Gravity and dark structure
Welcome to the EAAS workpackage 5! Here you will find short accessible descriptions of the scientific papers that have been published in the context of this EAAS workpackage. If something catches your interest, feel free to click the links to explore further!
What is this workpackage about?
When we look at a chair, we don’t usually think about the atoms it is made of. In a similar way, our current theories of the Universe describe what we see on large scales, without necessarily explaining the smallest underlying building blocks. In this workpackage, we ask a big question: could space, gravity, and even the structure of the Universe emerge from something more fundamental?
Today’s cosmological models rely on concepts like dark matter and dark energy to explain how the Universe expands and how structures like galaxies form. While these ideas work well, their true nature is still unknown. We explore whether a new perspective where space and gravity themselves are emergent could also explain these mysterious phenomena. Our research focuses on the deep principles behind how geometry and gravity might arise, as well as the broader implications of this idea, both for physics and for how we understand the Universe.
On Algebraic Background-Independence
[Dutch follows english]
Modern physics has two highly successful theories: quantum physics and Einstein’s general theory of relativity. The former describes reality at the smallest scales—those of atoms and elementary particles—while the latter describes reality on large scales, including the evolution of planets, stars, black holes and, to some extent, the universe as a whole.
Despite their success, the two theories have never been fully reconciled. Several approaches in physics attempt to describe such a theory of “quantum gravity”, but none is currently regarded as fully satisfactory. An alternative strategy is to consider, from a more philosophical perspective, what a theory of quantum gravity should look like in the first place, and which features of general relativity and quantum mechanics it should incorporate.
One idea is that a theory of quantum gravity should be “background-independent”. In general relativity, space and time are not a fixed, absolute backdrop against which the theory is formulated. Instead, together they form a dynamic stage that interacts with matter and is governed by equations of motion. General relativity therefore does not depend on a particular, fixed spacetime background: space and time are treated on the same footing as matter. This is widely regarded as the most important lesson general relativity has taught us about the universe. For this reason, physicists believe that it should also be incorporated into a theory of quantum gravity. Such a theory should therefore be a background-independent quantum theory, formulated without choosing a particular spacetime stage in advance. There is, however, no consensus on what background independence should look like in such a quantum theory. It is generally assumed that the spacetime background must be dynamic in some sense, but this can mean different things.
In this article, we examine a new approach to quantum gravity introduced in 2024 by Chandrasekaran, Longo, Penington and Witten (CLPW). This approach seeks to capture quantum gravitational effects by linking observable quantities directly to an observer in a closed universe—a universe with no “outside”, like our own. By linking these quantities directly to the observer, we can give them an operational meaning, in terms of what the observer can measure, without referring directly to the spacetime background in which they are defined. For this reason, Witten, among others, argues that this provides a background-independent approach to quantum gravity.
The aim of our article is to examine this claim from a philosophical perspective. We begin by comparing the CLPW approach with several definitions of background independence found in the philosophical literature. We conclude that the approach satisfies none of these definitions: they all require the spacetime background to be dynamic in some sense, which is not the case in the CLPW model. Witten’s use of the term “background-independent”, by contrast, seems to refer here to the fact that, to a certain extent, the theory can be formulated without referring to the spacetime background at all.
To capture Witten’s use of the concept, we introduce a new definition of what we call “algebraic background independence”. Here, “algebraic” refers to the mathematical tools used in the CLPW approach. It also indicates that this form of background independence applies not to an entire theory, but to the formulation of the observable quantities linked to the observer. Building on this, we introduce two further concepts: semiclassical and perturbative background independence. These are intended to describe the implications that the algebraic background independence of observer-linked quantities has for the theory as a whole.
We argue that these concepts are useful for evaluating approaches, such as CLPW’s, that do not aim to provide a complete theory of quantum gravity—which would have to be fully background-independent in the dynamic sense—but instead seek to study quantum gravitational effects within a more familiar theoretical framework.
Nederlands
De moderne natuurkunde kent twee zeer succesvolle theorieën: quantumfysica en Einstein’s algemene relativiteitstheorie. Die eerste beschrijft de werkelijkheid op het kleinste niveau – dat van atomen en elementaire deeltjes – terwijl de laatste juist de werkelijkheid op grote schaal beschrijft, waaronder de evolutie van planeten, sterren, zwarte gaten en tot op zekere hoogte dat van het universum als geheel.
