مخروط ضوئي

في الفيزياء الفلكية، المخروط الضوئي هو المسار الذي يتبعه شعاع من الضوء خلال الزمكان حتى وصوله إلينا باعتبارنا المشاهد ، شريطة أن يكون الضوء منبثق من حادثة واحدة (ممركزة في نقطة واحدة في المكان ولحظة واحدة في الزمان). مجموع تلك الأحداث تكون في محتوى المخروط بسبب وصول تأثيرها إلينا بسرعة الضوء، الذي لا يمكن لتأثير أو قوة أن تتخطى تلك لسرعة. إذا تخيلنا الضوء محصورا في مستوى ثنائي الأبعاد، فإن شعاع الضوء سينتشر على شكل دائرة بعد أن تقع الحادثة "هـ". وإذا رسمنا الدائرة المتنامية بحيث يرمز المحور الرأسي إلى الزمان، فالنتيحة هو مخروط يعرف بمخروط المستقبل الضوئي. مخروط الماضي الضوئي يتبع نفس السلوك لكن بالعكس، حيث تتشكل دائرة يتناقص قطرها بسرعة الزمن حتى تلتم في نقطة واحدة تقع في نفس موضع وزمن الحادثة "هـ".

تفاصيل

إذا تخيل المرء أن الضوء محصور في مستوى ثنائي الأبعاد، فإن الضوء الصادر من الفلاش ينتشر في دائرة بعد وقوع الحدث E، وإذا قمنا برسم الدائرة المتنامية مع المحور العمودي للرسم البياني الذي يمثل الوقت، فإن النتيجة هي مخروط، والمعروفة باسم مخروط ضوء المستقبل. يتصرف مخروط الضوء الماضي مثل مخروط الضوء المستقبلي في الاتجاه المعاكس، وهي دائرة تنقبض في دائرة نصف قطرها بسرعة الضوء حتى تتلاقى إلى نقطة في المكان والزمان المحددين للحدث E. في الواقع، هناك ثلاثة أبعاد فضاء، وبالتالي فإن الضوء سيشكل في الواقع مجالًا ممتدًا أو متقلصًا في الفضاء ثلاثي الأبعاد (3D) بدلاً من دائرة في ثنائية الأبعاد، وسيكون مخروط الضوء فعليًا نسخة ثلاثية الأبعاد من مخروط تشكل المقاطع العرضية له كرات ثلاثية الأبعاد (مماثلة) إلى مخروط ثلاثي الأبعاد عادي تشكّل المقاطع العرضية فيه دوائر ثنائية الأبعاد)، لكن المفهوم أسهل في التصور بعدد الأبعاد المكانية التي تقل من ثلاثة إلى اثنين.
تم عرض وجهة النظر النسبية الخاصة لأول مرة من قبل الأستاذ السابق لألبرت أينشتاين هيرمان مينكوفسكي والمعروفة باسم مساحة مينكوفسكي. كان الغرض من ذلك هو إنشاء وقت فراغ ثابت لجميع المراقبين. لدعم السببية، حصر مينكوسكي الزمكان على هندسة زائدية غير إقليدية.
نظرًا لأن الإشارات والتأثيرات السببية الأخرى لا يمكن أن تنتقل بشكل أسرع من الضوء (انظر النسبية الخاصة)، يلعب مخروط الضوء دورًا أساسيًا في تحديد مفهوم السببية: بالنسبة لحدث معين، مجموعة الأحداث التي تقع على مخروط الضوء الماضي أو داخله. من E سيكون أيضًا مجموعة من الأحداث التي يمكن أن ترسل إشارة قد يكون لها وقت للوصول إلى E والتأثير عليه بطريقة ما. على سبيل المثال، في وقت ما قبل عشر سنوات من E، إذا أخذنا في نظر الاعتبار مجموعة الأحداث التي وقعت في مخروط الضوء الماضي لـ E والتي تحدث في ذلك الوقت، فستكون النتيجة كرة (قرص ذو بعدين) بنصف قطر عشرة أشعة ضوئية سنوات تركزت على الموقف حيث سيحدث E. لذلك، فإن أي نقطة داخل أو داخل الكرة يمكن أن ترسل إشارة تتحرك بسرعة الضوء أو أبطأ والتي سيكون لها وقت للتأثير على الحدث E، بينما النقاط خارج المجال في تلك اللحظة لن يكون لها أي تأثير سببي على E وبالمثل، فإن مجموعة الأحداث التي تقع على أو داخل مخروط الضوء المستقبلي من E ستكون أيضًا مجموعة من الأحداث التي يمكن أن تتلقى إشارة مرسلة من موقع و وقت E، وبالتالي فإن مخروط الضوء المستقبلي يحتوي على جميع الأحداث التي يمكن أن تتأثر سببيًا بفعل E. الأحداث التي لا تكمن في الماضي أو المستقبل لا يمكن للمخروط الضوئي لـ E التأثير أو التأثر في النسبية.

في النسبية العامة

في الزمكان المسطح، يكون مخروط الضوء المستقبلي لحدث ما هو الحد الأقصى لمستقبله السببي ويكون مخروطه الخفيف الماضي هو حد ماضيه السببي.
في الزمكان المنحني، بافتراض أن الزمكان زائدي عالميًأ، لا يزال صحيحًا أن مخروط الضوء المستقبلي لحدث ما يتضمن حدود مستقبله السببي (وبالمثل في الماضي). ومع ذلك، يمكن أن تسبب العدسة الجاذبية جزءًا من مخروط الضوء أن يطوى من تلقاء نفسه، بطريقة تجعل جزءًا من المخروط موجودًا داخل المستقبل السببي (أو الماضي) وليس على الحدود.
لا يمكن أيضًا إمالة جميع المخاريط الخفيفة بحيث تكون "موازية"؛ هذا يعكس حقيقة أن وقت الفضاء منحني ومختلف بشكل أساسي عن مساحة مينكوسكي. في المناطق الفراغية (نقاط الفراغ الخالية من المادة)، ينعكس عدم القدرة على إمالة جميع الأقماع الضوئية بحيث تكون جميعها متوازية في عدم توتر موترفايل.