Общая теория относительности в космологии

Общая теория относительности представляет собой теорию гравитации, на которой основывается космология, описывая, как материя и энергия Вселенной искривляют пространство-время и управляют его расширением.

Definition

Общая теория относительности в космологии — это применение уравнений поля Эйнштейна ко Вселенной в целом, рассматривающее крупномасштабное распределение материи и энергии как источник, который определяет кривизну и расширение пространства-времени при условии однородности и изотропии.

Scope

Эта тема охватывает роль уравнений поля Эйнштейна как основного закона космической динамики, космологический принцип однородности и изотропии, который выбирает класс решений Фридмана-Леметра-Робертсона-Уокера (ФЛРУ), значение члена космологической постоянной, описание распространения света и горизонтов в искривленном пространстве-времени, а также то, как релятивистская геометрия связывает наблюдаемые красные смещения и расстояния с лежащим в основе расширением.

Core questions

• Как уравнения поля Эйнштейна управляют динамикой Вселенной?
• Почему космологический принцип ограничивает геометрию пространственно-временными метриками ФЛРУ?
• Как кривизна пространства-времени формирует наблюдаемые расстояния, красные смещения и горизонты?

Key concepts

• Уравнения поля Эйнштейна
• Кривизна пространства-времени
• Космологический принцип
• Космологическая постоянная
• Метрический тензор
• Геодезические
• Горизонт частиц

Key theories

Уравнения поля Эйнштейна

Уравнения поля связывают кривизну пространства-времени с его содержанием энергии и импульса, предоставляя динамический закон, который, примененный ко Вселенной, дает модели Фридмана космического расширения.

Космологический принцип

В больших масштабах Вселенная считается однородной и изотропной, что выделяет геометрии ФЛРУ и значительно упрощает уравнения поля до системы Фридмана.

Mechanisms

Тензор энергии-импульса космической жидкости является источником кривизны пространства-времени через уравнения Эйнштейна; наложение однородности и изотропии сводит метрику к форме ФЛРУ, а затем уравнения определяют масштабный фактор и геодезические пути света, которые фиксируют наблюдаемые расстояния и красные смещения.

Clinical relevance

Общая теория относительности является теоретической основой космологии: она предоставляет уравнения, которые предсказывают расширение, искривление света и структуру горизонтов, а ее предсказания, от гравитационного линзирования до роста возмущений, необходимы для интерпретации космологических исследований.

History

Эйнштейн применил общую теорию относительности ко Вселенной в 1917 году, введя космологическую постоянную, чтобы допустить статичный космос; открытие расширения сделало статическую модель несостоятельной, и релятивистская космология развилась в рамках ФЛРУ, лежащих в основе современной модели Большого взрыва.

Debates

Обратное влияние и усреднение

Поскольку реальная Вселенная лишь статистически однородна, ведутся споры о том, вносит ли усреднение неоднородного распределения материи поправки в гладкое описание Фридмана, что известно как проблема обратного влияния.

Key figures

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

Seminal works

• einstein1917

Frequently asked questions

Чем общая теория относительности в космологии отличается от изучения относительности в физике?

Подраздел физики, изучающий относительность и гравитацию, исследует теорию в целом, включая черные дыры и гравитационные волны; здесь же основное внимание уделяется конкретному применению уравнений поля ко Вселенной в целом для вывода ее расширения, геометрии и наблюдаемой структуры.

Почему Эйнштейн ввел космологическую постоянную?

Эйнштейн добавил космологическую постоянную в 1917 году, чтобы получить статическую Вселенную, соответствующую преобладающим в то время представлениям; после открытия расширения этот член стал ненужным для этой цели, хотя позже он вернулся как ведущее описание темной энергии.