Welcome toThe Propagation of Light in Causal Set Theory Spring 2009 Jake Askeland, Jonathan Baptist,...

68
The Propagation of Light in Causal Set Theory Introduction Space-time and Light Causal Sets Feynman Our Discrete Model Johnston Goal and Results Computation The Future Welcome Welcome to CAMCOS Reports Day Spring 2009

Transcript of Welcome toThe Propagation of Light in Causal Set Theory Spring 2009 Jake Askeland, Jonathan Baptist,...

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Welcome

    Welcome to

    CAMCOS Reports Day

    Spring 2009

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    The Propagation of Light in Causal Set Theory

    Spring 2009

    Jake Askeland, Jonathan Baptist, Miranda Braselton,David von Gunten, Douglas Mathews, Duncan McElfresh,

    Cheuk Wong

    In collaboration with NASA Ames Research Center, Dr. Jeff ScargleCAMCOS Advisor: Slobodan Simić

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Outline

    1 Introduction

    2 Space-time and Light

    3 Causal Sets

    4 Feynman

    5 Our Discrete Model

    6 Johnston

    7 Goal and Results

    8 Computation

    9 The Future

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Introduction: Relativity

    Einstein discovered Relativity.

    Relativity is a physical theory that explains how gravityworks.

    Relativity gives good results at large distances.

    It describes how planets move and why solar systems areshaped the way they are.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Introduction: Quantum Mechanics

    Quantum Mechanics describes how tiny things interact.

    It describes how atoms move and are structured.

    Quantum Mechanics gives nondeterministic results, sopredictions of events are in probabilities.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Introduction: Theories in Conflict

    Quantum Mechanics and Relativity don’t make sensetogether.

    They are inconsistent with each other, and yet, accuratelydescribe real events in our universe.

    For the last 50 years, physicists have searched for a newtheory that unifies these two.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Introduction: Gamma Ray Bursts

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Introduction: Gamma Ray Bursts

    Gamma rays are made of particles of light, called photons,at their highest energies.

    Bursts happen about once per day, in places all over theuniverse.

    Gamma Ray Bursts are the brightest thing we know of,lighting up the entire universe!

    Scientists discovered gamma rays with higher energy tooklonger to arrive.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Introduction: FERMI Gamma Ray Space Telescope

    FERMI launched June 11, 2008 to investigate thisphenomenon.

    FERMI collects data on photons that traveled billions oflight years.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Introduction: Speed(s) of Light?

    Is the speed of light really constant?

    The data from FERMI may suggest the speed of a photonis dependent on its energy.

    Causal Set Theory(Sorkin, et al.) is a physical theory thatmay provide an explanation for this.

    Causal Set Theory is a theory intending to unify QuantumMechanics and Relativity.

    As such, we can only compute the probabilities of events.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Introduction: Our Model

    We use a mathematical framework based on Causal SetTheory.

    Our goal was to determine if the speed of light is constant.

    Comparing the model with the FERMI data could result innew understanding.

    If the model fits, great! If it doesn’t, great?

    Let’s take a closer look at what we have done thissemester...

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Space-time

    Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Space-time

    Definition

    Space-Time is a mathematical model of the universe combiningspace and time.

    Any event that occurs in the universe has a specificlocation in space-time

    The space-time we observe has 3 spatial dimensions andone temporal dimension

    Thus Space-Time has 4 dimensions, or 3+1 D

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Space-time

    Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    1+1D Space-time

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Space-time

    Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Space-Time Representation of CAMCOSPresentation Day

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Space-time

    Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Proper Time

    Time passes differently for particles with different velocities

    proper time is τ =√

    t2 − x2

    τ is proper time, time as percieved by the blue particle

    t is time percieved by the red particle

    x is distance away from the red particle

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Space-time

    Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Nature of Light

    Definition

    Light is electromagnetic radiation of any wavelength

    The light spectrum is made up of the differentwavelengths of light from radio to gamma

    The smallest packet of light is called a photon

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Space-time

    Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Light Spectrum

    Increasing energy =⇒

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Space-time

    Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Speed of Light

    When a photon travels through a medium, such as air,water or glass, the speed of light is slowed

    Einstein postulated that photons travel at a constantspeed, c ≈ 3 · 108m/s in vacuumOne of the goals of this project is to explore the possibilitythat light in a vacuum does not, in fact, travel at aconstant rate, but actually varies in speed depending onthe energy of the photon.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Space-time

    Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Light Cone

    Definition

    The light cone (L) of a point P is the set of all points to andfrom which a particle can reach or be reached while traveling atthe speed of light or less.

    ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    Time

    Space

    P

    S

    Q

    RCan influence

    connected to P

    Not causally

    Can be influenced

    event P

    by event P

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Space-time

    Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Light Cone

    Shows where a particle may travel to in space with respectto time

    ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    Time

    Space

    P

    S

    Q

    RCan influence

    connected to P

    Not causally

    Can be influenced

    event P

    by event P

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Space-time

    Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Light Cone

    The boundaries of the cones show the path of a photontraveling at the speed of light

    The slope of these boundaries are ± the speed of light

    ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    Time

    Space

    P

    S

    Q

    RCan influence

    connected to P

    Not causally

    Can be influenced

    event P

    by event P

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Theory of Causal Sets

    Initiated by Sorkin(1987):

    Attempts to unify Relativity and Quantum Mechanics

    An alternative to string theory

    Space-time is discrete

    Gives up the properties of a continuous universe

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Definition of a Causal Set

    Definition

    A causal set, S , is a discrete set equipped with a relation ofpartial order.

    The discrete set is spacetime.

    The partial order describes whether a point P caninfluence point Q in spacetime.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Discrete Space-time Analogy

    Film analogy:

    Like the universe, a film is perceived to be continuous

    Each second of film consists of multiple frames

    Fast sequencing produces the illusion of continuous motion

    Similarly, discrete space-time is perceived as continuous

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Space-time Is Discrete

    No distance, area, volume, etc. in the usual sense.

    In discrete space-time, these are determined by thecombinatorics of the set.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Graphical Representation of a Causal Set

    Easy to represent as graphs of points and arrows betweenthem:

    The vertices are points in space-time

    The edges, or arrows, are transitions between the points

    Time

    Space1

    3

    2

    4

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Causal Relations

    Causal relations and events obey intuitive laws of physics:

    No going backwards in time

    No self-causing events (no loops)

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Light Cone With Causal Relations

    ��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    ����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

    1

    3

    2

    4

    Space

    Time

    S

    RCan influence

    connected to P

    Not causally

    Can be influenced

    event P

    by event P

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Feynman PathSum

    All Paths

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Feynman Path Sum

    Feynman plus path = Feynman Path Sum

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Feynman PathSum

    All Paths

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Quantum Mechanics and Feynman Path Integral

    Quantum Mechanics works differently from ClassicalMechanics.

    Feynman Path Integral is one of the main approach toQuantum Mechanics.

    In our model, we applied something similar to FeynmanPath Integral (Feynman Path Sum) to Causal Set Theory.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Feynman PathSum

    All Paths

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Probability Amplitude

    In Quantum Mechanics, one of the main idea regardingparticles is probability amplitude.

    We can find the probability of a particle traveling frompoint A to B by taking the absolute square of a complexnumber.

    This complex number is called the probability amplitude,denoted by Ψ.

    prob(A B) = |Ψ|2

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Feynman PathSum

    All Paths

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Feynman Path Sum

    Feynman (1948) developed Feynman Path Integral as anapproach to Quantum Mechanics. Since Causal Set Theorydeals with discrete space time, we will be using the discreteversion of Feynman Path Integral, Feynman Path Sum instead.

    Definition

    Path Sum is the summation of the probability amplitudes of allpossible paths for a particle to travel from point A to point B.

    prob(A B) =

    ∑γ

    Ψ(γ)

    2

    where γ runs over all possible paths from A to B

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Feynman PathSum

    All Paths

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Feynman Path Sum, cont.

    The probability amplitudes for all paths that go from pointA to point B are added together.

    The probability of a particle moving from point A to pointB is the absolute square of the path sum:

    prob(A B) =

    ∑γ

    Ψ(γ)

    2

    where γ runs over all possible paths from A to B

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Feynman PathSum

    All Paths

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Feynman Path Sum, cont.

    prob(A B) =

    ∑γ

    Ψ(γ)

    2

    where γ runs over all possible paths from A to B

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Feynman PathSum

    All Paths

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    What Are All Paths?

    Following Feynman’s approach:

    All paths include paths that “go backwards” in time

    All paths include paths that move outside the light cone.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    AdjacencyMarticies

    AmplitudeMatrix

    PropagatorMatrix

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Representing the Causal Set

    To visualize the causal set mathematically we create anadjacency matrix using the causal connections

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    AdjacencyMarticies

    AmplitudeMatrix

    PropagatorMatrix

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Amplitude Matrix Definition

    The amplitude matrix contains the probability amplitudesfor single jumps

    The entries are defined by Ψ = e iS where

    S = S [Energy, Starting Point, Ending Point]

    S is called the action and is pretty much proper time

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    AdjacencyMarticies

    AmplitudeMatrix

    PropagatorMatrix

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Amplitude Matrix Example

    The entry in row 1, column 2 contains the probabilityamplitude, e iS1 , for a single jump from point 1 to point 2.

