Cône de lumière

Le cône de lumière centré sur un événement.

En physique, le cône de lumière est une notion fondamentale de la théorie de la relativité, permettant à partir d'un événement $e_0$ la distinction entre les événements passés, les événements futurs et les événements inaccessibles (dans le passé comme dans le futur).

Le cône de lumière est ainsi désigné à la suite de Hermann Minkowski (Modèle:Date--Modèle:Date-)Modèle:Sfn. Mathématiquement, un cône de lumière est un Modèle:LienModèle:SfnModèle:,Modèle:Sfn.

Dans le cadre de la relativité restreinte, les événements de l'espace-temps autres que $e_0$ se divisent en trois catégories : le passé absolu et le futur absolu de $e_0$ d'une part Modèle:Incise, et lModèle:'ailleurs d'autre part Modèle:Incise Les événements intérieurs au cône peuvent être liés causalement avec $e_0$ ; par contre les événements situés dans l'ailleurs de $e_0$ sont dits causalement déconnectés de $e_0$ et ne peuvent l'influencer ou être influencés par lui.

Dans le cadre de la relativité générale, à chaque événement est attaché un cône de lumière infinitésimal, qui concerne les événements infiniment proches (au sens de la métrique lorentzienne). Alors qu'en relativité restreinte les cônes de lumière de tous les événements (dans un référentiel donné) sont parallèles entre eux, ce n'est plus le cas en relativité générale, en raison de la courbure de l'espace-temps.

Intervalle d'espace-temps

Un référentiel inertiel étant choisi, considérons deux événements séparés dans l'espace par la distance $\mathrm{\Delta }l=\sqrt{\mathrm{\Delta }{x}^2+\mathrm{\Delta }{y}^2+\mathrm{\Delta }{z}^2}$ et dans le temps par l'intervalle de temps $\mathrm{\Delta }t$. En relativité (restreinte ou générale), ces deux quantités ne sont pas invariantes par changement de référentiel.

En revanche, en relativité restreinte, la quantité (notée formellement avec un carré) $\mathrm{\Delta }{s}^2=c^2\mathrm{\Delta }{t}^2-\mathrm{\Delta }{l}^2$ est invariante par changement de référentiel, il en est de même pour son signeModèle:Efn.

En particulier, en fixant un événement noté $e_0$, on classe chaque événement de l'espace-temps en fonction du signeModèle:Efn de l'intervalle d'espace-temps qui le sépare de $e_0$. Le signe de l'intervalle d'espace temps étant invariant par changement de référentiel, cette classification est indépendante de l'observateur et de son référentiel.

Bord du cône

Les événements séparés par un intervalle $\mathrm{\Delta }{s}^2$ tel que $\mathrm{\Delta }{s}^2=0$ sont ceux qui sont à une distance spatiale $\mathrm{\Delta }l$ et une distance temporelle $\mathrm{\Delta }t$ de $e_0$ telles que $\mathrm{\Delta }l/\mathrm{\Delta }t=c$. C'est-à-dire que ces événements ne peuvent être joints depuis $e_0$ que par un message ou influence allant à la vitesse de la lumière. De plus, l'égalité $l/t=c$ est l'équation du bord à trois dimensions d'un cône de révolution dans un espace à quatre dimensions.

D'où le nom de cône de lumière.

Intérieur du cône

Les événements séparés par un intervalle $\mathrm{\Delta }{s}^2$ tel que $\mathrm{\Delta }{s}^2>0$ sont ceux qui sont à une distance spatiale $\mathrm{\Delta }l$ et une distance temporelle $\mathrm{\Delta }t$ de $e_0$ telles que $\mathrm{\Delta }l/\mathrm{\Delta }t<c$. C'est-à-dire que ces événements peuvent être joints depuis $e_0$ par un message ou influence allant à la vitesse strictement inférieure à celle de la lumière : c'est a priori réaliste. Ainsi, il peut y avoir une relation de causalité entre $e_0$ et l'un quelconque de ces événements. De plus, l'égalité $l/t<c$ est l'inéquation de l'intérieur à quatre dimensions d'un cône dans un espace à quatre dimensions.

La partie supérieure de l'intérieur du cône contient tous les événements futurs que l'on peut joindre à partir de $e_0$.

La partie inférieure de l'intérieur du cône contient tous les événements passés à partir desquels on pouvait joindre $e_0$.

Ainsi, si $e_0$ correspond à un événement cosmologique, tel qu'une supernova, tous les événements $e_T$ sur Terre précédant la vision de cette supernova sont situés à l'extérieur du cône. Ceux où cette supernova est visible sont situés au bord du cône, et à partir de là cette supernova est susceptible d'influer des événements sur Terre (tels que faire orienter des télescopes dans sa direction voire modifier des théories cosmologiques...), lesquels sont situés à l’intérieur supérieur du cône.

Extérieur du cône

Les événements séparés par un intervalle $\mathrm{\Delta }{s}^2$ tel que $\mathrm{\Delta }{s}^2<0$ sont ceux qui sont à une distance spatiale $\mathrm{\Delta }l$ et une distance temporelle $\mathrm{\Delta }t$ de $e_0$ telles que $\mathrm{\Delta }l/\mathrm{\Delta }t>c$. C'est-à-dire que ces événements ne peuvent être joints depuis $e_0$, car la vitesse de tout message ou influence est strictement inférieure à celle de la lumière en relativité restreinte : la jonction n'est pas réaliste.

Les événements qui sont dans cet extérieur du cône sont dits ailleurs par rapport à $e_0$ et ne peuvent être en relation causale directe avec lui.

De plus, l'égalité $l/t>c$ est l'inéquation de l'extérieur à quatre dimensions d'un cône dans un espace à quatre dimensions.

Voir aussi

Bibliographie

• Modèle:Ouvrage.
• Modèle:Ouvrage.
• Modèle:Chapitre.

Articles connexes

• Courbe fermée de type temps
• Espace-temps
• Espace de Minkowski
• Ligne d'univers
• Relativité générale