Ondanks het succes van beide theorieën is het nooit gelukt om de twee te verenigen. Er zijn verschillende benaderingen binnen de natuurkunde die zo’n theorie van ‘quantumzwaartekracht’ proberen te formuleren, maar geen daarvan wordt op dit moment als volledig toereikend beschouwd. Een andere strategie is om op een meer filosofisch niveau na te denken over hoe een theorie van quantumzwaartekracht er überhaupt uit zou moeten zien, en welke kenmerken van relativiteitstheorie en quantummechanica deze moet omvatten.
Zo bestaat er het idee dat een theorie van quantumzwaartekracht ‘achtergrondsonafhankelijk’ moet zijn. In de relativiteitstheorie zijn ruimte en tijd namelijk niet een soort absolute achtergrond waarop de theorie is geformuleerd, maar vormen ze samen een dynamisch toneel dat is gekoppeld aan materie en onderworpen aan bewegingsvergelijkingen. Op deze manier is de relativiteitstheorie dus niet afhankelijk van een specifieke, vast gekozen ruimtetijdsachtergrond, maar staan ruimte en tijd op eenzelfde voet als materie. Dit feit wordt gezien als het belangrijkste wat relativiteitstheorie ons heeft geleerd over het heelal. En om deze reden geloven natuurkundigen dat dit ook moet worden meegenomen in een theorie van quantumzwaartekracht: dat zou dan dus een achtergrondsonafhankelijke quantumtheorie moeten zijn, geformuleerd zónder vooraf een bepaald ruimtetijdtoneel te kiezen.
Hoe achtergrondsonafhankelijkheid in zo’n quantumtheorie eruit moet zien, daar bestaat echter geen consensus over. In het algemeen wordt er verondersteld dat de ruimtetijdachtergrond op een of andere manier dynamisch moet zijn, maar dat kan verschillende dingen betekenen.
In dit artikel onderzoeken we een nieuwe benadering tot quantumzwaartekracht die in 2024 werd geïntroduceerd door Chandrasekaran, Longo, Penington en Witten (CLPW). Deze benadering tracht quantumzwaartekrachteffecten te vatten door waarneembare grootheden direct te koppelen aan een waarnemer in een gesloten universum – een universum zonder ‘buitenkant’, net zoals de onze. Door de grootheden direct aan de waarnemer te koppelen, kunnen we ze een operationele betekenis geven, in termen van wat de waarnemer kan meten, zonder te hoeven verwijzen naar de ruimtetijd achtergrond waarop ze leven. Daarom stelt Witten dat deze aanpak een achtergrondsonafhankelijke benadering van kwantumzwaartekracht realiseert.
Het doel van ons artikel is om deze laatste bewering vanuit een filosofisch oogpunt te onderzoeken. We beginnen met een vergelijking tussen de aanpak van CLPW en verschillende definities van achtergrondsonafhankelijkheid in de filosofische literatuur. Hierbij komen we tot de conclusie dat de aanpak van CLPW aan geen van deze definities voldoet: deze stellen namelijk allemaal dat de ruimtetijdachtergrond op een of andere manier dynamisch moet zijn, en dat is niet het geval in hun model. Witten’s gebruik van de term achtergrondsonafhankelijk lijkt daarentegen in deze context meer te gaan over het feit dat we, tot op een bepaalde hoogte, helemaal geen referentie aan de ruimtetijdachtergrond nodig hebben om de theorie te formuleren.
Om Witten’s bedoeling van het begrip te vatten, introduceren we een nieuwe definitie van wat we ‘algebraïsche achtergrondsonafhankelijkheid’ noemen. De term ‘algebraïsch’ slaat hier op het wiskundig instrumentarium dat CLPW voor hun aanpak gebruiken. Daarnaast wijst het ook op het feit dat achtergrondsonafhankelijkheid hier niet geldt voor een complete theorie maar voor de formulering van de grootheden die aan de waarnemer worden gekoppeld. Hierop voortbouwend introduceren we ook nog twee nieuwe begrippen: semiklassieke en perturbatieve achtergrondsonafhankelijkheid. Deze moeten beschrijven wat voor effect de algebraïsche onafhankelijkheid van de aan de waarnemer gekoppelde grootheden heeft op de theorie als geheel.
We betogen dat deze begrippen nuttig zijn voor het beoordelen van benaderingen zoals die van CLPW, die niet beogen een volledige theorie van quantumzwaartekracht te formuleren – een theorie die volledig achtergrondsonafhankelijk zou moeten zijn in de dynamische zin – maar die in plaats daarvan kwantumzwaartekrachteffecten proberen te bestuderen binnen een vertrouwder theoretisch kader.
