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ETH Masterarbeit über Quanten-Bezugssysteme
ETH Master-Semesterarbeit über Information in schwarzen Löchern & Analoge Gravitationsmodelle
Exkursionen in der Allgemeinen Mechanik
ETH Bachelor-Semesterarbeit über den Schatten von rotierenden schwarzen Löchern
cuRRay - CUDA Relativistic Raytracer
ETH Masterarbeit über Quanten-Bezugssysteme
Alle Beobachtungen in der Physik benötigen eine Referenz, relativ zu der beobachtet wird: diese Referenz ist ein sogenanntes Bezugssystem. Bezugssysteme werden in vielen Theorien mathematisch abstrahiert (zum Beispiel als Koordinatensysteme), müssen aber in echten Experimenten durch echte, physikalische Objekte implementiert werden. Es lohnt sich also, zu untersuchen, was geschieht, wenn Bezugssysteme (wie andere Materie-Objekte auch) Quantensysteme sind. Dies ist in gewissen Regimen der Physik unerlässlich. So gelangen wir zum Gebiet der Quantenbezugssysteme. Wir unterschieden zwei Arten von (Quanten-)Bezugssystemen: perfekte und nicht-perfekte. Perfekte Bezugssysteme sind unendlich genau, im Gegensatz zu nicht-perfekten. Nicht-perfekte Bezugssysteme sind realistischer, aber perfekte Bezugssysteme sind als Idealisierung sehr hilfreich und einfacher handzuhaben.
In meiner Masterarbeit entwickelte ich ein bestehendes Framework (arXiv:2110.13199) für transformationen zwischen Quantenbezugssystemen weiter. Das Framework basiert auf Ideen der Quanteninformationstheorie und ist deswegen besonders unkompliziert auf (echte oder hypothetische) Labor-Situation anwendbar. Konkret entwickelte ich eine neue Herangehensweise womit das bestehende Framework ohne externes, absolutes Bezugssystem konstruiert werden kann, und erweiterte es auf Transformationen zwischen nicht-perfekten Quantenbezugssysteme. Mit Hilfe des erweiterten Frameworks konnte ich bestimmen, was ein Beobachter, welcher ein realistisches und daher nicht-perfektes Bezugssystem verwendet, sieht: Quantenzustände und Observablen erfahren eine Art Dekohärenz, wegen des nicht-perfekten Bezugssystems geht Information verloren.
Titel:
Transformations Between Imperfect Quantum Reference Frames
Supervision:
Dr. Esteban Castro-Ruiz, LMF, Université Paris-Saclay, CNRS, ENS Paris-Saclay, France
Ladina Hausmann, institute of theoretical physics, ETH Zürich, Switzerland
Prof. Dr. Renato Renner, institute of theoretical physics, ETH Zürich, Switzerland
Abstract:
Starting from the point of view of an observer, we provide a new construction for unitary
quantum reference frame transformations between observer perspectives, and under physical
assumptions derive the existence of an observer-independent, external view. The non-trivial
problem of reversibly transforming between physically relevant imperfect reference frames is
solved by embedding such frames in perfect ones. Thanks to this embedding, our approach
allows transforming into the perspective of an imperfect quantum reference frame, in a
way which is consistent with the rich information theory of such frames. We explore the
consequences of the embedding and explain the point of view of an observer whose frame is
imperfect. The findings are applied to imperfect reference frames for one-dimensional Galilei
transformations, in light of potential future applications in quantum gravity.
Publikation in der ETH Research Collection:
doi:10.3929/ethz-b-000620796
PDF-Datei (Englisch):
Masterarbeit
ETH Master-Semesterarbeit über Information in schwarzen Löchern & Analoge Gravitationsmodelle
Für meinen Physik-Master schrieb ich eine theoretische Semesterarbeit über das Informationsparadoxon in schwarzen Löchern im Kontext von analogen Gravitationsmodellen. Grob gesagt ist das Informationsparadoxon ein Widerspruch zwischen Quantenfeldtheorie in gekrümmter Raumzeit und der Thermodynamik schwarzer Löcher: Erstere besagt, dass schwarze Löcher sogenannte Hawking-Strahlung abgeben, dadurch mit der Zeit an Masse verlieren, und dass die Entropie der Strahlung so stetig zunimmt. Zweitere besagt, dass die Entropie eines schwarzen Lochs abnimmt, wenn seine Masse abnimmt. Damit die beiden Kompatibel sind, darf die Entropie des schwarzen Lochs die der Strahlung nicht unterschreiten. Genau dies passiert jedoch (siehe auch Abbildung unten).
