Review on Causal Dynamical Triangulation as a Candidate of the Quantum Theory of Gravity

15
Review on Causal Dynamical Triangulation as a candidate of the quantum theory of gravity C. W. Lim 1 and V. Scarani 2 Department of Physics, Faculty of Science, National University of Singapore, 10 Kent Ridge Road, Singapore 11756 Abstract In this undergraduate research opportunities program in science (UROPS), we study one of the most successful candidates of the theory of quantum gravity, the Causal Dynamical Triangulation (CDT). The project was motivated by the publication [1] by Ambjørn, Jurkiewicz and Loll in the success of CDT producing the correct dimension of our universe in 2004. It marked the first time that a candidate of the quantum theory of gravity had successfully delivered the correct dimension from first principles. Here, we will not derive CDT formally or rigorously but rather we look into the methodologies employed by CDT and try to interpret the rationality behind the main tools. Introduction In the current context of our understanding of the universe, we have quantum physics which explains our microscopic regime and classical theories which describe our macroscopic world, demarcating the two “extreme range” of observation. Since ancient times, men are often motivated and driven by curiosity to explore the dimension of nature and extending our understanding of physical phenomena to even deeper and wilder territories. What we observe is what we deserve. Thanks to curiosity, we discovered that material entities can behave like waves and exhibit interferences patterns. We answered the nature with a mathematical tool called “quantum mechanics” and extended it to “quantum field theory”. If you take a step back and look at the development patterns of our sciences, you will realise that our fundamental theories are often driven by the observations we had or phenomena that we cannot explain, for example electromagnetism. You can also argue that the theory of classical gravity developed by Albert Einstein wasn’t observed but was created from “though experiments”, however human’s thoughts and imaginations are simply manifestation of our interactions and experiences with the “observable” universe. Gravity in our observable or observed dimension of the universe is well described by the general theory of relativity (GR), it shows that both matter (mass) and space‐time structures are correlated and are co‐exist with one and other. However in quantum physics, the arena for the dynamics of the system is usually formulated on a flat, four 1 Student 2 Supervisor

Transcript of Review on Causal Dynamical Triangulation as a Candidate of the Quantum Theory of Gravity

Page 1: Review on Causal Dynamical Triangulation as a Candidate of the Quantum Theory of Gravity

Review on Causal Dynamical Triangulation as a candidate of the quantum theory of gravity 

C. W. Lim1 and V. Scarani2 

Department of Physics, Faculty of Science, National University of Singapore, 10 Kent Ridge Road, Singapore 11756 

Abstract 

In this undergraduate research opportunities program in science (UROPS), we study one of the 

most  successful  candidates  of  the  theory  of  quantum  gravity,  the  Causal  Dynamical 

Triangulation (CDT). The project was motivated by the publication [1] by Ambjørn, Jurkiewicz 

and  Loll  in  the  success  of  CDT  producing  the  correct  dimension  of  our  universe  in  2004.  It 

marked  the  first  time  that  a  candidate  of  the  quantum  theory  of  gravity  had  successfully 

delivered the correct dimension from first principles. Here, we will not derive CDT formally or 

rigorously but rather we look into the methodologies employed by CDT and try to interpret the 

rationality behind the main tools.  

Introduction 

In  the  current  context of our understanding of  the universe, we have quantum physics which 

explains our microscopic regime and classical theories which describe our macroscopic world, 

demarcating  the  two  “extreme  range”  of  observation.  Since  ancient  times,  men  are  often 

motivated  and  driven  by  curiosity  to  explore  the  dimension  of  nature  and  extending  our 

understanding of physical phenomena to even deeper and wilder territories. What we observe 

is what we deserve. Thanks  to  curiosity, we discovered  that material  entities  can behave  like 

waves  and  exhibit  interferences  patterns. We  answered  the  nature with  a mathematical  tool 

called “quantum mechanics” and extended it to “quantum field theory”. If you take a step back 

and  look  at  the  development  patterns  of  our  sciences,  you will  realise  that  our  fundamental 

theories are often driven by the observations we had or phenomena that we cannot explain, for 

example electromagnetism. You can also argue that the theory of classical gravity developed by 

Albert Einstein wasn’t observed but was created from “though experiments”, however human’s 

thoughts  and  imaginations are  simply manifestation of our  interactions  and experiences with 

the “observable” universe. Gravity  in our observable or observed dimension of the universe is 

well described by  the  general  theory of  relativity  (GR),  it  shows  that both matter  (mass)  and 

space‐time structures are correlated and are co‐exist with one and other. However in quantum 

physics,  the  arena  for  the  dynamics  of  the  system  is  usually  formulated  on  a  flat,  four                                                             1 Student 2 Supervisor 

Page 2: Review on Causal Dynamical Triangulation as a Candidate of the Quantum Theory of Gravity

dimensional Minkowski space. Obviously, there is a conflict of background here as deem by GR 

and quantum physics. What  follows next  is  that many distinguish physicists and philosophers 

have  tried  and  failed  to  generalize  both  the  quantum  theory  and  classical  theory  of  gravity. 

