Lichtkegel

Lichtkegel ist ein Fachbegriff aus der Physik, der zwei eng verwandte Bedeutungen hat. Zum einen beschreibt er den kegelartigen Strahlungsbereich um eine Punktlichtquelle in der Optik – der Lichtkegel des Strahls. Zum anderen bezeichnet er in der Relativitätstheorie den Licht- bzw. Nullkegel in der Raumzeit: die konische Grenze zwischen Ereignissen, die durch Signale mit Lichtgeschwindigkeit erreicht werden können, und solchen, die dafür zu weit entfernt sind.

In der Raumzeit wird der Lichtkegel als Doppelkonus beschrieben: der Zukunftskegel ausgehend vom Ausgangsevent und der Vergangenheitkegel, der den rückwärts gerichteten Lichtweg beschreibt. Formal wird der Raumzeitinterval s^2 = c^2 t^2 - r^2 verwendet; für Lichtstrahlen gilt s^2 = 0, und dieser Nullkegel bleibt unter Lorentztransformationen invariant. Die Struktur des Lichtkeils bestimmt die Kausalität, da Ereignisse außerhalb des Zukunftskegels nicht von dem Ausgangsevent beeinflusst werden können.

In der Optik bezeichnet der Lichtkegel den konischen Ausbreitungsbereich des Lichts von einer Punktquelle oder einer fokussierenden Optik. Der Halbwinkel α des Kegels bestimmt die Divergenz des Strahls und wird oft durch die numerische Apertur NA eines Systems festgelegt. Der zugehörige Strahlungsanteil lässt sich über das konische Sektorvolumen bzw. das daraus resultierende Solid angle Ω = 2π(1 − cos α) beschreiben.

Der Begriff findet breite Anwendung in Wissenschaft, Technik und Lehre, insbesondere bei der Beschreibung von Lichtausbreitung, Beugung, Detektion und der Analyse von kausalen Strukturen in der Raumzeit.