Mass, Momentum and Energy of Causal Fermion Systems

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	17 November 2022
Referee:	Prof. Dr. Felix Finster
Date of exam:	9 November 2022
Institutions:	Mathematics Mathematics > Prof. Dr. Felix Finster
Keywords:	causal fermion systems, black hole, mass, momentum, energy, energy-momentum vector, kausale Fermionensysteme, Schwarzes Loch, Masse, Impuls, Energie, Energie-Impuls-Vektor
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 510 Mathematics 500 Science > 520 Astronomy & allied sciences 500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	53206

Abstract (English)

Causal fermion systems are a candidate for a unified physical theory, giving relativistic quantum mechanics, general relativity and quantum field theory as limiting cases. They are based on the Dirac equation, a first order differential equation, which describes the fermions, the particles matter consists of. Fundamental for causal fermion systems is the so-called causal action principle. This ...

Abstract (English)

Causal fermion systems are a candidate for a unified physical theory, giving relativistic quantum mechanics, general relativity and quantum field theory as limiting cases. They are based on the Dirac equation, a first order differential equation, which describes the fermions, the particles matter consists of. Fundamental for causal fermion systems is the so-called causal action principle. This determines the physically admissible objects like spacetimes defined in the setting of causal fermion systems, similar to the way the Einstein equations determine the relevant Lorentzian manifolds in general relativity. In this thesis the mass and energy of black holes are investigated in the theory of causal fermion systems based on the Euler-Lagrange equations and so-called surface layer integrals. More explicitly, the main goal of this thesis is to introduce the notions ”mass” (and to this end ”area”), ”momentum” and ”energy” in the setting of causal fermion systems, where ”energy” is given by an energy-momentum four-vector with the energy as first component and momentum in the three spatial directions as the other components. Moreover we will show an analogy to the ”Positive Mass Theorem” adapted to the theory of causal fermion systems. Finally these notions are made manifest by calculating the energy vector for a boosted Schwarzschild black hole and we discuss how to generalize these calculations to Lorentzian Manifolds.

Translation of the abstract (German)

Kausale Fermionensysteme sind ein Kandidat für eine vereinheitlichte physikalische Theorie, da sie relativistische Quantenmechanik, allgemeine Relativitätstheorie und Quantenfeldtheorie als Grenzfälle liefert. Sie basieren auf der Dirac-Gleichung, die die Fermionen beschreibt - den Teilchen, aus denen Materie besteht. Grundlegend für kausale Fermionensysteme ist das sogenannte kausale ...

Translation of the abstract (German)

Kausale Fermionensysteme sind ein Kandidat für eine vereinheitlichte physikalische Theorie, da sie relativistische Quantenmechanik, allgemeine Relativitätstheorie und Quantenfeldtheorie als Grenzfälle liefert. Sie basieren auf der Dirac-Gleichung, die die Fermionen beschreibt - den Teilchen, aus denen Materie besteht. Grundlegend für kausale Fermionensysteme ist das sogenannte kausale Wirkungsprinzip. Es bestimmt die physikalisch zulässigen Objekte (wie z.B. Raumzeiten) in der Theorie kausaler Fermionensysteme, ähnlich wie die Einsteingleichungen die relevanten Lorentz-Mannigfaltigkeiten in der allgemeinen Relativitätstheorie ermittelt. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Masse und der Energie Schwarzer Löcher in der Theorie kausaler Fermionensysteme auf der Grundlage der Euler-Lagrange-Gleichungen und sogenannten Oberflächenschichtintegralen. Präziser formuliert ist das Ziel dieser Arbeit, die Konzepte „Masse“ (und dafür „Fläche“), „Impuls“ und „Energie“ (in Form eines Energie-Impuls-Vektors mit der Energie in der ersten Komponente und den Impulsen in die drei räumlichen Richtungen als die anderen drei Komponenten) für kausale Fermionensysteme zu definieren und eine Entsprechung des „Positive-Masse-Theorems“ in der Theorie kausaler Fermionensysteme zu untersuchen. Schließlich werden diese Konzepte greifbarer gemacht, indem explizit der Energie-Vektor für eine geboostete Schwarzschild-Raumzeit bestimmt und die Verallgemeinerung auf Lorentz-Mannigfaltigkeiten diskutiert wird.

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