Lichtkegel

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Als Lichtkegel eines Ereignisses E bezeichnet man in der Relativitätstheorie die Menge aller Ereignisse E′, die sich mit Lichtgeschwindigkeit c auf E auswirken oder von E mit Lichtgeschwindigkeit beeinflusst werden können.

Lichtkegel in einer Raumzeit mit zwei Raumdimensionen, Vorwärtskegel in positiver Zeitrichtung.
Der Beobachter eines Ereignisses E befindet sich im Schnittpunkt von Vergangenheits- und Zukunfts-Kegel (Gegenwart).

Der Lichtkegel ist ein Doppelkegel im vierdimensionalen Minkowski-Raum. Er besteht aus

  • dem Rückwärtslichtkegel, der genau die Ereignisse E′ enthält, die vor E stattgefunden haben (Vergangenheit, t′<t) und E mit Lichtgeschwindigkeit bewirkt haben können (siehe Lokalität und Kausalität), und
  • dem Vorwärtslichtkegel, das sind die Ereignisse E′, die später als E stattfinden (Zukunft, t′>t) und von E mit Lichtgeschwindigkeit verursacht worden sein können.

Definition

Seien

  • (t,x,y,z) die Orts- und Zeitkoordinaten von E,
  • (t′,x′,y′,z′) die Koordinaten von E′,
  • (t′−t,x′−x,y′−y,z′−z) die Komponenten des Differenzvektors E′−E,
  • ds2:=c2⋅dt2−dx2−dy2−dz2 das Quadrat des differentiellen Abstands in der flachen Raumzeit, der für alle Beobachter identisch ist. Die hier verwendete Signatur ist (+,−,−,−). Für eine Signatur (−,+,+,+) gelten für ds2 analoge Definitionen mit umgekehrtem Vorzeichen.

Lichtartiger Differenzvektor

Wenn der Differenzvektor lichtartig ist:

ds2=0⇔c2(t′−t)2−(x′−x)2−(y′−y)2−(z′−z)2=0⇔(x′−xt′−t)2+(y′−yt′−t)2+(z′−zt′−t)2=c2⇔vx2+vy2+vz2=c2,

dann liegt E′ in der speziellen Relativitätstheorie auf dem Lichtkegel von E. Genau die Ereignisse auf dem Rückwärts- bzw. Vergangenheits-Lichtkegel sind aktuell für einen Beobachter sichtbar, der sich in E aufhält (ohne Berücksichtigung der Expansion des Universums).

Zeitartiger Differenzvektor

Ist der Differenzvektor zeitartig:

ds2>0⇔c2(t′−t)2−(x′−x)2−(y′−y)2−(z′−z)2>0⇔vx2+vy2+vz2<c2,

so liegt E′ im Inneren des Rückwärts- oder Vorwärtslichtkegels von E, je nachdem, ob es vor oder nach E stattgefunden hat. Dann kann es sich bei E′ um die Ursache oder um die Auswirkung von E handeln, die sich langsamer als Licht auswirkt. Ereignisse innerhalb des Rückwärts- bzw. Vergangenheits-Lichtkegels waren früher für einen Beobachter sichtbar, der sich an derselben Stelle im Raum aufhielt wie E (ohne Berücksichtigung der Expansion des Universums).

Raumartiger Differenzvektor

Ist der Differenzvektor raumartig:

ds2<0⇔c2(t′−t)2−(x′−x)2−(y′−y)2−(z′−z)2<0⇔vx2+vy2+vz2>c2,

so liegt E′ außerhalb des Rückwärts- oder Vorwärtslichtkegels. Bei den Ereignissen kann es sich nicht um Ursache und Wirkung handeln, denn dann müsste sich eine Ursache mit Überlichtgeschwindigkeit auswirken. Ereignisse außerhalb des Rückwärts- bzw. Vergangenheits-Lichtkegels von E und vor E sind für einen Beobachter, der sich in E aufhält, (noch) nicht sichtbar (d. h. sie liegen hinter dem Ereignishorizont, ohne Berücksichtigung der Expansion des Universums).

Siehe auch

Literatur

Weblinks

 Wiktionary: Lichtkegel – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
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