Световой конус

Светово́й ко́нус (изотропный конус, нулевой конус) — это трёхмерное пространство, образованное соединением всей разнообразной световой сигнальной линии, свободно распространяющейся сквозь вершину конуса. Термин используется для описания атрибутов четырёхмерного пространства-времени в теории относительности. Световой конус широко используется в пространстве Минковского.

Описание

Световой конус (двумерное пространство + время)

Распространение света в трёхмерном пространстве-времени описывается световым конусом, в котором ось времени вертикальна, а два измерения представляют собой длину и ширину. В момент вспышки наше пространство изображается в виде горизонтальной плоскости, откуда распространяется световая волна, образуя конус. В двумерном пространстве-времени свет выделяет две полупрямые под углом 45°, начиная от начальной точки в момент вспышки. В терминах пространства-времени частицы света остаются неподвижными, не преодолевая расстояния и не чувствуя течения времени.

Необходимо учитывать, что обсуждается время фотона, то есть время, показываемое часами, привязанными к фотону. То же самое относится к расстоянию. Более того, фотон существует именно в рамках пространства-времени. Это не означает, что он проходит нулевое расстояние или временные интервалы равные нулю. Это означает, что расстояние между любыми двумя точками, через которые прошёл фотон, равно нулю. Для наблюдателя может показаться, что фотон преодолевает различные расстояния и существует в течение определённого времени. Однако измеряемые временные и пространственные интервалы зависят от нашей скорости и не являются универсальными характеристиками движения, как это представлено в пространственно-временном интервале.

Пространство Минковского

При анализе физических объектов часто используется абстрактная модель материальной точки. Однако, при изучении базовых структур реальности применение классической модели материальной точки не является оптимальным вариантом. Это связано с тем, что в классической модели материальной точки априори предполагается существование пространства, независимого от неё, что противоречит релятивистской концепции пространства и времени. Также следует учитывать противоречие, возникающее при попытке определения «кирпичика» мироздания как крохотной частицы с учётом понятия квантовой нелокальности. Проведённые эксперименты, направленные на проверку неравенства Белла, подтвердили наличие квантовой нелокальности в базовой структуре реальности. Это подразумевает, что каждая частица обладает некоторой таинственной связью с окружающим миром. В связи с этим пространству Минковского необходимо обобщение, учитывающее наличие материи.

Четырёхмерное пространство, в котором события представлены в виде точек, каждая из которых описывается тремя пространственными и временными координатами, рассматривается как ровное пространство-время с псевдоевклидовой метрикой. Пространство-время Минковского было предложено Германом Минковским в 1908 году для геометрической интерпретации специальной теории относительности, которая обобщила принцип относительности Галилея из области ньютоновской механики на случай скоростей, приближенных к скорости света. Принцип относительности Галилея, основанный на представлении об абсолютном времени, свободном от выбора инерциальной системы отсчёта, рассматривается с точки зрения независимости механических законов от выбора такой системы.

Четырёхвектор

Вектор R называется 4-вектором (четырёхвектором), в отличие от 3-вектора r обычного пространства. Любую физическую величину, представленную тремя числами, которые изменяются при вращении системы координат на определённый угол, как компоненты вектора r, называют векторной величиной в трёхмерном пространстве или просто вектором в этом пространстве. Четырёхвектором «скорости» в пространстве-времени называют величину, компоненты которой изменяются согласно лоренцевскому преобразованию.

Теория событий в описании пространства и времени

Световые конусы прошлого и будущего для данного события разделяют пространство-время на три зоны: абсолютное будущее события, события вне светового конуса события, абсолютное прошлое события. Для каждого события в пространстве-времени можно построить световой конус, так как скорость света постоянна для любого события и в любом направлении, все световые конусы совпадают и ориентированы в одном направлении. Эта концепция утверждает, что ничто не может двигаться быстрее света. Траектория любого объекта во времени и пространстве должна быть представлена линией, находящейся внутри световых конусов для всех событий на этой линии.

Событие — нечто, происходящее в определённой точке пространства и в определённый момент времени. Событие можно характеризовать четырьмя числами, или координатами. Четыре координаты какого-либо события можно рассматривать как координаты, определяющие положение этого события в четырёхмерном пространстве, которое называется пространством-временем. Свет, распространяясь из некоего события в четырёхмерном пространстве-времени, образует в нём трёхмерный конус. Этот конус называется световым конусом будущего для данного события.