在牛頓力學里，時間是絕對的，所有參考系都共用同一個時間。因此，只要在某個參考系里事件A先于事件B發生，那必然在所有的參考系里事件A都先于事件B。

比如，我們在某個參考系里觀察到一個人先出生，后去世。那么，不管你在哪個參考系里觀察，都會看到這個人先出生，后去世。因為牛頓力學里只有一個時間，因此這個非常自然的，因果律也不會出現什么問題。

但是，到了狹義相對論這里，事情就有點不一樣了。

我們都知道，狹義相對論里時間是相對的。在一個參考系里同時發生的兩個事件，在另一個參考系就可能是不同時的，這就是同時的相對性。同時的相對性是愛因斯坦創立狹義相對論的關鍵。

既然在狹義相對論里同時性是相對的，時間也是相對的，那我們就有一個疑問了：既然時間是相對的，那么在一個參考系里具有因果關系的兩個事件（比如一個人先出生，后去世），是否有可能在另一個參考系里因果顛倒了呢（變成先去世，后出生）？

這就是狹義相對論里的時序和因果問題。

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為了讓大家更直觀地理解這個事，我們來看一個更簡單的例子：我們在地面系K看到一把手槍沿著x軸正方向發射了一發子彈，擊碎了一個花瓶。我們把子彈發射的事件記為p1，擊碎花瓶的事件記為p2。

在地面系，我們記錄了子彈發射的時間為t1，在x軸的坐標為x1。也就是說子彈發射事件可以記為p1（t1，x1），同樣，擊碎花瓶的事件可以記為p2（t2，x2）。

因為我們在地面系K觀察到的是子彈先發射，后擊碎花瓶，那么，在地面系自然就有t2》t1?，F在我們變換參考系，假設在一個新的慣性系K‘里，將子彈發射的發射事件p1記為（t1’，x1‘），擊碎花瓶事件p2記為（t2’，x2‘）。

如果在慣性系K’里，我們依然看到先發射子彈，后擊碎花瓶，也就是有t2‘》t1’，那么事件發生的時序就沒有改變，因果律也不受影響。但是，如果你一旦發現在K‘系里出現了t2’《t1‘，那就表示在這個新的慣性系里擊碎花瓶的事件先于子彈發射事件發生，那時序就更改了，因果律就會受到嚴重的威脅。

那么，我們要如何討論慣性系K’里時間t1‘和t2’的關系呢？答案，當然是根據洛倫茲變換。

在狹義相對論里，聯系兩個慣性系之間時空變換關系的就是洛倫茲變換：

也就是說，如果一個事件在地面系K的發生時間為t，那么，在相對地面以速度v向右運動的慣性系K‘里，這個事件的發生時間就變成了上面的t’。

如果我們再取幾何單位制，也就是取光速c=1，那么時間t‘的表達式就可以簡化為：t‘=γ（t-vx）。

很顯然，假設地面系事件p1和p2發生的時間差表示為Δt（Δt=t2-t1），那么，根據上面的式子，慣性系K’里這兩個事件的時間差Δt’=γ（Δt-vΔx）（這里Δt‘=t2’-t1‘）。

這就是說，如果Δt‘》0，那么在慣性系K’里依然是p2在p1之后發生，時序并未發生變化，不存在因果律問題；如果Δt‘《0，那就是說慣性系K’里p2（擊碎花瓶）先于p1（子彈發射）發生，時序發生了改變，因果律面臨挑戰。

那么，Δt‘=γ（Δt-vΔx）是大于0還是小于0，我們要怎么看呢？

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在狹義相對論里，同一個事件在不同的慣性系里可以有不同的時間坐標和空間坐標，兩個事件之間的時間間隔和空間間隔都是相對的。但是，它們組成在一起的時空間隔確是絕對的，是不隨任何參考系的改變而改變的，這是狹義相對論的核心，甚至可以說是狹義相對論的全部內容（這個結論通過洛倫茲變換可以很容易證明出來，這里不細說）。

