星尘科普之物理特刊·光锥

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大家还记得《三体二（黑暗森林）》中的一句话“光锥之内皆是命运,光锥之外皆是虚无”吗？有很多小伙伴就问我，老尘舟，光锥是什么玩意啊？那么，今天在这里就给大家聊聊“光锥”是怎么一回事……

形成

我们先假设将一块石头扔进水塘，水表面的涟漪向四周散开，并且涟漪以圆周的形式越变越大，这个二维的池塘水面加上一维的时间，扩大的水圈与时间就能画出一个圆锥，顶点是石头击中到水面的地方和时间。

类似地，从一个事件出发的光在四维的空间-时间里形成了一个三维的圆锥，这个圆锥称为事件的过去光锥。

它的宇宙学意义就是当我们遥望夜空的时候，我们看到的宇宙，天空的状态，不同于一幅瞬时拍摄的快照所显示的图像，因为光从遥远的地方到达我们这里要花一定的时间，我们在天空中所见到的任何一个天体都是它在发光瞬间的像。望远镜好比是”望时镜”。天体离的越远，我们今天见到的像在时间上就倒退的越早。实际上我们所见的宇宙是一个穿越时空回溯的像。

原理

同样道理，一个事件将产生一个未来光锥，事件以光速向我们逼近，它的物理影响在到达前是完全无法预测的，因为我们没有发现事件发生，我们此刻还在这个事件的未来光锥之外。例如，假定太阳现在停止发光，这个事件不会对此刻的地球发生影响，我们只能在八分钟后，当地球位于太阳停止发光这一事件的未来光锥之内才受到绝对过去发生的这一事件的影响。

从宇宙的起源和发展来看，宇宙从奇点开始，从奇点发射出光锥，宇宙所有可能发生的事件都被包括在这个光形成的圆锥中，时间轴是圆锥的中心轴，即是圆锥的高。随着时间的推移，光锥底面越来越大，也就是宇宙发展方向的可能性越来越多。但这一切都是对于奇点(时间零点，宇宙的开端)来说的。对于奇点后的任意时刻的宇宙，其未来发展方向则是以该点向后(沿时间轴方向)发射出的子光锥。任意子光锥都被包括在从奇点发射出的光锥中。根据这个模型，不同的宇宙可能会有相同的未来，因为如果时间无限，同一时刻的任意两个子光锥(在同一时刻处于光锥底面的不同两点)一定会有重合的部分，且这两个不同的宇宙差异越小，重合部分(即有大致相同的未来的可能性)越大，发展成一致的未来所需要的时间越短。

理解

现在我相信大家都大致的明白了“光锥”了。

那我们就一起来总结一下：

光锥，时空中的面，在上面标出光通过一给定事件的可能方向。 以时间维t替换三维空间之一维(如z)，选择事件发生之点(x0,y0,t0)为原点，则此事件所能影响之空间范围为以ct(上限速度光速c与时间t的乘积)为半径所包围之圆(或球，如果考虑z);此空间内一系列沿时间轴方向(F)的圆锥即称之为光锥(将来光锥)。

另一方面在时间轴相反方向(P)与之对称之锥显示了能够对此事件发生产生作用的空间范围，称为此事件的过去光锥。光锥外的事件(他处)点无法与原点事件发生物理学意义上的因果关系。

图像