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Some thoughts on AQFT (algebraic or axiomatic quantum field theory)

8 August, 2011 in the category english, Mathematical Physics by Konrad Voelkel.

In this post, I want to explain briefly the idea behind AQFT in the Haag-Kastler style. To motivate this, let me first sketch what QFT (= quantum field theory) is about, at least in my mathematically distorted perception.

Classical quantum theory is about modelling purely quantum effects, i.e. without considering gravity, or at least without considering relativistic effects. There, a separable Hilbert space as a state space is appropriate. The bounded linear operators on the state space form a certain kind of normed algebra with compatible involution (taking the adjoint) called C*-algebra and measurements correspond to self-adjoint operators.

Quantum field theory tries to incorporate quantum mechanics into electromagnetic field theory (or vice versa) and gravitational field theory. So far, no such theory-of-everything has been developed with falsifiable predictions, although there are some promising candidates.

As a starting point for mathematicians, I recommend the book by Folland, Quantum Field Theory: A Tourist Guide for Mathematicians. Another useful source might be the work of Zeidler, which I haven't had the time to look at yet.

Now AQFT, or axiomatic quantum field theory, is one approach to develop a QFT. The first input is to think about a quantum system not as a certain Hilbert space but as a certain C*-algebra of observables. One can always find a Hilbert space representation of a C*-algebra, which means that the two approaches are mathematically equivalent (by the GNS construction). The second input is to take some spacetime manifold (like flat Minkowski space or something more curved) and attach a C*-algebra to each open subset in a compatible way. This amounts to saying that quantum fields are defined as copresheaves of C*-algebras whose co-restriction morphisms are monomorphisms (see where I have borrowed this phrasing). In some sense, this means to attach a presheaf of non-commutative spaces to the spacetime, since C*-algebras are a model for noncommutative geometry. AQFT people call such a copresheaf of C*-algebras a local net of observables.

One important aspect is locality, which means that effects at some point do not influence some other distant point - it takes time. More specifically, there is spacelike locality, which forbids two spacelike separated regions to influence each other at all, which means that the corresponding observable C*-algebras commute with each other (i.e. a measurement in one subsystem does not affect the other subsystem, they are independent).

The third axiom is about spacetime covariance, which means that the elements S of the symmetry group (like the Poincaré group or a subgroup) transforms the observables of one open subset U to the observables of the subset S(U). This transformation is required to be an epimorphism of C*-algebras.

The fourth axiom is positivity of energy. A mathematical axiomatisation of this would be that translation operators have spectral support in the closed forward light cone.

This approach was developed in 1964 by Rudolf Haag and Daniel Kastler in "An algebraic approach to quantum field theory", Journal of Mathematical Physics, Bd.5, p.848-861.

In AQFT, the observables depend on time (since they are associated to certain spacetime regions) and the "state", i.e. the spacetime and the copresheaf of C*-algebras are fixed. This corresponds to the classical Heisenberg picture of quantum mechanics.

One of the big successes of AQFT are the CPT-symmetry theorem. C stands for charge, P for parity and T for time. The CPT-symmetry conjecture states that the laws of nature are invariant if time goes backwards, all charges are conjugate and all parities are reversed (i.e. all chiral properties). In the AQFT framework, there is a mathematically precise formulation of this conjecture in terms of operators and there also is a proof.

The approach to quantum mechanics via C*-algebras (or some other kind of observable algebras) is philosophically the most satisfying: a physical model should predict only measurable data, so it is most natural to let the model consist of every measurement which can be performed. A state is somehow just a set of outcomes of all measurements (more precise, a positive linear functional on the observable algebra). Via the GNS-construction, elements of a Hilbert space form such states for the C*-algebra of linear bounded operators on the Hilbert space.

To be even more precise, the most satisfying approach to observables would be to model them as projection-valued measures on a separable Hilbert space. Via the spectral theorem, these correspond to self-adjoint operators. Let me elaborate on the justification for a separable Hilbert space. As one sees in the two-slit experiment, superposition of states is possible, so one has to allow convex combination of states, therefore the Hilbert space (where one is actually working in the projective space over the Hilbert space). The Hilbert space has to be separable (which means having a countable Hilbert base, so every vector can be written as limit of countable sums of Hilbert basis vectors), since one can only perform finitely many measurements on any system, but an arbitrary large number of measurements. So one would actually like to use just finite dimensional Hilbert spaces, which would make the maths much easier, but then one would impose an arbitrary limit on the number of possible measurement processes. Maybe nature itself consists of a highly infinite-dimensional Hilbert-space, not admitting any Hilbert basis of low cardinality at all - but this we will never be able to falsify and thus must discard such models. It is in fact meaningless to talk about non-measurable physical realities.

