Umeå universitets logga

Our most fundamental understanding of the universe is based on quantum physics. This is particularly evident on small scales, at high energies, and in the early universe. Moving to larger scales, lower energies, and later times, classical dynamics provides a tractable large-scale approximation of the intricate underlying quantum theory. For a complete description of the universe, both quantum and classical theory are thus needed.

On that note, this thesis develops new techniques to quantify quantum particle production in curved spacetimes, as well as the classical evolution of cosmological perturbations. On the quantum side, we develop a worldline-instanton formalism and apply a Wigner transform method to quantify Hawking radiation and cosmological particle production. On the classical side, we further develop a method for cosmological perturbations on a class of locally rotationally symmetric backgrounds, relaxing the usual assumption of spatial isotropy.  

A unifying theme of this thesis is the development of new theoretical tools and models that can be applied to more general geometries and phenomena. The methods we provide thus have the potential to help probe several open questions in physics, including the abundance of primordial black holes, dark matter, the baryon asymmetry, and the origin of large-scale magnetic fields observed on a galactic level. 

Vår mest grundläggande förståelse av universum bygger på kvantfysik. Detta är särskilt uppenbart på små skalor, vid höga energier och i det tidiga universum. På större skalor, vid lägre energier och senare i universums utveckling, ger klassisk dynamik en användbar storskalig approximation av den underliggande kvantteorin. För en fullständig beskrivning av universum krävs därför både kvantfysik och klassisk teori.

Mot denna bakgrund bidrar denna avhandling både med nya tekniker för att uppskatta kvantmekanisk partikelbildning i krökt rumtid och för att beskriva den klassiska dynamiken hos kosmologiska störningar. I den kvantmekaniska delen utvecklar vi en worldline-instantonformalism och tillämpar en Wignertransformmetod för att kvantifiera Hawkingstrålning och kosmologisk partikelproduktion. I den klassiska delen vidareutvecklar vi en metod för kosmologisk störningsräkning på en klass av lokalt rotationssymmetriska rumtider.  

Ett genomgående tema i avhandlingen är utvecklingen av nya teoretiska verktyg och modeller som kan tillämpas på mer generella geometrier och fenomen. De metoder som behandlas här har därigenom potential att bidra till studier av flera olösta frågor, såsom förekomsten av primordiala svarta hål, mörk materia, baryonasymmetrin, samt ursprunget till de storskaliga magnetfält som observerats på galaxnivå.