    A =

    0 e iS1 e iS2 e iS3

    0 0 0 e iS4

    0 0 0 e iS5

    0 0 0 0

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    AdjacencyMarticies

    AmplitudeMatrix

    PropagatorMatrix

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Amplitude Matrix Example

    The probability amplitude of a photon moving from point 1 to4 using all paths is Ψ = e i(S3)

    γ(1,4)+ e i(S1+S4)γ(1,2)·γ(2,4)

    + e i(S2+S5)γ(1,3)·γ(3,4)

    .

    A =

    0 e iS1 e iS2 e iS3

    0 0 0 e iS4

    0 0 0 e iS5

    0 0 0 0

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    AdjacencyMarticies

    AmplitudeMatrix

    PropagatorMatrix

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Path Sums Using Matrices

    Independently implemented by CAMCOS Spring2008/Day, Johnston 2008

    Each nth power of A gives the probability amplitude of apath of length n

    We take the infinite sum of the amplitude matrix to createthe propagator matrix K

    K = A + A2 + . . . = (I − A)−1 − I

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    AdjacencyMarticies

    AmplitudeMatrix

    PropagatorMatrix

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Path Sums Using Matrices Example

    Applying this formula to our example gives the following:

    K = A + A2 + ... =

    0 e iS1 e iS2 Ψ0 0 0 e iS4

    0 0 0 e iS5

    0 0 0 0

    Where Ψ = e i(S3) + e i(S1+S4) + e i(S2+S5).

    In practice our matrices are 800 by 800 so Ψ becomescrazy

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    AdjacencyMarticies

    AmplitudeMatrix

    PropagatorMatrix

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Intermission

    Intermission

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    AdjacencyMarticies

    AmplitudeMatrix

    PropagatorMatrix

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Summary

    What you learned so far:

    Physics background

    Causal Set Theory

    Feynman Path Sum

    What‘s to come:

    Previous work

    Our project goals

    Results

    Computational implementation of our model

    Further research

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    The Future

    Previous works on Causal Set Theory

    The work of Johnston (Imperial College) has some similaritieswith ours. However:

    His method is different (e.g., he doesn’t allow all paths inhis calculation).

    His goal is different (to solve the Klein-Gordon equation).

    We implemented Johnston’s model, but we found that hisapproach to Feynman Path Sum and Causal Set does not seemto be suited to examining the question of whether the speed oflight is constant.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Previous Work

    Goal

    Results

    Computation

    The Future

    CAMCOS 2008

    In spring 2008, CAMCOS built a simulated environment forexperiments.

    Discrete spacetime

    Feynman path sums

    Matrix models

    This is what we do:

    1 Define how our photons should move - different definitionsof S - the action.

    2 Calculate the speed of our photons, by observing wherethey land on the detector.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Previous Work

    Goal

    Results

    Computation

    The Future

    CAMCOS 2008

    Using this framework, many different definitions of S wereused.

    Unfortunately, results were inconclusive.

    Experiments showed that photons traveled at manyspeeds, but did not ”prefer” standard c .

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Previous Work

    Goal

    Results

    Computation

    The Future

    What We Want

    We want our experimental results to agree with FERMI’sobservations.

    Light usually travels at 2.99x108 meters per second.

    But a photon’s speed can vary slightly, depending onits energy.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Previous Work

    Goal

    Results

    Computation

    The Future

    What We Want

    Figure: An Ideal Probability Vs. Velocity Graph

    In this experiment, 25% of all photons arrived at the detectorwith speed c .

    The peak indicates that most photons still travel at standard c .

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Previous Work

    Goal

    Results

    Computation

    The Future

    Example Results

    Figure: Probability vs. Velocity for Energy Scaling A

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Previous Work

    Goal

    Results

    Computation

    The Future

    Example Results

    Figure: Probability vs. Velocity for Energy Scaling B

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Previous Work

    Goal

    Results

    Computation

    The Future

    Example Results

    Figure: Probability vs. Velocity for Energy Scaling C

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Previous Work

    Goal

    Results

    Computation

    The Future

    Example Results

    What you just saw:

    There is a distinct peak.

    We have not yet observed that this peak changes with aphoton’s energy.

    When we ran our experiment with Johnston’s approach,but did not see a conclusive peak.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Previous Work

    Goal

    Results

    Computation

    The Future

    Project accomplishments

    Tried different several different formulas for S .

    Improved our experiment runtime by a factor of 10.

    Began using a histogram to represent our probabilities.

    Observed consistent results with many differentconfigurations.

    Changed the code to allow for 2 and 3 space dimensions.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    ComputationalAnalysis

    The Future

    Computational Analysis

    Why is it hard to understand and describe these probabilities?