Now to projection-valued measures: A single yes-or-no question can be modelled as a projector, since asking whether a state satisfies a certain property will result in a positive answer if the state was an eigenstate of the projector to the subspace of all states satisfying that property. It becomes clear that such a projector would also project all superpositions of yes-or-no states w.r.t. that property onto the yes-subspace, thus changing the state. This is also an important ingredient of all quantum theories: the observer changes the system, as we can also see in the double-slit experiment.
Any property of states which consists of something more complicated than just yes-or-no questions can be written as a logical expression in yes-or-no questions. This logical expression in "quantum logic" translates to union, intersection and complement of Hilbert space subspaces, so to projections onto these subspaces.

As already said, observables correspond to self-adjoint operators (by the spectral theorem). If you're into Lie algebras you already noticed that skew-hermitian matrices form the Lie algebra of the Lie group of unitary matrices. Physicists like to drop some -i and take hermitian matrices as the infinitesimal generators of unitary time evolution (that's their slang, not mine).

Let me finish this sketch on AQFT by mentioning two other nice aspects of this approach:
One the one hand, C*-algebras naturally admit a commutator which one may think of some quantum version of the Poisson bracket in Lagrangian mechanics. The correct way of doing this is called deformation quantization.
On the other hand, C*-algebras have interesting representation theory and this is also connected to physics. One example would be super-selection rules, which can be easily explained by telling you that a super-selection sector is an isotypic component of a C*-representation. Another example (which I think is really nice) is the Aharonov-Bohm effect, where the quantum system behaves differently if a magnetic field is enabled somewhere where particles are unable to enter at all. This corresponds to two systems with the same observable algebra but different representations (since the measurements you can do are the same, but the physics isn't).

One shouldn't mention the Heisenberg picture without the Schrödinger picture, where we have to relate AQFT to the so-called FQFT, or functorial quantum field theory. In the Schrödinger picture, observables are fixed and the state has time-evolution. In FQFT, the path integral is formulated axiomatically as a functor. There are various kinds of FQFT and the kind I like most is TQFT, which stands for topological quantum field theory. There, the path integral is a functor from a cobordism category to C*-algebras, associating to each object of the cobordism category (i.e. each manifold) an operator-algebra for that specific space and to each morphism in the cobordism category (i.e. each cobordism) a morphism of operator-algebras that encodes time evolution. A cobordism is considered to model a spacetime segment in this formalism.

I didn't put so many links to read further in this text, so if you need more resources to learn about this stuff, just comment here and I will put links to some other introductory material here.

Diploma thesis abstract

2 June, 2011 in the category english, mathematics by Konrad Voelkel.

Nearly half of all blog posts start with "Soon this blog will be full of content" and the other half with "it has been incredibly silent, soon I will post a lot". This post is of the second type, but I apologize by linking to what has kept me from writing here:
Extended abstract of my diploma thesis.
While the diploma thesis is in german, the abstract is in english and only 9 pages long, without any proofs. The diploma thesis is now available here (updated on 2011-08-09).

As a teaser, here is the abstract of the abstract:

In classical covering space theory we have an isomorphism of the fundamental group with the fibre of the universal cover over the basepoint. Covering spaces of topological groups are group extensions, but not every group extension is a covering space. Perfect groups admit a universal central extension and the kernel of this extension is also called fundamental group. For simply connected Chevalley-groups over a perfect field, this fundamental group, classically called second unstable K-Theory, is exactly the fundamental group of a simplicial resolution. The loops are described explicitly by matrices.

Managing Books

24 March, 2011 in the category computers, english, life by Konrad Voelkel.

Today in the series "How to do XYZ with software?":

How to manage books?

You read books at work, you read books at home, you lend books, you buy and sell books. If you do at least one of these tasks, you need to think about a metadata management system. For most people, this is just a (wooden, real-life) bookshelf, where all possessed books are displayed, easily to be sorted by author or colour of the cover. Even then, some help with software might be justified, since you need to package the books for every relocation anyway.
Now let's take a look at a quick&easy way to use software for organising a private book collection.