Popular  models  like  the  string  theory  and  loop  quantum  gravity  (LQG)  are  painstakingly 

developed but none have produced  convincing  results  yet. However a  life  line was  thrown  in 

2004 when causal dynamical triangulation (CDT) managed to produce the correct dimension of 

our  universe.  Now  that  we  have  a  convincing  candidate,  we  look  into  the  concepts  and 

methodologies  and  try  to  interpret  its  capabilities  and  limitations.  First, we will  re‐visit what 

constitute a proper “theory of science” to have a good gauge to review this relatively new model 

from the first principles. Secondly, we do a conceptual and process orientated study on CDT and 

interpret its features. Lastly, we will discuss about CDT possible future directions and conclude 

our view on this candidate of the quantum theory of gravity. 

Fundamental features of a scientific theory with CDT in mind 

Influential  20th  century  philosopher  of  science,  Karl  Popper  stated  that  any  scientific  theory 

should  be  falsifiable.  Here,  falsifiable  means  that  the  theory  must  be  able  to  make  definite 

predictions that which are capable of being verifiable through our observations or experiences. 

He added that any scientific theories that do not satisfy this condition are called pseudo‐science, 

delegating them from proper science per se. An example of a falsifiable theory is GR which made 

very precise  prediction  of  the  classic  field when  subjected  to  system boundary  conditions.  In 

contrast, an example of non‐falsifiable theory would be able to fit into any empirical data to give 

consistency  to  its  principle  ideas.  However,  pseudo‐sciences  do  contribute,  notably  the 

discovery of planet Neptune by Adams and Leverrier. Of course, Popper’s criteria are one of the 

many definitions of a scientific theory, but here we are studying a candidate that was developed 

from the first principles and hence it is absolutely reasonable to apply this qualification to CDT. 

For  all  scientific  theories,  it  is  a  requirement  that  its  predictions  are  able  to  be  verified 

experimentally. If this is not met, then we will have countless of theory of everything (TOE) or 

grand unified theory (GUT). This statement that we are using here must be carefully dealt with, 

in a sense that we are not claiming that if a theory is verified experimentally to be true then it 

must be  the  absolute description of  the phenomena.  It  only  qualifies  to  describe  the physical 

phenomena  correctly  to  a  certain  order  or  magnitude;  there  can  be  other  approaches  or 

theories that can equally describe the phenomena correctly as well.  

    For  a  quantum  theory  of  gravity,  in  order  to  observe  the  activities  or  behaviour  of  the 

quantum structure of space‐time, we have to look at the Planck  length of order∼10­35 m. If you 

have  in mind  the  large hadron collider  (LHC) which  is  capable of up  to 14TeV  center of mass 

Page 3: Review on Causal Dynamical Triangulation as a Candidate of the Quantum Theory of Gravity

energy for protons‐anti‐protons collision then we are ten plus order off the required resolution. 

This  only  implies  that  we  are  still  far  from  being  able  to  verify  the  any  quantum  theory  of 

gravity.  Hence  it  will  be  very  important  to  set  some  rules  for  the  qualification  of  a  possible 

candidate  here.  Loll  [2]  has  defined  clearly  the  basic  requirement  for  a  possible  candidate  of 

quantum theory of gravity, it is as follows: 

“To  look  for  a  consistent  theory  of  quantum  gravity,  which  describes  the 

dynamical  behaviour  of  space­time  geometry  on  all  scales  and  reproduces 

Einstein’s  theory  of  general  relativity  on  large  scales. But at  the  same  time,  it 

should also predict new observable phenomena.” Loll (2008) 

From  the  extract,  Loll  has  included  that  any  candidate  must  be  able  to  at  least  provide 

observable predictions and cough out Einstein’s theory of general relativity at large scales. We 

must re‐emphasis here that the game is to develop a theory from first principles so that it will 

have properties of quantum behaviour and classical field behaviour at corresponding regime. It 

is not as trivial as to say we modify quantum theories to encompass Einstein’s GR or vice versa. 

