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Quantum vs. classical gravity in bose-einstein condensate thermodynamics
Thomas Strasser
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Caslav Brukner
DOI
10.25365/thesis.73381
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-27736.81242.130218-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Natur der Gravitation war bereits vor Isaac Newton Gegenstand intensiver Forschung. Aber bis heute können weder unsere Einsichten aus der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR), noch jene aus der Quantenmechanik (QM) die Frage beantworten, ob Gravitation ein Quantenoperator oder eine fundamental klassische Wechselwirkung ist. Trotz bester Bemühungen auf theoretischer Seite ist das, was uns am meisten fehlt, Anleitung durch Experimente und Beobachtungen. Das Hauptproblem liegt in der Schwäche der gravitativen Wechselwirkung, die es beinahe unmöglich macht, Experimente im Labor durchzuführen. Hier leiten wir eine Hartreee-Fock-Bogolyubov-Theorie (HFB) für ein selbst-gravitierendes Bose-Einstein Kondensat bei endlichen Temperaturen her, und geben Schätzungen für Labor-basierte Experimente ab, mithilfe derer die spezifische Wärmekapazität gemessen werden kann, um festzustellen ob es Anzeichen einer Quanten-oder klassischen Gravitation gibt. Wir erweitern HFB-Theorie für eine quantisierte, sowie klassische, langreichweitige, Gravitations-artige Wechselwirkung, indem wir eine selbst-konsistente Gauss’sche Faktorisierung für die kondensierten und thermalisierten Teilchen vornehmen. Wir kombinieren diese langreichweitige Wechselwirkung mit den bekannten Resultaten für eine repulsive Streuwechselwirkung in der Born-Näherung und finden eine volle Beschreibung eines "dünnen" (im Sinne der physikalischen Definition von "dilute") Bose-Gases bei Temperaturen ungleich Null, und deren thermodynamischen Observablen. Zuletzt schätzen wir die Entwicklung der spezifischen Wärmekapazität 𝑐𝑉 und die Größe, sowie Machbarkeit, solcher Experimente ab. Unsere Erkenntnisse zeigen, dass die Thermodynamik eines BEC eine charakteristisch unterschiedliche Signatur aufweist, abhängig davon, ob Gravitation ein Quanten- oder klassischer Operator ist, und dass solche Experimente in naher Zukunft in Reichweite sind, was ihre Umsetzbarkeit im Labor betrifft.
Abstract
(Englisch)
The nature of gravity has been the subject of intense research since even before Isaac Newton. But to this day, neither the insights provided by General Relativity (GR), nor by Quantum Mechanics (QM) seem to be able to answer the question whether it is a quantum operator or a fundamentally classical interaction. Despite best efforts on the theoretical level, what we lack the most is guidance and measure-ments by experiment. The main problem lies in the weakness of the gravitational force, making desktop experiments almost impossible to realize. Here we derive a Hartree-Fock-Bogoliubov (HFB) theory for a self-gravitating Bose Einstein con-densate (BEC) at finite temperatures and provide estimates for desktop experiments to measure the specific heat capacity in order to find signatures of quantum- or clas-sical gravity. We extend HFB-theory for a quantized as well as classical ranged, gravity-like interaction, using a selfconsistent Gaussian factorization of the con-densed and thermalized states. We combine this ranged interaction with the known results for a repulsive scattering interaction in the Born-approximation, to find a full description of a selfgravitating dilute Bose gas at non-zero temperatures and its thermodynamic observables. Finally, we estimate the evolution of the specific heat capacity 𝑐𝑉 and the size and feasibility for such measurements. Our findings show, that the thermodynamics of a BEC exhibit a characteristically different signature depending on whether gravity is a quantum- or a classical operator, and that such experiments are within reach of being conducted at lab-scale in the near future.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Quantengravitation klassische Gravitation Bose-Einstein-Kondensat Thermodynamik
Schlagwörter
(Englisch)
Quantum Gravity Classical Gravity Bose-Einstein Condensate Thermodynamics
Autor*innen
Thomas Strasser
Haupttitel (Englisch)
Quantum vs. classical gravity in bose-einstein condensate thermodynamics
Paralleltitel (Deutsch)
Quanten vs. klassische Gravitation in der Thermodynamik von Bose-Einstein Kondensaten
Publikationsjahr
2023
Umfangsangabe
ii. 32 Seiten : Diagramm
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Caslav Brukner
AC Nummer
AC16819104
Utheses ID
66444
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |