ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในจักรวาลวิทยา

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นทฤษฎีแรงโน้มถ่วงที่เป็นรากฐานของจักรวาลวิทยา โดยอธิบายว่าสสารและพลังงานของเอกภพทำให้กาลอวกาศโค้งงอและขับเคลื่อนการขยายตัวของเอกภพได้อย่างไร

Definition

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในจักรวาลวิทยาคือการประยุกต์ใช้สมการสนามของไอน์สไตน์กับเอกภพโดยรวม โดยถือว่าการกระจายตัวของสสารและพลังงานขนาดใหญ่เป็นแหล่งกำเนิดที่กำหนดความโค้งและการขยายตัวของกาลอวกาศภายใต้สมมติฐานของความสม่ำเสมอและความสมมาตร

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมบทบาทของสมการสนามของไอน์สไตน์ในฐานะกฎควบคุมพลวัตของจักรวาล หลักการจักรวาลวิทยาของความสม่ำเสมอและความสมมาตรที่เลือกชุดคำตอบ FLRW ความหมายของพจน์ค่าคงที่จักรวาลวิทยา การอธิบายการแพร่กระจายของแสงและขอบฟ้าในกาลอวกาศที่โค้งงอ และวิธีที่เรขาคณิตสัมพัทธภาพเชื่อมโยงการเลื่อนแดงและระยะทางที่สังเกตได้กับการขยายตัวพื้นฐาน

Core questions

• สมการสนามของไอน์สไตน์ควบคุมพลวัตของเอกภพได้อย่างไร?
• เหตุใดหลักการจักรวาลวิทยาจึงจำกัดเรขาคณิตให้อยู่ในกาลอวกาศ FLRW?
• ความโค้งของกาลอวกาศกำหนดระยะทาง การเลื่อนแดง และขอบฟ้าที่สังเกตได้ได้อย่างไร?

Key concepts

• สมการสนามของไอน์สไตน์
• ความโค้งของกาลอวกาศ
• หลักการจักรวาลวิทยา
• ค่าคงที่จักรวาลวิทยา
• เทนเซอร์เมตริก
• จีโอเดสิก
• ขอบฟ้าอนุภาค

Key theories

สมการสนามของไอน์สไตน์

สมการสนามเชื่อมโยงความโค้งของกาลอวกาศกับปริมาณพลังงานและโมเมนตัมของมัน โดยให้กฎพลวัตที่เมื่อนำไปใช้กับเอกภพ จะให้แบบจำลองฟรีดมันน์ของการขยายตัวของจักรวาล

หลักการจักรวาลวิทยา

ในระดับใหญ่ เอกภพถูกสมมติให้มีความสม่ำเสมอและสมมาตร ซึ่งทำให้เรขาคณิต FLRW โดดเด่นและทำให้สมการสนามง่ายขึ้นอย่างมากไปสู่ระบบฟรีดมันน์

Mechanisms

ความเค้น-พลังงานของของไหลในจักรวาลเป็นแหล่งกำเนิดความโค้งของกาลอวกาศผ่านสมการของไอน์สไตน์ การกำหนดความสม่ำเสมอและความสมมาตรจะลดเมตริกให้อยู่ในรูป FLRW และสมการจะกำหนดตัวประกอบมาตราส่วนและเส้นทางจีโอเดสิกของแสงที่กำหนดระยะทางและการเลื่อนแดงที่สังเกตได้

Clinical relevance

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปเป็นรากฐานทางทฤษฎีของจักรวาลวิทยา: มันให้สมการที่ทำนายการขยายตัว การโค้งงอของแสง และโครงสร้างขอบฟ้า และการทำนายของมัน ตั้งแต่เลนส์ความโน้มถ่วงไปจนถึงการเติบโตของการรบกวน เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการตีความการสำรวจทางจักรวาลวิทยา

History

ไอน์สไตน์ประยุกต์ใช้ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปกับเอกภพในปี 1917 โดยแนะนำค่าคงที่จักรวาลวิทยาเพื่อให้เอกภพคงที่ การค้นพบการขยายตัวทำให้แบบจำลองคงที่ใช้ไม่ได้ และจักรวาลวิทยาสัมพัทธภาพได้พัฒนาไปสู่กรอบ FLRW ซึ่งเป็นรากฐานของแบบจำลองบิกแบงสมัยใหม่

Debates

ปฏิกิริยาย้อนกลับและการหาค่าเฉลี่ย

เนื่องจากเอกภพจริงมีความสม่ำเสมอทางสถิติเท่านั้น จึงมีการถกเถียงกันว่าการหาค่าเฉลี่ยการกระจายตัวของสสารที่ไม่สม่ำเสมอจะนำไปสู่การแก้ไขคำอธิบายฟรีดมันน์ที่ราบรื่นหรือไม่ ซึ่งเป็นคำถามที่เรียกว่าปัญหาปฏิกิริยาย้อนกลับ

Key figures

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

Seminal works

• einstein1917

Frequently asked questions

ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปในจักรวาลวิทยาแตกต่างจากการศึกษาฟิสิกส์ของสัมพัทธภาพอย่างไร?

สาขาย่อยของฟิสิกส์สัมพัทธภาพและแรงโน้มถ่วงศึกษาทฤษฎีโดยทั่วไป รวมถึงหลุมดำและคลื่นความโน้มถ่วง; ในที่นี้มุ่งเน้นไปที่การประยุกต์ใช้สมการสนามกับเอกภพโดยรวมโดยเฉพาะ เพื่อหาการขยายตัว เรขาคณิต และโครงสร้างที่สังเกตได้

ทำไมไอน์สไตน์จึงแนะนำค่าคงที่จักรวาลวิทยา?

ไอน์สไตน์เพิ่มค่าคงที่จักรวาลวิทยาในปี 1917 เพื่อให้ได้เอกภพที่คงที่ซึ่งสอดคล้องกับมุมมองที่แพร่หลายในเวลานั้น; เมื่อมีการค้นพบการขยายตัว พจน์ดังกล่าวก็ไม่จำเป็นสำหรับวัตถุประสงค์นั้นอีกต่อไป แม้ว่าภายหลังจะกลับมาเป็นคำอธิบายหลักของพลังงานมืดก็ตาม