For a clearer qualification, we propose a generalized set of guide‐lines that allows more freedom 

for the candidates but yet without modifications to our current valid understandings. 

i. The  candidate  should  be  background  independent,  to  say  that  is  to  mean  that  the 

candidate’s quantum theory must not assume a fixed metric background. This is due to 

the  fact  that  quantum  theory  of  gravity  should  be  able  to  describe  the  highly  curved3 

space‐time at Planck length, which in turn relies on formalism procedures of GR. 

 

ii. The approach should be non‐perturbative. This second guide stems from the first guide 

which states that the candidate should be background independent, hence less the need 

for any perturbations or approximations around some fixed backgrounds. 

 

iii. When scaled to large distances, the candidate must be able to reproduce classical fields 

describing our observed universe. This is to relieve the candidate of strictly reproducing 

Einstein’s GR; as mentioned, the GR should be only one of the possible ways to describe 

our space‐time structures. Essentially, the fundamentals of GR and results stays but the 

methodologies can be different. Hence, numerical expressions must be matched but not 

algebraic expressions. 

 

                                                            3 The highly curved space‐time structure at Planck Length is simply a prediction due to uncertainty relation. 

Page 4: Review on Causal Dynamical Triangulation as a Candidate of the Quantum Theory of Gravity

iv. Since  the  candidate  seeks  to  explain between  two  limiting distances  (microscopic  and 

macroscopic), there should be a transition in dimensions and this transition should yield 

new observable predictions as this transition range is within our measurable regime. 

 v. The  candidate  at  appropriate  quantum  regime  should  fulfil  all  quantum  physics 

postulates and not necessarily background dependent. It should still be able to describe 

quantum‐classical  transition under  the  transition of  the  space‐time  to  larger  scale,  for 

example the correspondence principle. 

 

Now  that we have defined a  set of  rules  for  the  candidates of quantum  theory of  gravity  that 

allows  us  to  verify  it  in  our  “observable  range”,  we  can  go  ahead  and  study  CDT  and  its 

methodologies.  

    To add on to this section, we want to note that the candidate should be able to approach from 

any directions  in  formulating  the quantum  theory of  gravity. Explicitly,  it  can  choose  to build 

quantization  into  GR  and  use  it  as  a  starting  point  (Planck  Length)  then  scale  it  to  classical 

length or  it  can  ignore the  idea of highly curved space‐time at Planck  length to build GR from 

some assumed random curvatures. This is in response to that fact that if we wish to develop the 

quantum  theory  of  gravity  from  first  principles  rather  than  to  extend  either  quantum  or 

classical  models.  The  crucial  point  we  want  to  highlight  here  is  that  the  Heisenberg’s 

uncertainty  relation may  depend  on  the  space‐time  structure  (discrete  or  smooth)  since  it  is 

spatial dependent. This is an area of quantum gravity which hasn’t been explored yet. 

Causal Dynamical Triangulation 

To  remind  the  readers  of  our  objectives  in  this  UROPS  report,  we  do  not  derive  or  follow 

rigorously  the  formalism  of  the  CDT  but  rather  interpret  the main  ideas, methodologies  and 

results. For more explicit formalism of CDT, readers can refer to [1], [3], [4], [6] and [7]. 

    In causal dynamical triangulation, the main framework mainly consists of two tools. First, the 

Feynman’s  path  integral  with  each  possible  evolution  of  the  space‐time  structures  as  the 

configurations  of  virtual  paths  and  the  second  tool  as  Regge  calculus. While  path  integral  is 

highly publicised and employed in many areas, Regge calculus is less popular and is seen as the 

most efficient method to obtain numerical solutions to classical field theories, mainly the GR. To 

see why CDT chooses to employ path  integral as  its directing officer and Regge calculus as  its 

manpower officer, we need to identify the approach that CDT is taken here. It is clear that CDT 

assumes that the uncertainty relation is independent of the discretization and seeks to quantize 

Page 5: Review on Causal Dynamical Triangulation as a Candidate of the Quantum Theory of Gravity

the  space‐time  structure  from  the  start.  In  figure  1,  we  listed  the main methodology  of  CDT 

starting from path integral.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    With the flow of methodologies in view now, we can then proceed and examine each process 

in details.  

Gravitation quantum path integral 

The gravitation path integral used in CDT is defined as the partition function of quantum gravity 

as  a  formal  integral  over  all  space‐time  structures weighted  by  the  complex  exponent  of  the 

classical Einstein‐Hilbert action. It is given as  

Gravitation Quantum Path Integral ⇒         The  integral here mainly serves as a direction but not yet mathematically defined. This is due to the fact  that  Einstein‐Hilbert  classical  action  serves  as complex weights and the space of integration is yet to be defined. 

Regge Calculus (Causality built in)

Lattice field Model regularization

Path Integral Monte Carlo (PIMC)

⇒     The geometries that we are computing here are in  principles  still  classical  diffeomorphism‐manifolds or  smooth  mapping  space‐times.  By  using  Regge calculus here, we are using discrete building blocks to approximate the smooth manifold. The problem here is how to decide on the effective cut off range for the size of the building blocks. In additional, what makes CDT  stands out  from  the  crowd  is  that  it  introduces causality from the offset.

Introduces  quantization  of classical gravitation fields 

Impose  causality  on  all building blocks and discretize the  smooth  manifold  from path integral. 

⇒         Now our quantum  field have been discretized to  approximate  the  classical  smooth manifolds,  we need to be able to solve it to yield the solutions that we want. Here,  lattice  field  application  allows us  to make a gradual transition to classical field as the cut off parameter goes to zero.

All  the  space‐time  structures are  now  represented  with discrete  forms  but  with regularization  we  obtain back our  smooth  space  time at  macroscopic  scales  with finite scaling. 

⇒     With the path integration well defined now, we need  to  compute  the  integration with  large number of events. Using Monte Carlo simulation, one  is able to produce a macroscopic world of our universe with the correct dimension. The main idea is to employ the fluctuating lattice field model and use finite scaling to obtain the continuum. 

Wick rotation of time 

Figure 1. The generic flow for causal dynamical triangulation.

Page 6: Review on Causal Dynamical Triangulation as a Candidate of the Quantum Theory of Gravity

  ( ) ( )( )( )

( )

0

0 Einstein Hilbert

g TiS g

g

g g T T D g e − ⎡ ⎤⎣ ⎦= ⋅ ⋅∫   Z , ; :    (1) 

And the Classical Einstein‐Hilbert action as 

  ( )41: = 2Einstein HilbertN

S g d x g RG−

⎡ ⎤ − Λ⎣ ⎦ ∫ det   (2) 

The GN  is defined as the Newton gravitation constant, g as the space‐time metric and Λ as  the 

cosmological constant. The importance of dependence on Λ is not obvious until when CDT tries 

to generate a de Sitter4 universe. 

    It is important to emphasis here that the path integral is not yet well defined but only serves 

as an intention/direction in the formulation of CDT. We have yet to determine and decide on the 

integration space or conditions whereby the  integral will converges  to. Moreover,  the  integral 

do  not  pre‐determine  the  background metric  like  the  formalism of  quantum  field  theory  and 

exhibit  diffeomorphism  invariance  property. Here,  the  diffeomorphism  applies  to  the  class  of 

space‐time structures that we are considering. This class of diffeomorphism manifolds or range 

of integration measures we are computing is causal, Lorentzian space‐time structures in nature 

and can maps into another class as long it preserves its structures. 

Regge Calculus with causality encoded in each four­dimensional simplex 

Now  that  we  have  got  a  smooth  or  diffeomorphism  class  of  space‐time  structures  as  our 

integration space, how are we going  to quantify  it and gain numerical  solutions  from such an 

integral?  The  answer  will  be  to  use  the  classical  Regge  calculus,  which  is  essentially 

triangulating classical manifolds. Triangulation is a mathematical method or rather unphysical 

mathematical tool to approximate the smooth manifolds. It employs “simplices” or fundamental 

building blocks to construct the classical space‐time solutions of Einstein’s GR. These simplices 

are objects  that  can be assigned with restrictions or parameters  to achieve certain manifolds. 

For  example,  CDT  imposed  an  extra  restriction  of  causality  on  the  simplices  as  compared  to 

Euclidean triangulation which ignore this restriction.  

                                                            4 The de Sitter universe is the exact solution to Einstein’s General relativity with just cosmological constant to define  the dynamics of  the space‐time  structure. No ordinary mass or matters are  computed  inside  this de Sitter model. 