Read more about Managing Books »

Wahlempfehlung zur Landtagswahl Baden-Württemberg 2011 am 27. März

26 February, 2011 in the category deutsch, politics by Konrad Voelkel.

In diesem Artikel versuche ich Wahlstrategien zu entwickeln, um bei der kommenden Landtagswahl die Wahrscheinlichkeiten für höher präferierte Ergebnisse zu erhöhen.
Warum so kompliziert? Weil man durch die Wahl einer Partei eben dieser Partei auch schaden kann - und zwar nicht nur in seltenen Ausnahmen. Und noch dazu: Wenn man schon nicht seiner Lieblingspartei zur Macht verhelfen kann, dann doch wenigstens der zweiten Wahl, oder? Also sollte man sich Gedanken darüber machen, wie man das erreicht.

Aufgrund der 5%-Hürde gibt es bei der Landtagswahl eine offensichtlich schlechte Wahlstrategie: eine Partei zu wählen, die keine Chance hat, diese Hürde zu überwinden. Die entsprechende Stimme ist "verschenkt" - man kann mit ihr das Kräftegleichgewicht der Parteien im Parlament nicht mehr beeinflussen.

Nun könnte man argumentieren, so eine Stimme sei eben nicht verschenkt, weil ja die Bevölkerung am Wahlergebnis sehen würde, dass es eben doch Rückhalt für die entsprechende Kleinstpartei gibt und bei der nächsten Wahl gebe es dann womöglich die Chance, die 5%-Hürde zu knacken. Und ich denke, diese Argumentation ist auch korrekt. Allerdings handelt es sich dann nicht um eine Wahlstrategie, die die Wahrscheinlichkeiten für bestimmte Verteilungen im Parlament beeinflussen soll - man verfolgt ganz andere Ziele.

Also werde ich nun für den Rest des Artikels festlegen, welche Anforderungen ich an die gesuchte Wahlstrategie stellen will. Der Einfachheit halber tun wir nun so, als könnte man lediglich mit einer Stimme eine Partei wählen (tatsächlich wählt man eine Person). Eine weitere, wichtige vereinfachende Annahme muss vorher allerdings noch getroffen und gerechtfertigt werden:

Der Unterschied zwischen den Wahlumfragen und der tatsächlichen Wahl wird sich, in Prozentpunkten, bei CDU und SPD um maximal 8, bei allen anderen Parteien um maximal 2 Prozent unterscheiden.

Dass diese Annahme sinnvoll ist, sieht man daran, dass es bei den vergangenen Wahlen stets noch geringere Unterschiede in den Prozentpunkten gab. Verlässliche Daten gibt es z.B. bei der Forschungsgruppe Wahlen über die Wahlabsicht zur Bundestagswahl seit 1991. Dort liegt der Unterschied bei höchstens 7,25 Prozentpunkten bei der SPD, höchstens 5 bei der CDU und bei höchstens 1,5 Prozentpunkten bei allen anderen Parteien (berechnet habe ich das als Differenz der Wahlergebnisse zum Mittel über 30 Tage davor, aus den tabellarisierten Daten der Forschungsgruppe Wahlen: Politbarometer im Zeitraum 1996-2011, also für 4 Bundestagswahlen). Leider konnte ich keine Daten zu den Wahlumfragen vor Landtagswahlen finden (vielleicht kann ein Leser da weiterhelfen?).

Anforderungen an eine "gute" Wahlstrategie

  1. Unter allen möglichen Ausgängen der Wahl (d.h. Parlamentszusammensetzungen und Regierungskoalitionen), die nach den aktuellen Wahlumfragen für möglich gehalten werden, soll die Wahlstrategie die Wahrscheinlichkeit des präferierten Ausgangs erhöhen (im Vergleich zum Nichtwählen).
  2. Wenn man zusätzlich annimmt, dass der erstpräferierte Ausgang nicht eintritt, soll die Wahrscheinlichkeit des zweitpräferierten Ausgangs erhöht werden, falls möglich.
  3. [Für Mathematiker: Wenn man zusätzlich annimmt, dass der $n$-te Ausgang auf einer Präferenzliste nicht eintritt, soll die Wahrscheinlichkeit des $n+1$-präferierten Ausgangs erhöht werden, falls möglich.]

