The quantum substructure of gravity

In dieser Arbeit identifizieren und untersuchen wir verschiedene universelle Quantenphanomene, die insbesondere, aber bei Weitem nicht ausschlieslich, relevant fur Gravitation sind. Im ersten Teil beschaftigen wir uns mit der Frage, wie lange ein generisches Quantensystem als klassisch angenahert werden kann. Wir benutzen ein Skalarfeld mit Selbstwechselwirkung als prototypisches Model, um mogliche Skalierungen der Quantenbruchzeit zu diskutieren, nach der die klassische Beschreibungzusammenbricht. Anschliesend wenden wir diese Analyse auf das hypothetische QCD-Axion an. Unser Ergebnis ist, dass die Naherung als klassisch oszillierendes Skalarfeld extrem genau ist. Als Nachstes untersuchen wir de Sitter. Dabei ist unser Ansatz, die klassische Metrik als Multigraviton-Zustand, der auf Minkowski-Vakuum definiert ist, auszulosen. Auf der einen Seite schafft es dieses zusammengesetzte Bild von de Sitter, alle bekannten (semi-)klassischen Eigenschaften zu reproduzieren. Auf der anderen Seite fuhrt es zu einem Zusammenbruch der Beschreibung durch eine klassische Metrik nach der Zeitskala 1/(G H^3), wobei G die Gravitationskostante ist und H der Hubble-Parameter. Dieses Resultat zieht wichtige Einschrankungen fur inflationare Szenarien nach sich. Aufgrund von Anzeichen, dass Quantenbrechen im Spezialfall von de Sitter zu einer Inkonsistenz fuhrt, formulieren wir auserdem die Quantenbruchschranke. Sie besagt, dass jede konsistente Theorie einen quasi-de Sitter-Zustand verlassen muss, bevor Quantenbruch eintreten kann. Folgen dieses Kriteriums sind, dass Selbstreproduktion in Inflation unmoglich ist sowie dass die heute beobachtete dunkle Energie nicht konstant sein kann, sondern sich langsam mit der Zeit verandern muss. Zudem hat die Quantenbruchschranke weitreichende Folgen hinsichtlich Physik jenseits des Standard Modells, da sie jede Erweiterung mit einer spontan gebrochenen diskreten Symmetrie ausschliest sowie die Axion-Losung zum starken CP-Problem unausweichlich macht. Im zweiten Teil untersuchen wir, wie ein Quantensystem effizient Information speichern kann. Wir zeigen auf, dass generische bosonische Systeme mit schwacher und attraktiver Wechselwirkung Zustande besitzen, die wegen emergenter nahezu masseloser Freiheitsgrade eine starke erhohte Speicherfahigkeit aufweisen. Dies ist von groser Bedeutung sowohl fur das Speichern von Quanteninformation unter Laborbedingungen als auch fur die Simulation anderer Systeme mit erhohter Speicherfahigkeit, wie z.B. Schwarzer Locher, de Sitter und neuronaler Netze. Wir untersuchen eine vereinfachte Version eines attraktiven Bosegases mit Dirichlet-Randbedingungen in einer Dimension als prototypisches Beispiel. Schlieslich gehen wir naher auf des Phanomen der Speicherburde ein, dessen Kern ist, dass gespeicherte Information generischer Weise eine Ruckreaktion auf das System ausubt und es auf diese Weise an seinen Anfangszustand bindet. Fur Schwarze Locher und de Sitter entspricht dies der Beschreibung von Quantenbruch aus der Perspektive von Quanteninformation. Die herausragende Bedeutung nahezu masseloser Freiheitsgrade fuhrt uns zum dritten Teil, der sich mit Infrarotphysik beschaftigt. Bisher existieren zwei Methoden, um mit Infrarotdivergenzen umzugehen, die in Theorien mit masselosen Teilchen wie QED und Gravitation auftreten: die Inklusion weicher Emission und das Verkleiden asymptotischer Zustande. Unser erstes Ziel ist es, einen kombinierten Formalismus zu entwickeln, der diese beiden Ansatze vereinheitlicht. Seine entscheidende Starke ist, dass er im Gegensatz zu seinen Vorgangern zu einer sinnvollen Dichtematrix des Endzustands fuhrt, d.h. er ist in der Lage, die kleine aber nichtverschwindende Menge an Dekoharenz zu beschreiben, die sich durch die Spur uber unbeobachtete weiche Strahlung ergibt. Hinsichtlich Schwarzer Locher zeigen wir auf, dass infrarote Strahlung nicht die fuhrende Ordnung der Entropie erfassen kann, sondern nur einen logarithmischen Bruchteil. Wegen der Verbindung des Theorems uber weiche Gravitonen mit der BMS-Gruppe asymptotischer Symmetrien untersuchen wir auserdem das Verhaltnis von Supertranslationen und der Information eines Schwarzen Loches. Unser Ergebnis ist, dass die erstgenannten naturlicher Weise zur Buchhaltung genutzt werden konnen, aber dass sie nicht pradiktiv oder einschrankend wirken.