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http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/24647| Tipo do documento: | Tese |
| Título: | Cosmologia Quântica Computacional: uso do método de Crank-Nicolson em (2+1) na busca de soluções para a equação de Wheeler-DeWitt |
| Título(s) alternativo(s): | Computational Quantum Cosmology: use of the Crank-Nicolson method in (2+1) in the search for solutions to the Wheeler-DeWitt equation |
| Autor: | Brumatto, Hamilton José ![]() |
| Primeiro orientador: | Monerat, Germano Amaral |
| Segundo orientador: | Ribeiro, Andre Luis Batista |
| Primeiro membro da banca: | Oliveira, Francisco Bruno Souza |
| Segundo membro da banca: | Helayël Neto, José Abdalla |
| Terceiro membro da banca: | Alvarenga, Flávio Gimenes |
| Quarto membro da banca: | Silva, Eduardo Vasquez Corrêa |
| Resumo: | No estudo da Cosmologia a Teoria da Relatividade Geral (RG) apresenta singularidades em situações extremas, como quando retrocedemos para os instantes iniciais “Big-Bang”, ou melhor, na Era de Planck. A introdução do formalismo quântico busca eliminar estas singularidades. Neste formalismo supõe-se a existência de uma função de onda Ψ que carrega todas as propriedades do sistema, conhecida como função de onda do Universo. Os modelos propostos baseados no formalismo quântico tem sua dinâmica descrita pela chamada Equação de Wheeler-DeWitt (WDW). Vários trabalhos abordam soluções para esta equação utilizando-se de diversos conteúdos materiais, como a constante cosmológica, fluido perfeito nas formas de radiação, poeira, matéria rígida, gás de Chaplygin dentre outros. Recentemente, vários modelos com diferentes conteúdos de matéria foram quantizados. Nos casos em que o potencial efetivo Vef assume a forma de uma barreira de potencial foi analisado a possibilidade do universo surgir à direita da barreira através de um mecanismo de tunelamento. As soluções recentes têm adotado o método de Crank-Nicolson (CN) (1+1) para obtenção das soluções numéricas da Equação de WDW e posterior cálculo da probabilidade de tunelamento. De acordo com a literatura, após a Era de Planck (EP), o Universo deve emergir para uma fase de grande expansão conhecida como “Fase Inflacionária”. Nesta fase supõe-se a presença de um campo escalar (campo de inflação) que domina qualquer outra matéria, conduzindo o Universo a uma expansão muito acelerada, num curto intervalo de tempo. Este trabalho considera um modelo na teoria da Relatividade Geral (RG) de Einstein com geometria de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FRW) para representar um modelo homogêneo e isotrópico e como conteúdo material será usado um fluido perfeito na forma de radiação e um campo escalar conformalmente acoplado à gravitação. Neste caso, o potencial do campo escalar terá um termo tipo constante cosmológica para representar a energia de vácuo e um termo de massa. O objetivo é descrever o universo primordial, ou seja a fase que antecede a era inflacionária. Para isso irá quantizar o modelo em questão, de forma que a dinâmica será regida pela chamada Equação de WDW. A solução computacional para este modelo (2+1) exige um pacote computacional eficiente e robusto. Eficiente pois o volume de dados é enorme, então os algoritmos usados precisam ser O(n) e em especial paralelizado. Robusto pois a computação por longo período deve prever faltas ao longo do tempo, como a interrupção do processamento. Foi construído um pacote computacional capaz de realizar simulações em Clusters de Computação de Alto Desempenho (HPC - High Performance Computing), testes demonstraram que o programa consegue simular a evolução da Equação de WDW com a introdução mínima de erros. A partir deste foi possível realizar simulações no modelo, os resultados são significativos e apontam uma transição do modelo quântico para o clássico. |
| Abstract: | In the study of Cosmology, the Theory of General Relativity (RG) presents singularities in extremes situations, such as when we go back to the initial instants of the “Big-Bang”, or rather, in the Planck Era. The introduction of quantum formalism seeks to eliminate these singularities. This formalism assumes the existence of a wave function Ψ that carries all the properties of the system, known as the wave function of the Universe. The proposed models based on quantum formalism have their dynamics described by the so-called Wheeler-DeWitt Equation (WDW). Several works address solutions for this equation using different material contents, such as the cosmological constant, perfect fluid in the forms of: radiation, dust, rigid matter, Chaplygin’s gas, among others. Recently, several models with different matter contents have been quantized. In cases where the effective potential Vef assumes the form of a potential barrier, the possibility of the universe emerging to the right of the barrier through a tunneling mechanism has been analyzed. Recent solutions have adopted the Crank-Nicolson (CN) (1+1) to obtain numerical solutions for the WDW Equation and subsequently calculate the tunneling probability. According to the literature, after the Planck Era (PE), the Universe should emerge into a phase of great expansion known as the “Inflationary Phase”. At this stage, the presence of a scalar field (inflation field) is assumed, which dominates any other matter, leading the Universe to a very accelerated expansion, in a short period of time. This work considers a model in Einstein’s RG with Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FRW) geometry to represent a homogeneous and isotropic model. The material content will be a perfect fluid in the form of radiation and a scalar field conformally coupled to gravity. In this case, the scalar field potential will have a cosmological constant term to represent vacuum energy and a mass term. The objective is to describe the primordial universe, that is, the phase that precedes the inflationary era. To do this, the model in question will be quantized, so that the dynamics will be governed by the so-called WDW Equation. The computational solution for this model (2+1) requires an efficient and robust computational package. Efficient because the volume of data is enormous, so the algorithms used need to be O(n) and especially parallelized. Robust because long-term computation must anticipate faults over time, such as processing interruptions. A computational package capable of performing simulations on High Performance Computing (HPC) Clusters was built; tests have shown that the program can simulate the evolution of the WDW Equation with minimal error introduction. From this, it was possible to carry out simulations in the model, the results are significant and point to a transition from the quantum model to the classical one. |
| Palavras-chave: | Cosmologia quântica Equações diferenciais parciais Wheeler-DeWitt Crank-Nicolson Quantum cosmology Partial differential equations |
| Área(s) do CNPq: | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::MATEMATICA::MATEMATICA APLICADA |
| Idioma: | por |
| País: | Brasil |
| Instituição: | Universidade do Estado do Rio de Janeiro |
| Sigla da instituição: | UERJ |
| Departamento: | Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto Politécnico |
| Programa: | Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional |
| Citação: | BRUMATTO, Hamilton José. Cosmologia Quântica Computacional: uso do método de Crank-Nicolson em (2+1) na busca de soluções para a equação de Wheeler-DeWitt. 2025. 121 f. Tese (Doutorado em Modelagem Computacional) - Instituto Politécnico, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Nova Friburgo, 2025. |
| Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
| URI: | http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/24647 |
| Data de defesa: | 8-Ago-2025 |
| Aparece nas coleções: | Doutorado em Modelagem Computacional |
Arquivos associados a este item:
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| Tese - Hamilton José Brumatto - 2025 - Completa.pdf | 21,76 MB | Adobe PDF | Baixar/Abrir Pré-Visualizar | |
| CRN - Hamilton José Brumatto - 2025.pdf | 202,88 kB | Adobe PDF | Baixar/Abrir Pré-Visualizar Solictar uma cópia | |
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