    Our universe is really big,

    There are a lot of points in space-time a photon can be.

    So “All paths” means a lot of calculations.

    Imagine ψ = e i(S3) + e i(S1+S4) + e i(S2+S5) + ... for morepoints than you can imagine!

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    ComputationalAnalysis

    The Future

    Computational Analysis

    In a single run of our model universe:

    We restrict ourselves to 800 space-time points.

    That’s still 640,000 matrix entries in each of 4 matrices.

    We then compute tens of millions of paths!

    But at least our ψ is manageable...

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    ComputationalAnalysis

    The Future

    Computational Analysis

    ψ =e i(S1) + e i(S1+S4) + e i(S2+S5) + e i(S8+S3) + e i(S8+S1)+e

    i(S8+S3)+

    e i(S2) + e i(S4+S7) + e i(S7+S8) + e i(S9+S2) + e i(S4+S3)+ei(S4+S2)+

    e i(S3) + e i(S2+S1) + e i(S2+S4) + e i(S9+S4) + e i(S6+S1)+ei(S7+S4)+

    e i(S4) + e i(S1+S6) + e i(S4+S5) + e i(S4+S1) + e i(S2+S5)+ei(S6+S4)+

    e i(S5) + e i(S4+S8) + e i(S3+S1) + e i(S8+S8) + e i(S1+S2)+ei(S4+S7)+

    e i(S6) + e i(S8+S2) + e i(S5+S7) + e i(S2+S7) + e i(S0+S7)+ei(S8+S9)+

    e i(S7) + e i(S7+S0) + e i(S6+S6) + e i(S3+S3) + e i(S6+S6)+ei(S9+S3)+

    e i(S8) + e i(S9+S1) + e i(S8+S3) + e i(S4+S6) + e i(S8+S5)+ei(S3+S2)+

    e i(S9) + e i(S4+S6) + e i(S3+S7) + e i(S5+S3) + e i(S4+S4)+ei(S7+S5)+

    e i(S1) + e i(S5+S7) + e i(S1+S8) + e i(S7+S4) + e i(S3+S3)+ei(S5+S7)+

    e i(S3) + e i(S6+S9) + e i(S0+S9) + e i(S9+S2) + e i(S7+S8)+ei(S6+S8)+

    e i(S5) + e i(S2+S4) + e i(S9+S3) + e i(S7+S7) + e i(S4+S0)+ei(S2+S9)+

    e i(S7) + e i(S1+S3) + e i(S5+S2) + e i(S1+S9) + e i(S2+S3)+ei(S1+S7)+

    e i(S9) + e i(S0+S6) + e i(S6+S6) + e i(S4+S3) + e i(S5+S2)+ei(S7+S6)+

    e i(S2) + e i(S9+S2) + e i(S3+S0) + e i(S1+S4) + e i(S6+S6)+ei(S9+S5)+...

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    ComputationalAnalysis

    The Future

    Comparison to previous models

    Previous work on this idea has been done without experimentalmodeling:

    The run-time of naive models would be unbounded, theycould continue for lifetimes, or just hours.

    Thus, there would be no bounds on the size or quantity ofoutput, so data would be unwieldy.

    And so, of course, one would have no idea whether light inthe model tends to travel at what we call the speed oflight.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    ComputationalAnalysis

    The Future

    Comparison to CAMCOS 2008

    At 800 points in a single run of the experimental model:

    The run completes in 38.1 seconds.

    Files outputted during the run total 14.7 megabytes.

    A distribution of velocities and their probabilities isunrecognizable or unreproducible.

    If we amassed results from this model it would take over 2hours and nearly 3 gigabytes of hard drive space to getenough data for a reasonable histogram (200 runs).

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    ComputationalAnalysis

    The Future

    Computational Analysis: Our model

    At 800 points in a single run of our experimental model:

    A run completes in 4.12 seconds.

    We append only the data we need to a file of about 5kilobytes.

    Our model can aggregate results,

    So we can see a consistent velocity/probability distributionwhich appears to be Gamma*

    It takes 13.8 minutes and about 1 megabyte of hard drivespace for the same 200-run histogram.

    *A Gamma distribution has a skew to the left based on a shapeparameter.

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResults

    Computation

    ComputationalAnalysis

    The Future

    Computational Analysis

    Comparison @ 800 pts:

    Year Run time Output size Velocity distribution

    < 2008 N/A N/A None2008 38.1 seconds 14.7 mbytes Unrecognizable2009 4.12 seconds 5 kbytes Humanly recognizable

  • ThePropagationof Light inCausal Set

    Theory

    Introduction

    Space-timeand Light

    Causal Sets

    Feynman

    Our DiscreteModel

    Johnston

    Goal andResu