2、狭义相对论中的质点属性及时空特征

在狭义相对论“火车对时”实验中，爱因斯坦用光作为观察、记录物体时空的信号，时空体系建立之前参照物(火车)并不是质点[2]。

爱因斯坦设“火车”的长度为A′B′，地面对应的长度为AB，A′B′、AB的中点各自有观察者M′、M。下面分四种情况进行讨论[3]。

(1) 把火车当成质点。

火车上的A′、B′、M′，地面上的A、B、M均重合在一起，事件之间的感知信号通过A′B′、AB均不需要时间。观察者M′、M均同时收到A′、B′，A、B发出的闪光。火车和地面同时性定义相同，t＝t′的时空机制即可形成。火车看成质点，火车坐标系K′与地面坐标系K中的时空度量相同。

(2) 光速无限大。

光速c＝∞，不管火车长度怎样，运动与否，不管地面坐标系K，还是火车坐标系K′，光通过任何距离都不需要时间。M′、M均同时看到闪光。坐标系K，K′的时空量度相同。把火车当成质点与承认光速无限，时空度量机制等价。所以牛顿力学中的质点模型，实际上承认有无限大作用信号速度存在。

其实，当光速无穷大时，经验上我们只能把物体当成质点，因为无穷大的光速使物体不同部分发出的光全部同时到达观察者，物体的形状无法区分，只能是一个质点。

(3) 火车不动，v＝0。

火车不动，v＝0，火车与路基属同一参照系。A′、B′、M′与A、B、M永远重合，不管光速如何，M，M′总是同时收到闪光。坐标系K、K′内的时空量度相同。

把火车看成质点，承认对时信号速度无穷大与火车不动，三者在时空机制的建立上都是等价的，都可回到伽利略变换。

(4) 光速有限，火车有长度A′B′，且以速度v运动。

爱因斯坦假设火车有长度A′B′，且以速度v运动，出现一个中点对时方案，推导出坐标系K与K′时空量度的差异。火车坐标系与地面坐标系时空量度的区别依赖于三个前提：一是火车不是质点，二是感知事件发生的信号速度不是无穷大，三是火车必须有一个不等于零的速度。是上述三个前提条件造成了火车和地面坐标系中时空量度的差异，并有形或无形地表现在洛伦兹变换及其数学推导中。

狭义相对论时空亦是均匀平直时空，时空度规虽是平直度规，但与欧氏时空度规有明显区别，所以称为赝欧氏时空。

    牛顿力学与狭义相对论相比，在从参照物到坐标系的抽象中，有如下三点重要区别：

其一，牛顿力学中，在参照物上建立坐标系时，物体因几何大小和观察信号在运动中引起的同时性的变化忽略掉了。狭义相对论不同，起初它并不把参照物当成质点，而是有一定的几何大小，尔后则把运动物体上因对时信号变化引起时空量度的变化，通过参照物到坐标系的抽象，将洛伦兹所称运动物体自身的时空收缩演变成了坐标系时空框架的属性。

其二，感知事件的信号速度不能是无穷大。如果传递事件发生的信号速度无穷大，人类将无法感知物体的几何大小，因为物体任何部位发来的信号都同时到达观察者。在无限大作用速度中，被观察的任何物体都只能是质点，除非发光体不同部位不同时发光。狭义相对论中，爱因斯坦用以观察事件发生的信号是光，光的传播速度是有限的。从理论上讲，当传递事件发生的信号速度不是无穷大时，任何物体都不能看作是质点，因为物体不同部位发来的光(不同事件)不可能同时到达观察者。

其三，狭义相对论中物体仍然是质点。如何与光速有限形成的时空机制统一？原来狭义相对论在讨论质点的运动规律之前，做了一次从参照物到坐标系的抽象，把一个不是质点的物体因运动而引起的时空量度的变化，在参照物到坐标系的转换中，变成了坐标系的固有属性，而参照物则从时空属性变化造成的困境中解脱出来，还原成了质点。由于运动的相对性，于是同时规定凡是以此参照物描述的其他任何运动物体都具有这样的属性，被描述的物体就又可归为质点。坐标系变成时空量度随运动状态可变的框架，物体还原成了质点，讨论质点的运动规律，这就是狭义相对论。

狭义相对论中的质点仍然具有牛顿力学质点的属性，动量、能量、位置和时间都是确定的，质点的运动也具有确定的轨迹。质点亦是狭义相对论的力学模型。

空间——物质的广延性，由哲学概念转化成为物理概念。狭义相对论显然比牛顿力学前进了一步，考虑了信号作用速度的有限性对时空建立的影响，深刻揭示了时空产生的机理。