P.A.M. Dirac in 1949 showed that it is possible to construct relativistic dynamic forms starting from the description of the initial state of a given relativistic system in any space-time surface whose distances between two points on this hypersurface has no causal connection. The dynamic evolution corresponds to such a system following a trajectory through this hypersurface. For example, the commonest hypersurface of time t = 0 is our three-dimensional (Euclidean) space. It is invariant by rotations and translations. However, in any transformation of inertial frame of references that involves “boosts”, the time coordinate is modified and, consequently, the hypersurface at t = 0. Other hypersurfaces may be invariant through some kind of “boost”; the hyperplane that is called null-plane is such a hyperplane, defined by x+ = t + z/c, in which c is the speed of light in vacuum, and plays the role of the “time” coordinate in the light-front. The null-plane defined in such a way guarantees that a “boost” in the z direction does not modify the null-plane. Our aim here is to study special relativity under such a transformation of frame of references and see the consequences thereof.

Resumo Nos cursos de relatividade em geral se estuda que as transformações de Lorentz são definidas num espaço com quatro dimensões: três espaciais e uma temporal. Neste trabalho colocamos em discussão uma forma alternativa para definir as transformações de Lorentz na frente de luz via espaço de Minkowski e suas propriedades. Dirac, em 1949, introduziu três formas distintas de dinâmica relativística possíveis, dependendo da escolha que fazemos das diferentes hipersuperfícies caracterizadoras. À primeira, denominou-se de forma instantânea. É a forma mais comum, cuja hipersuperfície é especificada pelas condições de contorno definidas em t = 0 e a evolução do sistema ocorre para instantes t > 0. A segunda, conhecida como forma pontual, tem como superfície caracterizadora uma hiperboloide, descrita pelas condições iniciais em x μ x μ = a 2, sendo a uma constante e t > 0. A terceira, conhecida como forma da frente de luz, tem sua hipersuperfície tangente ao cone de luz, sendo definida pelas condições iniciais em x + = c 2 ( t + z c ) = 0 e a evolução “temporal” prossegue para “instantes x + > 0”. Dessa forma, interpreta-se a variável x + como “tempo” na frente de luz. Os resultados aqui apresentados estão vinculados as transformações de Lorentz expressas nas coordenadas da frente de luz e suas consequências na expressão de diversas quantidades físicas de interesse.

Abstract In undergraduate and graduate courses, one usually studies the Lorentz's transformation defined in four-dimensional space: three spatial dimensions and one temporal. In this work we present an alternative way for the Lorentz's transformations using the light front coordinates via Minkowski space-time and its properties. Dirac in one of his works, published in 1949, introduced three different forms of relativistic dynamics: the usual or most common one, called instant form, characterized by the hypersurface specified by the boundary conditions defined at t = 0 and time evolution for the system at instances t > 0; the point form, whose surface is a hyperboloid, and are described by the initial conditions x μ x μ = a 2 with the constant a and t > 0 and the light front form, whose hypersurface is tangent to the light cone, being defined by the initial conditions at x + = c 2 ( t + z c ) = 0 and the “time evolution” for “instances x + > 0”. Therefore, the variable x + plays the role of light-front “time”. The results we present here are connected to the study of Lorentz's transformations using light-cone coordinates and its consequences in the outcome expressions for diverse physical quantities of interest.

Na teoria quântica de campos usual, descrita no espaço-tempo de Minkowski, os conceitos de partícula e antipartícula surgem associados aos estados de energia positiva e negativa respectivamente. Nesse artigo focando como público alvo alunos de pós-graduação em Física, discutimos de maneira pedagógica como esses conceitos podem ser ou não transferidos quando fazemos uma mudança de coordenadas, do espaço-tempo de Minkowski para as coordenadas do cone de luz. Concluímos que nessas novas coordenadas temos uma arbitrariedade na escolha, uma vez que o sinal da energia fica atrelado ao sinal da componente longitudinal do momento no cone de luz. Embora haja essa arbitrariedade, a correlação de sinal que existe entre a energia e o momento longitudinal implica profundas consequencias físicas. Momentos positivos implicam energias positivas e momentos negativos implicam energias negativas. Isso significa, por exemplo, que no vácuo quântico da frente de luz não pode haver produção de pares partículas e antipartículas, ao contrário do que ocorre no espaço de Minkowski usual.

In the usual quantum theory of fields, as described in the Minkowski space-time, the concepts of particle and antiparticle appear associated with positive and negative energy states respectively. In this article, which is directed to graduate students in physics, we discussed in a pedagogical way how these concepts can be transferred when we make a change of coordinates, from the Minkowski space-time to the coordinates of the light cone. We conclude that these new coordinates have an arbitrary choice, once the sign of the energy is coupled to the sign of the longitudinal component of the momentum in the light cone. Although there is this arbitrariness, the sign correlation between the energy and the longitudinal momentum implies profound physical consequences. Positive momenta imply positive energy, and negative momenta imply negative energies. This means, for example, that in the quantum vacuum of the light front there cannot be any pair production of particle and antiparticle, unlike what happens in the usual Minkowski space.