Page 7: Review on Causal Dynamical Triangulation as a Candidate of the Quantum Theory of Gravity

                                       

 

Shown  in  Figure  2,  we  can  see  that  regularizing  a  smooth  manifold  gives  us  back  an 

approximation  of  the  smooth  manifold.  With  Regge  calculus,  we  have  in  hand  a  method  of 

unifying all possible diffeomorphism geometries as required of the integration space. That is to 

make use of 4‐simplices to build and construct space‐time structures with a glueing system. The 

glueing system simply is a set of rules that tells the simplices on how to interact and form bigger 

spaces;  this  is  in  analogy  with  swarm  intelligence.  Swarm  intelligence  is  a  unique  field  of 

behavioural  science  whereby  agents  possess  low  degree  of  freedom  (like  intelligence  or 

choices) but yet able to follow simple rules. By conforming to these rules, the lot of agents can 

exhibit global  intelligence of magnitude ten times more than an individual agent. Surprisingly, 

each  agent  just  interacts  with  surrounding  agents  locally.  They  somehow  emerge  with  a 

complex system with greater degrees of freedom.  

    CDT  defines  its  basic  building  blocks  or  simplices  as  4  dimensional  triangles.  The  four 

simplices follow the glueing system’s guides as: 

i. The curvatures of manifolds are localized at the vertices of the connected triangles. 

ii. The metric is flat or uniform inside each simplex. 

iii. Lengths of time connection and space connection are constant. They do not evolve. 

iv. A d‐dimensional simplical manifold can be created by gluing pairs of d‐simplices along 

their (d­1) faces. 

v. The notation of causality  is defined at the start and the connected simplices follow the 

same global time foliation. 

 

   

Regularize with 4‐simplices

Figure 2. The effects of regularizing a smooth manifold. 

Figure 3. Examples of d‐simplices, from left to right: triangle, tetrahedron and 4‐simplex. 

Page 8: Review on Causal Dynamical Triangulation as a Candidate of the Quantum Theory of Gravity

From here now, we can do some modification to expression (1) to gain some definition of the 

integration.  Up  to  this  point,  Regge  calculus  has  introduces  regularization  to  our  class  of 

diffeomorphism space‐time structures. So instead of integrating over all space‐time geometries, 

we do a summation of all causal triangulations. This gives us 

 ( )

( )( )

0

1 gge

Causal

Einstein Hilbert iS gN

g g

g TiS g

g

Z G eC

D g e − ⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎣ ⎦⎣ ⎦

Λ : = ⋅ ⋅ → ∑∫G

Re,   (3) 

Here, the Cg is the order of the automorphism class of the triangulation. Its presence is to serve 

as  a  correction  to  the  summation  of  all  causal  triangulations;  in  fact  it  can  be  seen  as  an 

endomorphism whereby the causal  triangulation maps more than once to  itself  if  it possesses 

symmetry. 

Euclidean­Regge Wick rotation 

As  depicted  in  figure  1, we  have  to  perform  a Wick  rotation  and  compute  expression  (3).  In 

evaluating  the quantum path  integral  in QFT, we have  to do  the Wick rotation by analytically 

continuing  the  time variable  to  an  imaginary  time axis. This means we will be  converting  the 

problem  from Lorentzian  to Euclidean  space‐time. This will not preserve  the  causality notion 

that CDT installed in the first place.   In the conventional approach of Wick rotation in QFT, we 

have 

  Lorentzian EuclideaniS S→ −   (4) 

We then sum up over all the Euclidean space‐time structures. What we can do here is to modify 

this approach to keep the causality. The CDT’s Wick rotation is then defined as 

  ( ) ( )Lorentzian Lorentzian Euclidean EuclideaniS iS T S iS T= → − = Regge Regge   (5) 

By invoking the CDT’s Wick rotation, we obtain a statistical physics problem (partition function) 

from quantum physics problem.  

  ( ) 1 gge Euclidean

Euclidean

S TN

T g

Z G eC

⎡ ⎤⎣ ⎦Λ : = ∑ Re,   (6) 

Even as the above expression do not contains any Lorentzian space‐time, the causality notion is 

still embedded inside the summation by the corresponding Euclidean‐Regge action.  

 

Page 9: Review on Causal Dynamical Triangulation as a Candidate of the Quantum Theory of Gravity

Lattice Regularization 

In  fact,  we  have  already  incorporated  Lattice  field  regularization  inside  expression  (6).  By 

defining the edges of the 4‐simplices as parameter a, we are designating the field regularization 

here.  As the limit for 0a → , we get an approximation of our classical fields. Simply put, lattice 

regularization  is  to approximate quantum  fields with  lattice  structures  (in CDT’s  case, we are 

using Regge calculus’s simplices  instead of cubes) as  finite scaling  takes place. Hence much of 

the works are achieved in quantum Regge calculus (combination of classical Regge calculus and 

Lattice field theory) which we have followed through. 

