matter models. / En esta tesis abordamos varios problemas analíticos y numéricos relacionados con el estudio de agujeros negros relativistas y modelos de materia oscura. Hemos desarrollado un nuevo método de volúmenes finitos centrados basado en el enfoque de la división de flujo. Discutimos las técnicas para tratar con la singularidad, los gradientes abruptos y la localización del horizonte aparente en el contexto de un solo agujero negro de Schwarzschild, en simulaciones tanto con simetría esférica como completamente tridimensionales. Hemos extendido el estudio de una familia de condiciones de foliaciones evitadoras de singularidad y mostrado que ciertas inestabilidades no son genéricas para condiciones de gauge dinámicas. Desarrollamos una alternativa a las prescripciones actuales basada en una Almost Killing Equation generalizada. Hemos realizado también un estudio con respecto a la estabilidad a largo plazo de configuraciones de Mixed-State Boson Stars, el cual sugiere que estas podrían ser candidatas apropiadas para modelos de materia oscura.

Observations from the 1930s until the present have established the existence of dark matter with an abundance that is much larger than that of luminous matter. Because none of the known particles of nature have the correct properties to be identified as the dark matter, various exotic candidates have been proposed. The neutralino of supersymmetric theories is the most promising example. Such cold dark matter candidates, however, lead to a conflict between the standard simulations of the evolution of cosmic structure and observations. Simulations predict excessive structure formation on small scales, including density cusps at the centers of galaxies, that is not observed. This conflict still persists in early 2007, and it has not yet been convincingly resolved by attempted explanations that invoke astrophysical phenomena, which would destroy or broaden all small scale structure. We have investigated another candidate that is perhaps more exotic: Lorentz-violating dark matter, which was originally motivated by an unconventional fundamental theory, but which in this dissertation is defined as matter which has a nonzero minimum velocity. Furthermore, the present investigation evolved into the broader goal of exploring the properties of Lorentz-violating matter and the astrophysical consequences – a subject which to our knowledge has not been previously studied. Our preliminary investigations indicated that this form of matter might have less tendency to form small-scale structure. These preliminary calculations certainly established that Lorentz-violating matter which always moves at an appreciable fraction of the speed of light will bind less strongly. However, the much more thorough set of studies reported here lead to the conclusion that, although the binding energy is reduced, the small-scale structure problem is not solved by Lorentz-violating dark matter. On the other hand, when we compare the predictions of Lorentz-violating dynamics with those of classical special relativity and general relativity, we find that differences might be observable in the orbital motions of galaxies in a cluster. For example, galaxies – which are composed almost entirely of dark matter – observed to have enlarged orbits about the cluster center of mass may be an indication of Lorentz violation.

The present dissertation reports the results of a multi-disciplinary experimental study, which combines psycholinguistic and cognitive methodologies in order to achieve two broad objectives. The first objective is providing a comparative psycholinguistic analysis of the expression of motion events in three languages, namely Turkish, English and French, taking Talmy&lsquo / s verb-framed language vs. satellite-framed language typology (Talmy, 1985) as the framework. The second one is investigating the relationship between linguistic representation and conceptual representation by taking motion events as the testing ground. In order to pursue these two lines of inquiry, five complementary tasks are conducted on three groups of adult subjects. The results of the first two tasks, the language production task and the language comprehension task, verify the Talmyan typology experimentally by showing sharp differences between the data obtained from native speakers of typologically different languages (English vs. Turkish and French), as well as remarkable similarities between the data obtained from native speakers of typologically similar languages (Turkish and French). On the other hand, the remaining three non-verbal tasks, the categorization task and the two eye-tracking tasks, present valuable insights into the nature of conceptual event representation by revealing a uniform pattern across languages. This latter result is inconsistent with the renowned linguistic relativity hypothesis (Whorf, 1956) / however in line with the universalist view (Jackendoff, 1990, 1996), which suggests that conceptual event representation is language-free and independent of the linguistic encoding preferences of different languages.