Faces of gravity
b'In dieser Dissertation untersuchen wir eine Vielzahl von Themen aus dem Bereich der Kosmologie und der Gravitation. Insbesondere behandeln wir Fragestellungen aus der Inflationstheorie, der Strukturbildung im neuzeitlichen Universum und massiver Gravitation, sowie Quantenaspekte schwarzer L\\xf6cher und Eigenschaften bestimmter skalare Theorien bei sehr hohen Energien.\\n\\nIm sogenannten "New Higgs Inflation"-Modell spielt das Higgs-Boson die Rolle des Inflaton-Felds. Das Modell ist kompatibel mit Messungen der Higgs-Masse, weil das Higgs-Boson nichtminimal an den Einstein-Tensor gekoppelt wird. Wir untersuchen das Modell in Hinblick auf die k\\xfcrzlich ver\\xf6ffentlichten Resultate der BICEP2- und Planck-Experimente und finden eine hervorragende \\xdcbereinstimmung mit den gemessenen Daten. Desweiteren zeigen wir auf, dass die scheinbaren Widerspr\\xfcche zwischen Planck- und BICEP2-Daten dank eines negativ laufenden Spektralindex verschwinden. Wir untersuchen au\\xdferdem die Unitarit\\xe4tseigenschaften der Theorie und r\\xe4sonieren, dass es w\\xe4hrend der gesamten Entwicklung des Universums nicht zu Unitarit\\xe4tsverletzung kommt. W\\xe4hrend der Dauer der inflation\\xe4ren Phase sind Kopplungen in den Higgs-Higgs und Higgs-Graviton-Sektoren durch eine gro\\xdfen feldabh\\xe4ngige Skala unterdr\\xfcckt. Die W- und Z-Bosonen hingegen entkoppeln aufgrund ihrer sehr gro\\xdfen Masse. Wir zeigen eine M\\xf6glichkeit auf, die es erlaubt die Eichbosonen als Teil der Niederenergietheorie zu behalten. Dies wird erreicht durch eine gravitationsabh\\xe4ngige nichtminimale Kopplung des Higgs-Felds an die Eichbosonen.\\n\\nIm n\\xe4chsten Abschnitt konzentrieren wir uns auf das neuzeitliche Universum. Wir untersuchen den sogenannten sph\\xe4rischen Kollaps in Modellen gekoppelter dunkler Energie. Insbesondere leiten wir eine Formulierung des sph\\xe4rischen Kollaps her, die auf den nichtlinearen Navier-Stokes-Gleichungen basiert. Im Gegensatz zu bekannten Beispielen aus der Literatur flie\\xdfen alle wichtigen Fifth-Force Effekte in die Entwicklung ein. Wir zeigen, dass unsere Methode einfachen Einblick in viele Subtilit\\xe4ten erlaubt, die auftreten wenn die dunkle Energie als inhomogen angenommen wird.\\n\\nEs folgt eine Einleitung in die Theorien von massiven Spin-2 Teilchen. Hier erkl\\xe4ren wir die Schwierigkeiten der Formulierung einer nichtlinearen, wechselwirkenden Theorie. Wir betrachten das bekannte Problem des Boulware-Deser-Geists und zeigen zwei Wege auf, dieses No-Go-Theorem zu vermeiden. Insbesondere konstruieren wir die eindeutige Theorie eines wechselwirkenden massiven Spin-2 Teilchens, die auf kubischer Ordnung trunkiert werden kann, ohne dass sie zu Geist-Instabilit\\xe4ten f\\xfchrt.\\n\\nDer zweite Teil dieser Arbeit widmet sich bekannten Problemen der Physik schwarzer L\\xf6cher. Hier liegt unser Fokus auf der Idee, das schwarze L\\xf6cher als Bose-Kondensate von Gravitonen aufgefasst werden k\\xf6nnen. Abweichungen von semiklassischem Verhalten sind Resultat von starken Quanteneffekten die aufgrund einer kollektiven starken Kopplung auftreten. Diese starke Kopplung f\\xfchrt in bekannten Systemen zu einem Quantenphasen\\xfcbergang oder einer Bifurkation. Die quantenmechanischen Effekte k\\xf6nnten der Schl\\xfcssel zur Aufl\\xf6sung lang existierender Probleme in der Physik schwarzer L\\xf6cher sein. Dies umschlie\\xdft zum Beispiel das Informationsparadox und das ``No-Hair\'\'-Theorem. Au\\xdferdem k\\xf6nnten sie wertvolle Einblicke in die Vermutung liefern, dass schwarze L\\xf6cher die Systeme sind, die Informationen am schnellsten verschl\\xfcsseln.