Monte Carlo Simulation guide of 3­D universe   

The  purpose  of  a Monte  Carlo  section  here  is  to  serve  to  give  completeness  to  the  CDT.  For 

simplicity  reasons, we shall  study a publication by Zhang  [5]  in his numerical method  for a 3 

dimension universe. From the previous sections, we have an expression that is well‐defined and 

computable.  The  integration  space  or  summation  is  to  be  over  all  Euclidean‐Regge 

triangulations (each corresponds to the constructed Lorentzian triangulation) and we will take 

Cg  to  be  15.  In  addition,  the  time  and  space  connection  lengths  are  matched6  to  1  for  this 

simulation. 

Starting from Euclidean Regge action, CDT [3] defines the discrete action version as 

 3

3 3 0 0EucS k N k N= −Reg‐   (7) 

Where the dimensionless coupling constants are 

  0N

akG

=   (8) 

 3

3

3 1 14 348 2 NN

a akGG ππ

⎛ ⎞Λ= + −⎜ ⎟

⎝ ⎠arccos   (9) 

Here N0 is the number of vertices and N3 is number of tetrahedra. 

 

                                                            5  The  reason  for  setting  the  factor  1/Cg=1  is  based  on  the  general  observation  in  the  theory  of  critical phenomena that we do not expect the detailed choice of measure to affect the results. 6 Remember that in the glueing system we defined that both the length of time and space connections must be constant. Here, for simplicity reason we set them to match one and other. This is to say that we set both time and space as equal footing, hence working in Euclidean section first. 

Page 10: Review on Causal Dynamical Triangulation as a Candidate of the Quantum Theory of Gravity

The expression (6) is then re‐written as 

  ( ) 3 3 0 0

0 3

1

Euclidean

k N k N

T g

Z k k eC

⎡ ⎤−⎣ ⎦ : = ∑ ,   (10) 

For  a  3  dimensional  problem,  our  building  blocks  or  simplices  are  limited  to  just  2 

configurations but 3 unique tetrahedra. They are (3 ,1), (1, 3) and (2 ,2) tetrahedra. 

 

 

 

With the triangulation glueing system as mentioned above, we know that a causal triangulated 

space‐time structure is fabricated once a pair of tetrahedron is glued together. From this space‐

time structure, we need to know that how these structures are allowed to move accordingly to 

the glueing system. Basically, these moves will be our Monte Carlo moves. First, we know that a 

3  dimension  triangulated  space‐time  structure  can map  onto  another  structure  as  long  they 

belongs to the same proper time slice. It is easy to see this if we slice the evolution of the space‐

time structure at a specific proper time (or global time). Secondly, we want to know how these 

movements affect the number of tetrahedra. We define this move by (m, n) whereby the move 

will  replace  the m  tetrahedra with  the n  tetrahedra.  In  addition, we want  to  characterize  the 

tetrahedra  with  4‐tuple  vertices  to  keep  note  of  the  glueing.  Lastly,  we  do  not  want  to 

distinguish moves that are mirror images of themselves in the slices.  

 

 

 

Figure 4. The  (a) shows a  (3, 1)  tetrahedron which has another  reflection‐symmetry as  (1, 3) tetrahedron and (b) is a (2, 2) tetrahedron.  

Figure 5. The (2, 6) move.

Page 11: Review on Causal Dynamical Triangulation as a Candidate of the Quantum Theory of Gravity

 

 

 

 

Hence, we can observe that there will be five legal moves in total from figure 5‐7. These moves 

are (2, 6), (2, 3) and (4, 4) with their inverse moves (6, 2) and (3, 2). We have now defined the 

Monte Carlo moves and shall proceed to evaluate the summation in expression (10). Let’s define 

the expectation value of an observable with N measurements as  

 ( )

( )3 3 0 0

1Euclidean

k N k NEuclidean N

Ti

i

T eC

Z N

⎡ ⎤−⎣ ⎦⋅

= ≈∑

∑O

O O   (11) 

Where Ci  is  the Markov chain of configuration sampled during the simulation of random walk 

(Monte Carlo moves). By applying the Metropolis algorithm, Zhang simulated the 3 dimension 

universe  conditioned  on  the  acceptance  or  rejection  of  the Monte  Carlo moves  based  on  the 

change  in  Euclidean  action. What  if  left  now  is  to  run  the Monte  Carlo moves  to  explore  the 

phase space of the system. This is achieved by say varying the dimensionless coupling constant 

k0 from 1 to 6. We then choose the observable as the order parameter7 as the ratio between the 

total (2, 2) simplices and total space time volume N3. In other hand, we can also choose the ratio 

(3, 1) or  (1, 3)  simplices  to N3 as our order parameter, but we have  to use  larger numbers of 

events/moves to run the simulation due to the anti‐symmetry of  its geometry. Zhang [5] used 

two  test  configurations  to  probe  the  phase  change  in  the  system,  the  two  test  space‐time 

configurations are: 

                                                            7 Here, the purpose to choose the order parameter to observe the change in the phase space with two test configurations below and after the identified critical point. 

