宇宙学中的广义相对论

广义相对论提供了宇宙学赖以建立的引力理论，描述了宇宙的物质和能量如何弯曲时空并驱动其膨胀。

Definition

宇宙学中的广义相对论是将爱因斯坦场方程应用于整个宇宙，在均匀性和各向同性假设下，将大尺度物质和能量分布视为决定时空曲率和膨胀的源。

Scope

本主题涵盖了爱因斯坦场方程作为宇宙动力学主导定律的作用、选择FLRW类解的宇宙学均匀性和各向同性原理、宇宙学常数项的含义、弯曲时空中光传播和视界的描述，以及相对论几何如何将可观测的红移和距离与潜在的膨胀联系起来。

Core questions

• 爱因斯坦场方程如何支配宇宙的动力学？
• 为什么宇宙学原理将几何限制在FLRW时空？
• 时空曲率如何塑造可观测的距离、红移和视界？

Key concepts

• 爱因斯坦场方程
• 时空曲率
• 宇宙学原理
• 宇宙学常数
• 度规张量
• 测地线
• 粒子视界

Key theories

爱因斯坦场方程

场方程将时空曲率与其能量和动量内容联系起来，提供了应用于宇宙的动力学定律，从而产生了宇宙膨胀的弗里德曼模型。

宇宙学原理

在大尺度上，宇宙被假定为均匀和各向同性的，这使得FLRW几何脱颖而出，并极大地简化了场方程，使其成为弗里德曼系统。

Mechanisms

宇宙流体的应力-能量通过爱因斯坦方程产生时空曲率；施加均匀性和各向同性将度规简化为FLRW形式，然后方程确定了尺度因子和光测地线路径，从而确定了可观测的距离和红移。

Clinical relevance

广义相对论是宇宙学的理论基础：它提供了预测膨胀、光线弯曲和视界结构的方程，其预测，从引力透镜到扰动增长，对于解释宇宙学调查至关重要。

History

爱因斯坦于1917年将广义相对论应用于宇宙，引入宇宙学常数以允许一个静态宇宙；膨胀的发现使得静态模型站不住脚，相对论宇宙学发展成为FLRW框架，该框架是现代大爆炸模型的基础。

Debates

反作用和平均化

由于真实的宇宙仅在统计上是均匀的，因此关于对非均匀物质分布进行平均是否会对平滑的弗里德曼描述引入修正存在争议，这个问题被称为反作用问题。

Key figures

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

Seminal works

• einstein1917

Frequently asked questions

宇宙学中的广义相对论与物理学中的相对论研究有何不同？

物理学中相对论和引力学子领域研究的是广义理论，包括黑洞和引力波；这里主要关注将场方程应用于整个宇宙，以推导其膨胀、几何和可观测结构。

爱因斯坦为何引入宇宙学常数？

爱因斯坦在1917年添加了宇宙学常数，以获得一个与当时普遍观点一致的静态宇宙；一旦发现膨胀，该术语就不再需要用于此目的，尽管后来它作为暗能量的主要描述重新出现。