物质在狭义相对论与牛顿力学中的同和异

       （《物理学上的时空与物质31）

        第四章  狭义相对论关于物质的基本概念和基本规律

§4.1  狭义相对论中的物质 

 在第二章我们已经讲过物理学中物质的共性，这些共性是普遍存在的；无论是对牛顿力学、对狭义相对论、对广义相对论（或其它相对性引力理论）全都存在这些共性。我们也讲过，目前物理学中主要和大量研究的对象是位于地球附近（或恒星附近）的物质；在这些区域，暗物质、暗能量均可忽略不计，故本书在讨论牛顿力学和狭义相对论时，都不考虑暗物质和暗能量。我们还讲过，按照所研究物体的运动和其所受万有引力情况，物理学往往把重子-轻子物质（即通常的物质）分为三个范围：1、低速、弱引力范围，这是牛顿力学所研究的范围；2、高速、引力可忽略不计的范围，这是狭义相对论所研究的范围；3、高速和低速、引力不能忽略不计或强引力范围，这是广义相对论所研究的范围。因之在狭义相对论中，我们恒假定：1、引力不存在或引力可忽略不计，2、物体的速度接近光速或者物体的速度与光速比值的二次项不能忽略不计。

与牛顿力学相似，为了便于研究，在狭义相对论中，也需要对物质的大小、形状、体积、和结构进行一些简化或抽象。在牛顿力学中，常把一个体积和线度有限的物体简化和抽象为一个质点。牛顿力学先研究质点的动力学，再在质点动力学的基础上研究质点系的动力学；并根据物体的体积、形状是保持不变还是可变来把质点系抽象为固体、液体、或气体。在狭义相对论中，我们也常把一个体积和线度有限的物体简化和抽象为一个质点，也是先研究质点的动力学，再在质点动力学的基础上研究质点系的动力学。不过，对质点系中各质点之间相互作用力之特性的看法，狭义相对论与牛顿力学是不相同的。

牛顿力学认为：时间是绝对的，‘同时’概念也是绝对的，力的传播是瞬时的。相对任何惯性参照系来说，两个质点之间的作用力和反作用力，永远是同时出现、同时消失。在研究质点系时，常要用到这些特性。可是，狭义相对论认为：时间不是绝对的，‘同时’概念也不是绝对的，是与所采用的惯性参照系有关的；力的传播是需要经历一段时间的。如果认为在某一惯性参照系中，两个质点之间的作用力和反作用力是同时出现、同时消失的，在任意别一惯性参照系中，两个质点之间的作用力和反作用力就不可能总是同时出现、同时消失的。这表明，在狭义相对论中，牛顿运动第三定律是不成立的。然而，在下面我们可以看到，质点系的4维动量仍是守恒的，这意味着如果一个质点的4维动量减少了，另一个质点的4维动量将要增加。于是我们就有可能用4维动量的传递来代替力的传递，狭义相对论和基本粒子理论就是这样做的。下面我们更具体地来说明这个问题。