Thuyết Tương đối Tổng quát trong Vũ trụ học

Thuyết tương đối tổng quát cung cấp lý thuyết về trọng lực mà vũ trụ học dựa vào, mô tả cách vật chất và năng lượng của vũ trụ làm cong không thời gian và thúc đẩy sự giãn nở của nó.

Definition

Thuyết tương đối tổng quát trong vũ trụ học là việc áp dụng các phương trình trường của Einstein cho toàn bộ vũ trụ, coi sự phân bố vật chất và năng lượng quy mô lớn là nguồn xác định độ cong và sự giãn nở của không thời gian dưới giả định về tính đồng nhất và đẳng hướng.

Scope

Chủ đề này bao gồm vai trò của các phương trình trường của Einstein như là định luật chi phối động lực học vũ trụ, nguyên lý vũ trụ học về tính đồng nhất và đẳng hướng chọn lớp nghiệm FLRW, ý nghĩa của hằng số vũ trụ, mô tả sự lan truyền ánh sáng và các chân trời trong không thời gian cong, và cách hình học tương đối kết nối dịch chuyển đỏ và khoảng cách quan sát được với sự giãn nở cơ bản.

Core questions

• Các phương trình trường của Einstein chi phối động lực học của vũ trụ như thế nào?
• Tại sao nguyên lý vũ trụ học lại giới hạn hình học trong không thời gian FLRW?
• Độ cong không thời gian định hình khoảng cách, dịch chuyển đỏ và các chân trời có thể quan sát được như thế nào?

Key concepts

• Phương trình trường Einstein
• Độ cong không thời gian
• Nguyên lý vũ trụ học
• Hằng số vũ trụ
• Tenxơ metric
• Đường trắc địa
• Chân trời hạt

Key theories

Phương trình trường Einstein

Các phương trình trường liên hệ độ cong của không thời gian với nội dung năng lượng và động lượng của nó, cung cấp định luật động lực học mà, khi áp dụng cho vũ trụ, tạo ra các mô hình Friedmann về sự giãn nở vũ trụ.

Nguyên lý vũ trụ học

Trên quy mô lớn, vũ trụ được giả định là đồng nhất và đẳng hướng, điều này làm nổi bật các hình học FLRW và đơn giản hóa đáng kể các phương trình trường thành hệ Friedmann.

Mechanisms

Năng lượng-ứng suất của chất lỏng vũ trụ tạo ra độ cong không thời gian thông qua các phương trình Einstein; việc áp đặt tính đồng nhất và đẳng hướng làm giảm metric về dạng FLRW, và các phương trình sau đó xác định hệ số tỷ lệ và các đường trắc địa của ánh sáng để cố định khoảng cách và dịch chuyển đỏ có thể quan sát được.

Clinical relevance

Thuyết tương đối tổng quát là nền tảng lý thuyết của vũ trụ học: nó cung cấp các phương trình dự đoán sự giãn nở, bẻ cong ánh sáng và cấu trúc chân trời, và các dự đoán của nó, từ thấu kính hấp dẫn đến sự phát triển của các nhiễu loạn, là rất cần thiết để diễn giải các khảo sát vũ trụ học.

History

Einstein đã áp dụng thuyết tương đối tổng quát vào vũ trụ vào năm 1917, giới thiệu hằng số vũ trụ để cho phép một vũ trụ tĩnh; việc phát hiện ra sự giãn nở đã làm cho mô hình tĩnh không còn phù hợp, và vũ trụ học tương đối đã phát triển thành khuôn khổ FLRW làm nền tảng cho mô hình Vụ nổ lớn hiện đại.

Debates

Phản ứng ngược và trung bình hóa

Bởi vì vũ trụ thực chỉ đồng nhất về mặt thống kê, có một cuộc tranh luận về việc liệu việc trung bình hóa sự phân bố vật chất không đồng nhất có đưa ra các hiệu chỉnh cho mô tả Friedmann mượt mà hay không, một vấn đề được gọi là vấn đề phản ứng ngược.

Key figures

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

Seminal works

• einstein1917

Frequently asked questions

Thuyết tương đối tổng quát trong vũ trụ học khác với nghiên cứu vật lý về thuyết tương đối như thế nào?

Phân ngành vật lý về thuyết tương đối và hấp dẫn nghiên cứu lý thuyết nói chung, bao gồm lỗ đen và sóng hấp dẫn; ở đây trọng tâm cụ thể là áp dụng các phương trình trường cho toàn bộ vũ trụ để suy ra sự giãn nở, hình học và cấu trúc có thể quan sát được của nó.

Tại sao Einstein lại đưa ra hằng số vũ trụ?

Einstein đã thêm hằng số vũ trụ vào năm 1917 để có được một vũ trụ tĩnh phù hợp với quan điểm phổ biến thời bấy giờ; một khi sự giãn nở được phát hiện, thuật ngữ này trở nên không cần thiết cho mục đích đó, mặc dù sau này nó đã trở lại như là mô tả hàng đầu về năng lượng tối.