Figure 6. The (4, 4) move.

Figure 7. The (2, 3) move.

Page 12: Review on Causal Dynamical Triangulation as a Candidate of the Quantum Theory of Gravity

  ( )2 2

38 8000

1

T V

NTriangulation

N= =

=

,

,

  (12) 

  ( )2 2

332 32000T V

NTriangulation

N= =

=

2,

,

  (13) 

With these two test configurations, the plot for the expectation value of the order parameter to 

the dimensionless coupling constant k0 from [2] is shown in figure 8. 

 

 

The  critical  point  is  observed  to  be  around k0 = 3.3  and  from  this  value,  the  before  and  after 

phase changes were plotted for spatial volume N2 against time.  

 

 

Figure 8. Plot of expectation values of order parameter N22/N3 as a function of k0. 

Figure 9. The  left plot  is  the phase space  for K0 < 3.3 and  the right plot is K0  > 3.3. 

Page 13: Review on Causal Dynamical Triangulation as a Candidate of the Quantum Theory of Gravity

 

  From  figure  9,  we  see  that  the  left  plot  for  the  phase  space  k0  <  3.3  shows  a  well  behaved 

geometry. What is important here is that the successive spatial slices are strongly coupled and 

exhibit near classical universe structure. In fact the left plot is well described by the Friedmann 

universe which is an exact solution of Einstein’s GR for a homogeneous and isotropic expanding 

universe. To get more information out, we measure the Spectral dimension by doing a diffusion 

process on the discretized geometric ensemble.   We will not discuss this  in depth but readers 

can refer to [7] for a more detailed method on how to conduct a diffusion process for quantum 

gravity. 

    The basic idea for diffusion process is to do a random walk in a specified space‐time structure 

after we have determined the correct phase in the system. For Zhang’s example, we take the K0 = 

2.0  as  shown  in  the  left  plot  of  figure  9.  We  simply  pick  any  random  tetrahedron  and  do  a 

random walk to any of the four surrounding neighbouring tetrahedra. Each move is counted as a 

step, and with a large number of successive steps, we want the walk to return to the original or 

starting  tetrahedron.  So  let  us  define  the  probability  of  starting  and  returning  to  the  same 

tetrahedron  with  n  steps  as  P(n).  It  is  then  important  to  give  equal  chances  to  all  existing 

tetrahedron  and  those  that  are  in  the  extended  spatial  slices.  It  is  known  that  the  return 

probability for diffusion on a fractal or discrete geometry is 

  ( ) 2DP n n−≈ /   (14) 

And the diffusion time is taken to be much smaller than total number of tetrahedra to the power 

of 2/D, where D is the spectral dimension that we are interested in. The spectral dimension can 

be extracted out by taking the logarithmic derivative and approximate as 

  ( ) ( )( )( )

2d P n

D n finite size correctionsd n

= − + − log

log  (15) 

Where the finite size corrections are due to the scaling method in Lattice field model.  

We  should  expect  then  the  expression  (15)  to  converge  to  3  dimensions  when  dealing  with 

tetrahedra and 4 dimensions when applied to 4‐simplices.  

Discussions and Conclusion 

In the first section of this report, we discussed about the validity of a scientific theory with the 

orientation aligned with a quantum theory of gravity and the guide to achieve such a model. We 

Page 14: Review on Causal Dynamical Triangulation as a Candidate of the Quantum Theory of Gravity

also highlighted some of the assumptions like the uncertainty relation’s dependency on space‐

time  structures  discretization  and  the  possible  approaches  that  any  candidate  can  take. 

Following this was the conceptual study of CDT’s methodologies and an example of 3 dimension 

universe  simulation  by  Zhang. With  these  two materials  in  hands  now,  we  can  examine  the 

rationality that CDT have taken. 

So far with all the numerical experiments conducted with CDT till now, it has produced 

i. Classical behaviour of the quantum universe at the macroscopic regime; the emergence 

of  a  stable and extended quantum geometry which  is  correctly 4 dimensional  at  large 

scales  and well  described  by  the  Friedmann  universe.  The  result  also  agrees with  de 

Sitter universe in the case of employing the cosmological constant Λ only. 

ii. The CDT observes strong deviations from the classical behaviour at microscopic scales, 

with extrapolation  to very short distances,  the space‐time structures are  fractural and 

effectively 2 dimensional. 