Analoge Gravitationsmodelle sind physikalische Systeme, in denen Wellenausbreitung mathematisch der Ausbreitung eines Felds (typischerweise masseloses Skalarfeld) in gekrümmter Raumzeit gleicht. Gewisse Aspekte des Systems verhalten sich also mathematisch analog wie ein Feld in gekrümmter Raumzeit. Interessanterweise können solche analoge Modelle auch Raumzeiten von schwarzen Löchern beschreiben (siehe Abbildung unten), und es kann sogar Hawking-Strahlung im Modell nachgewiesen werden. Dies führt zur Frage, ob das Informationsparadoxon auch in einem analogen Modell beschrieben werden kann.
Ziel der Arbeit war die Untersuchung dieser Vermutung: Ich argumentierte, dass die Analogie nicht auf das Paradox erweitert werden kann, weil die Entropie eines schwarzen Lochs im analogen Modell keine sinnvolle Analogie besitzt. Als Beiprodukt entstand auch ein neuer Zugang via Eichinvarianz zu einer grossen Klasse von analogen Modellen, inklusive zwei der wichtigsten Modellen.
Titel:
The Black Hole Information Loss Paradox in the Context of Analogue Gravity
Supervision:
Giulia Mazzola, institute of theoretical physics, ETH Zürich, Switzerland
Prof. Dr. Renato Renner, institute of theoretical physics, ETH Zürich, Switzerland
Abstract:
We investigate the possibility of approaching the black hole information loss paradox from the point of view of analogue gravity models. More generally, we ask whether analogue models can at all make inferences about gravity. To this end we give an intro-duction to black holes, the black hole information loss paradox, and analogue gravity models, before attempting to formulate the information loss paradox in the context of analogue gravity. We find that crucially, the notion of black hole entropy is missing, placing a discussion of the paradox in that context out of reach. Simultaneously, we argue based on the ubiquity and generality of analogue models that they are unlikely to possess deep connections with gravity.
PDF-Datei (Englisch):
Semesterarbeit
Exkursionen in der Allgemeinen Mechanik
Aktivitäten aus der Übungsstunde zur Vorlesung Allgemeine Mechanik im Herbst 2021 an der ETH Zürich.
Dies ist eine lose Sammlung von untereinander unabhängigen Aktivitäten zu Themen der klassischen Mechanik, speziellen Relativitätstheorie, sowie Lagrange- und Hamilton-Mechanik. Für jede Aktivität sind Lösungen, weiterführende Bemerkungen und passende Literatur aufgeführt.
Die Aktivitäten entwarf ich als Teil der wöchentlichen von mir geleiteten Übungsdoppellektion, welche die Vorlesung Allgemeine Mechanik von Prof. Dr. Renato Renner (Institut für Theoretische Physik, ETH Zürich) im Herbstsemester 2021 an der ETH Zürich begleitete. Insgesamt wurden sieben Übungen bei verschiedenen Übungsassistierenden angeboten und die Studierenden konnten ihre bevorzugte Übung auswählen. Die Gestaltung der Übungslektionen war den Übungsassistierenden fast komplett selber überlassen, was sicherlich die Entstehung dieser Aktivitäten begünstigt hat.
Pro Woche wurde nebst anderen Inhaltspunkten in meiner Doppellektion eine Aktivität behandelt (mit Ausnahme von ein paar Wochen). Die Studierenden hatten in der Regel 15-20min Zeit, um vorzugsweise zu zweit oder in Gruppen eine Teilaufgabe der Aktivität zu bearbeiten. Die Teilaufgaben standen jeweils frei zur Auswahl. Anschliessend erklärte ich die Teilaufgaben jeweils kurz. Wenige Tage nach der Übungslektion veröffentlichte ich dann jeweils die Lösungen.
Ich verfolgte in den Aktivitäten folgende Ziele:
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Die Behandlung der Aktivitäten in der Übungslektion sollten zu einem vertieften Auseinandersetzen mit dem Stoff der Aktivität führen, und somit mit dem aktuellen Stoff der Vorlesung.
Die Teilaufgaben der Aktivität sind deshalb eher Verständnisfragen, Diskussionsfragen, Interpretationsfragen (im Sinn von physikalischer Interpretation) und Intuitionsfragen, statt Rechenaufgaben.
