四維動量／四動量（four-momentum）
在牛頓物理中，能量與動量是分開記帳的。相對論把它們融合成單一四維向量：四維動量把粒子的能量打包成它的時間分量，把一般的動量打包成它的空間分量。能量守恆與動量守恆遂合為一條定律——一個四維向量的守恆。
四維動量為 p^mu = m U^mu = (E/c, p_x, p_y, p_z)，其中 m 是（靜止）質量、U^mu 是四維速度、E = gamma m c^2 是相對論能量、p = gamma m v 是相對論三維動量。其不變大小為 p·p = eta_munu p^mu p^nu = (E/c)^2 - |p|^2 = m^2 c^2，在每個參考系中都相同。在碰撞或衰變中，總四維動量守恆：sum p^mu(入) = sum p^mu(出)，這單一方程式同時蘊含能量守恆與動量守恆。
這是粒子物理的主力工具。由於 p·p = m^2 c^2 是不變量，你可以從衰變產物的能量與動量算出一個未知粒子的質量（「不變質量」），無論你在哪個參考系中測量。要注意：這裡的 m 是不變的靜止質量，是粒子的固定性質；較舊的、與速度有關的「相對論質量」gamma m 概念如今已不鼓勵使用，因為它模糊了 m 是 p^mu 之與參考系無關的大小這一事實。對光子而言 m = 0，給出 E = |p|c 與零四維動量 p·p = 0。
兩個各具能量 E 的光子背對背飛離。個別而言每個都無質量（p·p = 0），但總四維動量為 (2E/c, 0, 0, 0)，其不變大小給出系統靜止質量 M = 2E/c^2。這就是一對無質量粒子如何能攜帶非零不變質量——「能量轉化為質量」的基礎。
四維動量守恆讓你能為一個粒子系統賦予不變質量。
只有總四維動量守恆，而且只在無外力時守恆；個別粒子的四維動量在交互作用中會改變。在非彈性碰撞中，動能本身不守恆，但包含靜止能量的完整能量分量 E 守恆。