Nón ánh sáng trong thuyết tương đối

Bởi vì ánh sáng không có khối lượng và truyền đi nhanh hơn bất kỳ thứ gì khác – nhanh đến mức nó có cùng tốc độ trong mọi hệ quy chiếu, nên nó có khả năng đặc biệt cho chúng ta biết về cấu trúc của không-thời gian trong thuyết tương đối. Lần theo ánh sáng sẽ giúp chúng ta hình dung ra không-thời gian. Để hiểu rõ hơn về thuyết tương đối hẹp và rộng, chúng ta cần hiểu về nón ánh sáng.

Nón ánh sáng chỉ đơn giản là dấu vết của một tia sáng. Chúng ta hãy vẽ một bức tranh về nó. Hãy bật bóng đèn và gọi sự kiện này – tại vị trí không gian và thời gian này – là P. Ánh sáng sẽ tỏa ra từ bóng đèn theo mọi hướng. Khi được vẽ theo hai chiều không gian, nó sẽ trông giống hình B (nhìn từ trên xuống). Nếu thêm thời gian vào hình này, nó sẽ trông giống như một hình nón – vì một chiều không gian không được biểu thị, nên các vòng tròn thực ra là hình cầu.

Ở đây P là thời điểm bạn bật bóng đèn. Các vòng tròn sau đó sẽ mở rộng ra trên sơ đồ khi ánh sáng đi xa bóng đèn theo thời gian tăng dần. Đường đi của các tia sáng tạo thành một hình nón – do đó, ta có thuật ngữ nón ánh sáng. Hình nón đặc biệt này được gọi là nón ánh sáng tương lai.

Điểm trong biểu đồ – sự kiện bật đèn – cũng có một nón ánh sáng quá khứ mà chúng ta có thể vẽ ra được. Nón ánh sáng quá khứ đại diện cho tất cả các tia sáng trong vũ trụ có thể đi đến điểm P trong không-thời gian. Ánh sáng di chuyển rất nhanh, nhưng nó vẫn chỉ có tốc độ hữu hạn. Ánh sáng từ mọi bóng đèn không thể đi đến tất cả sự kiện. Do đó, ánh sáng từ bóng đèn được bật tại điểm Q không thể đi tới điểm P. Các tia sáng trong các biểu đồ này luôn truyền từ các điểm trong không-thời gian ở các góc 45o.

Do đó, người quan sát tại P không thể thấy bóng đèn ở Q được bật, nhưng nếu đợi một lúc, đến điểm R thì người đó sẽ có thể nhìn thấy nó. Đây là một chuyện thường thấy. Khi nhìn bầu trời đêm, mắt bạn tiếp nhận những tia sáng từ các vì sao đã chu du hàng triệu năm. Tối hôm trước, bạn không thể thấy những tia sáng đó vì chúng ở bên ngoài nón ánh sáng quá khứ của bạn. Nhưng hôm nay chúng lại nằm bên trong.

Nguồn: Trích từ sách “Dẫn nhập ngắn về khoa học – Thời gian”
P/s: Chủ đề này cũng đã được giải thích cụ thể trong Lược sử thời gian của Stephen Hawking