四動量

在日常物理裡，你為一個運動物體記兩本獨立的帳：它的能量（攜帶多少勁頭）和它的動量（沿某方向有多大推力）。狹義相對論揭示，這兩者其實並不分立——它們是同一個對象的兩個面，就像一個人的身高與身寬是同一具身體的兩種視角。這個單一對象就是四動量：四個一同行進的數字捆在一起，一個對應能量，三個對應沿 x、y、z 方向的動量。

為何要捆在一起？因為不同觀察者以不同速度運動，對一個粒子的能量、對它動量的每個分量都各執一詞，正如站在不同角度的兩個人對一張桌子看起來多寬意見不一。但他們都認同這四個數如何一同變換，也都認同由它們構成的一個組合——不變質量。把能量與動量當作一個四分量對象處理，能讓快速粒子的方程變得簡潔且與參考系無關。在自然單位下，四動量的各部分就是能量 E 和三個動量分量。

四動量是粒子物理的核心記帳工具。最大的規則是：任何交互作用中總四動量守恆——把進入一次碰撞的所有東西的四動量加起來，等於出來的總和，能量與三個動量方向各自分別平衡。從這一條定律便流出了對不可見粒子的重建、產生新粒子所需閾值的計算，以及對每一次衰變的分析。當物理學家說某過程「守恆四動量」時，意思就是能量與動量這兩本帳都必須平。