Relatividade Geral em Cosmologia

A relatividade geral fornece a teoria da gravidade sobre a qual a cosmologia se baseia, descrevendo como a matéria e a energia do universo curvam o espaço-tempo e impulsionam sua expansão.

Definition

A relatividade geral em cosmologia é a aplicação das equações de campo de Einstein ao universo como um todo, tratando a distribuição em larga escala da matéria e da energia como a fonte que determina a curvatura e a expansão do espaço-tempo sob a suposição de homogeneidade e isotropia.

Scope

Este tópico aborda o papel das equações de campo de Einstein como a lei governante da dinâmica cósmica, o princípio cosmológico de homogeneidade e isotropia que seleciona a classe de soluções FLRW, o significado do termo da constante cosmológica, a descrição da propagação da luz e dos horizontes no espaço-tempo curvo, e a forma como a geometria relativística conecta desvios para o vermelho e distâncias observáveis à expansão subjacente.

Core questions

• Como as equações de campo de Einstein governam a dinâmica do universo?
• Por que o princípio cosmológico restringe a geometria aos espaços-tempos FLRW?
• Como a curvatura do espaço-tempo molda distâncias, desvios para o vermelho e horizontes observáveis?

Key concepts

• Equações de campo de Einstein
• Curvatura do espaço-tempo
• Princípio cosmológico
• Constante cosmológica
• Tensor métrico
• Geodésicas
• Horizonte de partículas

Key theories

Equações de campo de Einstein

As equações de campo relacionam a curvatura do espaço-tempo ao seu conteúdo de energia e momento, fornecendo a lei dinâmica que, aplicada ao universo, produz os modelos de Friedmann de expansão cósmica.

Princípio cosmológico

Em grandes escalas, o universo é assumido como homogêneo e isotrópico, o que singulariza as geometrias FLRW e simplifica dramaticamente as equações de campo para o sistema de Friedmann.

Mechanisms

A energia-momento do fluido cósmico é a fonte da curvatura do espaço-tempo através das equações de Einstein; a imposição de homogeneidade e isotropia reduz a métrica à forma FLRW, e as equações então determinam o fator de escala e os caminhos geodésicos da luz que fixam distâncias e desvios para o vermelho observáveis.

Clinical relevance

A relatividade geral é o fundamento teórico da cosmologia: ela fornece as equações que preveem a expansão, a deflexão da luz e a estrutura do horizonte, e suas previsões, desde o lenteamento gravitacional até o crescimento de perturbações, são essenciais para a interpretação de levantamentos cosmológicos.

History

Einstein aplicou a relatividade geral ao universo em 1917, introduzindo a constante cosmológica para permitir um cosmos estático; a descoberta da expansão tornou o modelo estático insustentável, e a cosmologia relativística desenvolveu-se no arcabouço FLRW que sustenta o modelo moderno do Big Bang.

Debates

Retroação e média

Como o universo real é apenas estatisticamente homogêneo, há debate sobre se a média da distribuição de matéria não homogênea introduz correções à descrição suave de Friedmann, uma questão conhecida como problema da retroação.

Key figures

• Albert Einstein
• Willem de Sitter
• Hermann Weyl
• Howard Robertson

Seminal works

• einstein1917

Frequently asked questions

Como a relatividade geral em cosmologia difere do estudo da relatividade na física?

O subcampo da física da relatividade e gravitação estuda a teoria em geral, incluindo buracos negros e ondas gravitacionais; aqui o foco é especificamente na aplicação das equações de campo ao universo como um todo para derivar sua expansão, geometria e estrutura observável.

Por que Einstein introduziu a constante cosmológica?

Einstein adicionou a constante cosmológica em 1917 para obter um universo estático consistente com a visão predominante da época; uma vez descoberta a expansão, o termo tornou-se desnecessário para esse propósito, embora mais tarde tenha retornado como a principal descrição da energia escura.