Zudem sind die Teilaufgaben bewusst nicht einfach; ich habe deshalb auch explizit nicht erwartet, dass ein Paar oder eine Gruppe alle Teilaufgaben innerhalb der gegebenen Zeit löst. Das Ziel war jeweils bereits nur die Diskussion einer Teilaufgabe.
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Zusammen mit den Lösungen sollen die Aktivitäten sinnvolle Beispiele, Anwendungen und auch Exkurse für die Themen der Vorlesung liefern. Deshalb habe ich auch die Lösung jeweils möglichst ausführlich geschrieben.
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Jede Aktivität soll ein interessantes und manchmal auch überraschendes Thema behandeln. In allen Themen gibt es sicherlich mehr zu entdecken, als man anfänglich vermutet.
Ich hoffe, dass die einte oder andere Aktivität auch ab und zu eine Studentin oder einen Studenten dazu bewegt hat, sich genauer ins Thema einzulesen, und so vielleicht weiter Konzepte zu entdecken.
PDF-Datei: Exkursionen in der Allgemeine Mechanik
ETH Bachelor-Semesterarbeit über den Schatten von rotierenden schwarzen Löchern
Im letzten Semester (Frühling 2021) meines BSc Physik an der ETH Zürich schrieb ich eine Semesterarbeit in theoretischer Physik über den Schatten von rotierenden schwarzen Löchern. Der Schatten eines schwarzen Lochs ist das komplett schwarze Gebiet im Himmel des Beobachters, wenn dieser ein alleinstehendes schwarzes Loch betrachtet; Form und Grösse des Schattens hängen von den Eigenschaften des schwarzen Lochs ab und können sogar verwendet werden, um einige Eigenschaften zu bestimmen. Die Semesterarbeit ist eine Literaturstudie von sowohl fundamentaler wie auch eher moderneren Forschung zum Thema. Als solche kann sie als Einführung ins Gebiet der Schatten schwarzer Löcher dienen.
Titel:
The Shadow of a Rotating Black Hole
Supervision:
Prof. Dr. Philippe Jetzer (main supervisor), Physik-Institut, University of Zürich, Switzerland
Prof. Dr. Renato Renner (internal ETH member), Institute of Theoretical Physics, ETH Zürich, Switzerland
Abstract:
The aim of this work is to provide an introduction to the field of shadows of rotating Kerr black holes.
We review the mathematics of light propagation in Kerr spacetime and derive the equations describing the edge of a Kerr black hole shadow in the sky of a distant observer.
We also discuss recent research concerning the possibility of determining the spin parameter a and the inclination angle θO of the observer from direct observations of the shadow.
Finally, we showcase two applications of the theory of black hole shadows to the Event Horizon Telescope collaboration image of the supermassive black hole M87*.
PDF-Datei (englisch):semester project
Die Arbeit kann auch auf der Webseite von Prof. Jetzer's Forschungsgruppe gefunden werden: hier.
cuRRay - CUDA Relativistic Raytracer
cuRRay steht für CUDA relativistic Raytracer und ist eine von mir programmierte Software, um Lichtstrahlen in der Nähe von schwarzen Löchern zu berechnen; Auf diese Weise können Bilder von Objekten nahe dieser kosmischen Monster erzeugt werden. Weil Lichtstrahlen durch die extreme Gravitation der schwarzen Löcher abgelenkt werden, sind die Bilder stark verzerrt. cuRRay verwendet NVIDIA CUDA, um die Berechnungen effizient auf der Grafikkarte durchzuführen.
cuRRay ist die Software, die ich im Rahmen meiner Maturaarbeit an der Kantonsschule Wohlen programmierte. Das Projekt gewann zwei Hauptpreise beim nationalen Wettbewerb 2018 von Schweizer Jugend Forscht (SJF): Erstens, eine Teilnahme am Stockholm International Youth Science Seminar (SIYSS) 2018 in Stockholm, Schweden. Zweitens, eine Teilnahme am European Union Contest for Young Scientists (EUCYS) 2018 in Dublin, Irland. Dort wurde die Arbeit mit einem durch das European Southern Observatory (ESO) ausgestellten Spezialpreis ausgezeichnet: Eine Reise nach Chile und eine Besichtigung des Very Large Telescope (VLT), die ich als Hobby-Astrophotograph besonders genoss.
Weitere Informationen über cuRRay finden Sie hier.
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