\\n\\nAls Modell f\\xfcr ein schwarzes Loch studieren wir ein System von ultrakalten Bosonen auf einem Ring. Dieses System ist bekannt als eines, dass einen Quantenkritischen Punkt besitzt. Wir demonstrieren, dass am kritischen Punkt Quanteneffekte sogar f\\xfcr sehr gro\\xdfe Besetzungszahlen wichtig sein k\\xf6nnen. Hierzu definieren wir die Fluktuationsverschr\\xe4nkung, die angibt, wie sehr verschiedene Impulsmoden miteinander verschr\\xe4nkt sind. Die Fluktuationsverschr\\xe4nkung ist maximal am kritischen Punkt und ist dominiert von sehr langwelligen Fluktuationen. Wir finden daher Resultate die unabh\\xe4ngig von der Physik im ultravioletten sind.\\n\\nIm weiteren Verlauf besprechen wir die Informationsverarbeitung von schwarzen L\\xf6chern. Insbesondere das Zusammenspiel von Quantenkritikalit\\xe4t und Instabilit\\xe4t kann f\\xfcr ein sehr schnelles Wachstum von Ein-Teilchen-Verschr\\xe4nkung sorgen. Dementsprechend zeigen wir, dass die sogenannte "Quantum Break Time\'\', welche angibt wie schnell sich die exakte Zeitentwicklung von der semiklassischen entfernt, wie log(N) w\\xe4chst. Hier beschreibt N die Anzahl der Konstituenten. Im Falle eines Gravitonkondensats gibt N ein Ma\\xdf f\\xfcr die Entropie des schwarzen Lochs an. Dementsprechend interpretieren wir unsere Erkenntnisse als einen starken Hinweis, dass das Verschl\\xfcsseln von Informationen in schwarzen L\\xf6chern denselben Ursprung haben k\\xf6nnte.\\n\\nDas Verdampfen von schwarzen L\\xf6chern beruht in unserem Bild auf zwei Effekten. Koh\\xe4rente Anregungen der tachyonischen radialen Mode f\\xfchren zum Kollaps des Kondensats, w\\xe4hrend sich die inkoh\\xe4rente Streuung von Gravitonen f\\xfcr die Hawking-Strahlung verantwortlich zeigt. Hierf\\xfcr konstruieren wir einen Prototyp, der einen bosonischen Freiheitsgrades mit impulsabh\\xe4ngigen Wechselwirkungen beschreibt. Im Schwinger-Keldysh-Formalismus untersuchen wir die Echtzeit-Evolution des Kondensats und zeigen, dass der Kollaps und die damit einhergehende Evaporation auf selbst-\\xe4hnliche Weise verl\\xe4uft. In diesem Fall ist das Kondensat w\\xe4hrend des gesamten Kollapses an einem kritischen Punkt. Desweiteren zeigen wir L\\xf6sungen, die an einem instabilen Punkt leben, und daher schnelle Verschr\\xe4nkung erzeugen k\\xf6nnten.\\n\\nDer finale Teil der Arbeit befasst sich mit Renormierungsgruppenfl\\xfcssen in skalaren Theorien mit impulsabh\\xe4ngigen Wechselwirkungen. Wer leiten die Flussgleichung f\\xfcr eine Theorie, die nur eine Funktion des kinetischen Terms enth\\xe4lt her. Hier zeigen wir die Existenz von Fixpunkten in einer Taylor-Entwicklung der Funktion auf. Wir diskutieren, inwiefern unsere Analyse f\\xfcr Einblick in allgemeinere Theorien mit Ableitungswechselwirkungen sorgen kann. Dies beinhaltet zum Beispiel Gravitation.'