相对论宇宙学

相对论宇宙学将爱因斯坦场方程应用于整个宇宙，通过弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃克解来模拟其大尺度几何和膨胀。

Definition

相对论宇宙学是广义相对论的一个分支，它将宇宙视为一个动态时空，利用爱因斯坦方程的均匀且各向同性的弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃克解来描述宇宙膨胀、几何和因果结构。

Scope

该领域涵盖了宇宙的广义相对论描述：大尺度均匀性和各向同性假设、罗伯逊-沃克度规和控制尺度因子的弗里德曼方程、宇宙红移和距离测量、具有粒子视界和事件视界的因果结构，以及小扰动如何演化为宇宙结构的相对论处理。它是宇宙学观测天文学子领域的引力理论补充。

Sub-topics

• 宇宙学红移与距离
• 弗里德曼方程与膨胀宇宙
• 视界与因果结构
• 相对论性结构形成

Core questions

• 爱因斯坦方程如何描述一个膨胀的、均匀的宇宙？
• 什么决定了宇宙的几何形状和膨胀历史？
• 红移和距离如何与空间的膨胀相关联？
• 相对论膨胀施加了哪些因果限制，即视界？

Key concepts

• 宇宙学原理
• 罗伯逊-沃克度规
• 尺度因子和哈勃参数
• 弗里德曼方程
• 宇宙红移
• 粒子视界和事件视界

Key theories

宇宙学原理和FLRW度规

假设宇宙在大尺度上是均匀且各向同性的，这使得罗伯逊-沃克度规成为唯一选择，其中所有空间信息都简化为一个随时间变化的尺度因子和一个常数空间曲率。

弗里德曼动力学

将罗伯逊-沃克度规代入爱因斯坦方程，得到弗里德曼方程，这些方程将膨胀率与能量密度和曲率联系起来，决定宇宙是永远膨胀、重新坍缩还是加速膨胀。

Clinical relevance

相对论宇宙学为标准宇宙学模型提供了理论基础：它构成了膨胀率、宇宙微波背景和大尺度结构测量的框架，并且是暗物质、暗能量和早期宇宙暴胀物理学得以阐述的背景。

History

爱因斯坦1917年的静态模型让位于弗里德曼（1922年）和勒梅特（1927年）的动态解，他们预测了一个膨胀的宇宙，这后来得到了哈勃红移-距离关系的证实；罗伯逊和沃克在20世纪30年代严格确立了度规，该框架是所有现代宇宙学的基础。

Debates

大尺度均匀性和平均化的有效性

将块状的真实宇宙平均化为平滑的弗里德曼模型是否会引入模拟暗能量的系统性“反作用”效应，这一点存在争议；大多数分析发现这些效应很小，但不均匀性在宇宙动力学中的精确作用仍然是一个研究问题。

Key figures

• Aleksandr Friedmann
• Georges Lemaitre
• Howard Robertson
• Arthur Walker

Seminal works

• friedmann1922
• weinberg2008

Frequently asked questions

宇宙是否正在膨胀到某个东西中？

不是。在相对论宇宙学中，膨胀是尺度因子的增长，它增加了时空本身内部星系之间的距离；宇宙没有膨胀到外部空间中，其几何形状可以是无限的或有限的，而没有边界。

相对论宇宙学与观测宇宙学有何不同？

相对论宇宙学是宇宙时空的广义相对论理论，提供方程和几何结构，而观测天文学子领域则侧重于测量宇宙；该领域提供了解释这些观测结果的引力框架。