四矢量

四矢量是时空中天然的箭头：一个带有四个分量的对象——一个属于时间、三个属于空间——它们作为一个完整的几何整体连在一起。最基本的例子是一个事件的位置，(c t, x, y, z)，把「何时」与「何处」捆成一个量。把它们归并在一起的意义在于：当你在不同观察者之间切换时，它们会作为一个整体一同变换，方式恰好由洛伦兹变换所规定。

为什么要这样打包？因为它把观察者各执一词的三维量，变成了他们对其结构达成一致的四维对象。比如能量与动量，在日常物理里看似是两个分开的东西，但相对论揭示出它们其实是同一个能量-动量四矢量的时间部分与空间部分——正如时间和空间是同一个时空的两副面孔。一次把时间掺进空间的观察者变换，会以完全相同的方式，把能量掺进动量。

每个四矢量都有一个用时空减号法则算出的不变「长度」，尽管各个分量并不相同，这个长度对所有观察者却是一样的。对能量-动量四矢量来说，这个不变的长度就是粒子的静止质量——一个固定的、与参考系无关的事实，而它的能量与动量各自却取决于由谁来观看。用四矢量来思考，就好比从「用一根斜放木棍投下的几道分开的影子去描述它」，切换到「直接描述这根木棍本身」：影子会随光照改变，木棍却不会。