These two results with the assumptions of CDT have fulfilled all but one of our proposed guide‐

lines. That is to say how can we observe or measure the transition of the dimensions. Without 

this  requirement,  the  candidate may not  be  a  valid  one  yet.  Adding  on, we want  to  note  that 

there are some assumptions that CDT made but yet contradicts with its interpretations. Firstly, 

the  geometrical  basic  building  blocks  are  nothing more  than mathematical  approximation  or 

unphysical entities that serve to regularize our classical smooth manifolds. What comes next is 

that these entities obey a glueing system and when accumulated, they produce classical space‐

time  structure  behaviours.  That  is  to  say,  we  have  to  assume  that  they  are  indeed  real  and 

physical  entities  if  we  were  to  move  on  to  lattice  field  approximation  and  phase  transition 

simulation. Analogously, atoms and particles in phase transitions are real and they interact with 

one  and  other,  hence  the  possibility  of  critical  phase  and  a  transition  in  phase. What  CDT  is 

doing is to map the behaviour of phase transition over to these simplices and based on a set of 

glueing  system  emerged  a  well  behaved  and  stable  classical  universe.  Maybe  it  is  not  that 

important  to  say  if  the  simplices  are  real  or  unphysical  explicitly  as  they  are  indeed  not 

observable at very short distances (they are shown to be 2 dimensional and fractal). But from 

the assumptions, these microscopic discrete structures must have interaction so that a classical 

field is produced. In addition, we have yet to know if the uncertainty relation is dependent on 

the  discreteness  of  the  background  structure  or  not.  The  general  idea  is  that  uncertainty 

relation  is a  fundamental property of nature and  is universal at all  scales  that are smooth. By 

applying  this  relation  to  Planck  length,  we  will  have  huge  fluctuation  in  energy  and  by  the 

understanding of GR, this means that we will have highly curved fluctuation in space‐time. But 

Page 15: Review on Causal Dynamical Triangulation as a Candidate of the Quantum Theory of Gravity

will  our  uncertainty  relation  still  holds  for  a  discretized manifold  like  it  does  on  the  smooth 

manifold?  This  deserves  some  attention  if  any  candidate  wishes  to  state  that  uncertainty 

relation will  emerge  due  to  the  transition  of  dimensions, which  is  reasonable.  This  is  also  in 

accordance with our proposed guidelines for a quantum theory of gravity. 

    As a summary, we would like to say that the Causal Dynamical Triangulation has successfully 

shown that it can retrieve back the observed universe at large scales. It is developed from first 

principles based on independent of background and non‐perturbative approach. However, in its 

manner of  progression,  it  employs  techniques  that  are only  computable  through Monte Carlo 

simulations. We must be careful here because of the infinitely free parameters that we can play 

with.  It  is  like  introducing more and more degrees of  freedom along  the way to achieve some 

desired effects. Nevertheless, unless CDT can predict some observable phenomena that can be 

measured, this candidate can only serves as a theory to pseudo quantum theory of gravity. 

References 

[1] J. Ambjørn, J. Jurkiewicz and R. Loll, Emergence of a 4D world from causal quantum gravity, 

Phys. Rev. Lett. 93 (2004) 131301 [arXiv: hep‐th/0404156]. 

[2] R. Loll, Quantum gravity on your desktop,  Classical  and Quantum gravity 2  (2008) 114006 

[arXiv: 0711.0273, gr‐qc]. 

[3] J. Ambjørn, J.  Jurkiewicz and R. Loll, Dynamically triangulating Lorentzian quantum gravity, 

Nucl. Phys. B 610 347‐382, (2001) [arXiv: hep‐th/0105267]. 

[4] J. Ambjørn, J. Jurkiewicz and R. Loll, Non­perturbative 3d Lorentzian quantum gravity, Phys. 

Rev. D64 044011 (2001) [arXiv: hep‐th/0105267]. 

[5] J. Z. Zhang, Causal Dynamical Triangulations of Quantum Gravity in Three dimensions, Cornell 

University (2007). 

[6]  J.  Ambjørn,  J.  Jurkiewicz  and R.  Loll, The universe  from  scratch, Contemp.  Phys.  47  (2006) 

103‐117, (2001) [arXiv: hep‐th/0509010]. 

[7]  J.  Ambjørn,  J.  Jurkiewicz  and  R.  Loll, Reconstructing  the  universe,  Phys.  Rev.  D  72  (2005) 

064014 [arXiv: hep‐th/0505154].