Dass die zweite Anforderung mit der ersten im Konflikt stehen kann (daher "falls möglich"), ist leicht an einem Beispiel zu sehen: Wenn die Erstpräferenz eine alleinige CDU-Regierung ist, die Zweitpräferenz aber eine große Koalition aus CDU und SPD. Dann ist es nicht möglich, die Wahrscheinlichkeit des Zweitwunsches zu erhöhen, ohne dem Erstwunsch zu schaden - denn jede Stimme, die nicht an die CDU fließt, schadet dem Erstwunsch in diesem Fall.

Das klassische Beispiel für das Wählen einer Partei, die man eigentlich nicht in der Regierung sehen will, um eine andere Partei zu bevorzugen ist das Folgende: Ein eingefleischter CDU-Freund wählt die Linkspartei, damit diese ins Parlament einzieht, dann aber nicht in eine Rot-Rot-Grüne Koalition eintreten würde, womit der Weg frei ist für eine Schwarz-Gelbe Koalition. (Dieses Szenario ist jetzt bewusst etwas an den Haaren herbeigezogen).

Aktuelle Umfragen und Folgerungen daraus

Wir wollen uns nun einige aktuellen Umfrageergebnisse ansehen und daraus mögliche Ausgänge der Landtagswahl ableiten:

Umfrageinstitut Datum CDU GRÜNE SPD FDP LINKE
Uni Freiburg 26.2. 41 24 23 6 3
Emnid 20.2. 40 23 20 7 5
Forschungsgruppe 4.2. 41 25 19 6 4
Infratest 3.2. 39 24 21 6 5

Alle Zahlen sind auf ganze Prozentpunkte kaufmännisch gerundet. Fehlende % sind sonstige Parteien, "weiß nicht" und Nichtwähler. Die Daten habe ich via Wahlrecht.de gefunden.

Daraus habe ich nun das arithmetische Mittel gebildet (die Umfragen hatten alle eine ähnliche Stichprobengröße zwischen 1000 und 1150 Befragten) und komme zu folgenden Möglichkeiten:



Daran sehen wir nun schon einige interessante Daten:

  • Zwei Parteien ziehen möglicherweise gar nicht ins Parlament ein: FDP und die LINKE.
  • Eine Schwarz-Gelbe Koalition hat zwischen 32,25% und 56,5%.
  • Eine Grün-Rote Koalition hat zwischen 34,75% und 54,75%.

Es ist wichtig zu bemerken, dass die "verschenkten" Stimmen, die hier gar nicht mit aufgeführt sind, dazu beitragen, wie die Wahl ausgeht. Im Average Case etwa haben die größten fünf Parteien zusammen 95,5% der Stimmen. Darum sind für eine Koalition eben nicht 50% notwendig, um in die Regierung zu kommen, sondern es genügen ca. 45% - eine Zahl, die die CDU sogar in ihrem Best Case Szenario erreichen könnte.

Noch drastischer ändert sich die Lage, wenn z.B. die Linkspartei die 5%-Hürde nicht überwindet. Dann genügen bereits ca. 40% der Stimmen, um in die Regierung einzuziehen - was die CDU z.B. im Average Case Szenario schafft, aber auch Grün-Rot.

In der bisherigen Betrachtung wurde ignoriert, dass, grob gesprochen, der Worst Case für eine Partei natürlich der Best Case für eine andere Partei ist. Darum betrachte ich nun mögliche Szenarien für konkrete Stimmverteilungen und daraus resultierende Koalitionen. Dabei möchte ich Hinweise darauf geben, wie man durch eine Wahlstrategie die Wahrscheinlichkeit des Szenarios beeinflussen könnte.

Szenarien für den Wahlausgang

Die LINKE schafft die 5%-Hürde nicht

Mit den aktuellen Umfragewerten sieht es so aus, als hätte Schwarz-Gelb mit 46,5% einen kleinen Vorsprung gegenüber Grün-Rot mit 44,75%. Die Option auf Grün-Rot-Rot besteht nicht in diesem Szenario. Möchte man hier Schwarz-Gelb helfen, so wählt man die Partei seiner Präferenz, CDU oder FDP. Möchte man hingegen Grün-Rot helfen, so hat man hier die Wahl zwischen Grünen und SPD - soweit nichts aufregendes. Je nachdem, wie knapp es für die LINKE in den Umfrageergebnissen aussieht, müssen vor allem Wähler, deren Erstpräferenz eine Rot-Rot-Grüne Koalition ist, entscheiden ob sie das Risiko eingehen, ihre Stimme zu verschenken (indem sie die LINKE wählen) um dieses Szenario abzuwenden, oder ob sie ihre Zweitpräferenz (mutmaßlich Rot-Grün) wahrscheinlicher machen.

Die FDP schafft die 5%-Hürde nicht

Wenn die FDP die 5%-Hürde nicht nimmt, hat die CDU im besten Fall noch 48,25%, um alleine zu regieren, vermutlich aber so wenig, dass es zu einer Grün-Roten Regierung kommt. Das ist also gewissermaßen der schlimmst-mögliche Fall für Anhänger von Schwarz-Gelb, aber auch für Anhänger der CDU allein. Diese sollten also FDP wählen, wenn es mit der 5%-Hürde knapp ist. Möchte man dieses Szenario eher befördern, so kann man sich seine Lieblingspartei aus Rot-Rot-Grün heraussuchen, wobei die LINKE wiederum das Risiko einer verschenkten Stimme birgt.

Die SPD und die GRÜNEN bekommen so wenig Stimmen, dass es nicht für Grün-Rot reicht

In diesem Szenario wird entweder eine Schwarz-Gelbe Koalition das Steuer übernehmen oder aber es reicht zusammen mit der LINKEN doch für eine Grün-Rot-Rote Regierungskoalition. Hier ist es also für Anhänger von Grün-Rot von großem Vorteil die LINKE zu wählen. Für Anhänger von Schwarz-Gelb gibt es keine Möglichkeiten, dieses Szenario irgendwie zu beeinflussen, außer die Wunschpartei zu wählen - es sei denn, die FDP schafft die 5%-Hürde nicht, dann könnte Grün-Rot-Rot plötzlich deutlich vor der CDU liegen.

Abschließende Bemerkungen

Man könnte nun noch mehr Szenarien, mit konkreten Zahlen, betrachten und diese mit Wahrscheinlichkeiten versehen und so eine Wahlstrategie entwickeln. Ich denke, das ist momentan noch nicht nötig, wird aber ca. eine Woche vor der Wahl notwendig sein. Dann wird nämlich klar, wie wahrscheinlich ein Einzug von LINKE und FDP in den Landtag wirklich ist - und ob die entsprechenden Stimmen verschenkt sein werden, oder ob man mit seiner Stimme gerade noch der Partei als Mehrheitsbeschaffer einer Koalition in den Landtag helfen möchte.

Meine eigene Wahlpräferenz und resultierende Strategie ist auch schnell erklärt:

Am liebsten hätte ich eine Grüne Regierung - ohne die SPD wird daraus aber keine Mehrheit, darum ist Platz 1 meiner Präferenzliste eine Grün-Rote Regierung. Wenn es für diese Regierung knapp wird, habe ich nichts dagegen, die Linkspartei als Masse dazu zu nehmen, also landet auf Platz 2 eine Grün-Rot-Rote Regierung. Die eher unwahrscheinliche Schwarz-Grüne Regierung würde mich nicht besonders glücklich machen, aber auch nicht besonders unglücklich, sie landet auf Platz 3. Dann kommt eine noch unwahrscheinlichere Schwarz-Rote "große" Koalition auf Platz 4, schließlich eine Schwarz-Gelbe Koalition und auf dem letzten Platz die CDU allein.

Ich halte es momentan noch für relativ wahrscheinlich, dass die Linkspartei die 5%-Hürde nicht schafft. Die FDP wird aber m.E. noch locker darüber bleiben, und somit denke ich an das erste Szenario, welches ich oben vorgestellt habe. Darum werde ich die Grünen wählen.

Klar, das hätte ich jetzt auch völlig ohne Strategie machen können. Die ganze Überlegung ist ein bisschen überflüssig, könnte man meinen. Für FDP-Wähler und LINKE-Wähler ist das aber ganz anders. An dieser Stelle sei für wenig Überzeugte auch noch mal auf eine etwas mathematischere Analyse von Wahlen hingewiesen, die ich im letzten Jahr geschrieben habe.

Zum Schluss meine persönliche Wahlprognose - "es wird knapp":