也就是說，在地面系K和慣性系K’里，事件p1=（t1，x1）=（t1‘，x1’）和事件p2=（t2，x2）=（t2‘，x2’）的時間間隔可能并不相同（Δt≠Δt‘），空間間隔也并不相同（Δx≠Δx’）。

但是，它們的時空間隔肯定是相等的，即：-Δt2+Δx2=-Δt’2+Δx‘2（時空間隔的定義為I=-Δt2+Δx2）。

因為兩個事件的時空間隔是絕對的，在任何參考系里都是相同的。因此，我們可以用兩個事件的時空間隔這個絕對量作為標準，來討論不同慣性系里事件的時序，這樣討論出來的結果就對任何參考系都有效。

接下來，我就給出下面這個極為重要的結論：如果兩個事件之間的時空間隔小于0，也就是I=-Δt2+Δx2《0（我們稱這個間隔是類時的），那么，任何洛倫茲變換都不會改變時序；如果兩個事件之間的時空間隔大于0，也就是I=-Δt2+Δx2》0（我們稱這個間隔是類空的），那么，則必有改變時序的洛倫茲變換。

這個結論其實很容易證明，你想，如果兩個事件的時空間隔是類時的，也就是I=-Δt2+Δx2《0。那么，自然就有Δx2《Δt2，因為Δt是地面系兩個事件的時間間隔，我們約定Δt》0，那么就有|Δx|《Δt。

而我們這里采用的是幾何單位制，光速c=1，而我們也知道狹義相對論里所有物體的速度都是小于光速的，兩個慣性系之間的相對速度v《1。于是，很自然就有Δt》|Δx|》v|Δx|。

由于Δt》v|Δx|，那么Δt‘=γ（Δt-vΔx）》0。也就是說，在地面系K里有Δt》0，在慣性系K’里，依然有Δt’》0。這樣，時序就沒有發生改變，在一個慣性系K里先發生事件p1后發生p2（Δt》0），在另一個慣性系K‘里依然是先發生事件p1后發生事件p2（Δt’》0），因果律依然得以維持。

同樣，你可以類似的證明，如果兩個事件之間的間隔是類空的，也就是I=-Δt2+Δx2》0，那必然有改變時序的洛倫茲變換。

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這結論到底告訴我們什么呢？如果兩個事件之間的時空間隔是類時的，那么，無論你怎么構造洛倫茲變換更改參考系，都不會影響這兩個事件的時序。在一個參考系里是事件A先事件B后，那么在所有的參考系里就都是事件A先事件B后，這樣當然就不存在因果律困難。

那么，兩個事件之間的時空間隔是類時的是什么意思？簡單來說，如果我們畫一個二維的時空圖，橫軸代表空間x，縱軸代表時間t，那么時空圖里斜率的倒數就代表速度。

因為我們采用的是幾何單位制（c=1），因此45°的那條直線的斜率為1，也就是說如果有一個粒子的運動軌跡是45°線，那么它就是以光速運動的。而一般有質量的粒子，速度小于光速c，那么在時空圖里的斜率就會大于1（這樣斜率的倒數-速度才會小于1，也就是小于光速了，如L2）。

而時空間隔的定義，我們前面也說了：I=-Δt2+Δx2。如果兩個事件之間的時空間隔小于0，我們就說這個時空間隔是類時的。你可以看到，如果讓時空間隔I《0，就需要想粒子在x軸方向的變化Δx小于在時間t上的變化Δt，也就是它們的連線是偏向時間軸t，就像L2那樣。

這樣，等于說我們就知道了：如果兩個事件之間的時空間隔是類時的，任何洛倫茲變換都不會改變時序。而且，任何一個有質量的粒子在時空圖上走的軌跡（叫粒子的世界線），任何兩點之間的時空間隔也是類時的，否則這個粒子就要超光速了。

把它們連起來，那么任何真實粒子自己世界線上的事件，在狹義相對論里，在洛倫茲變換下都不會改變時序，都不會出現因果律問題（我們上面的只證明了沿x軸方向洛倫茲變換有這個特性，其實一樣可以證明任意方向的洛倫茲變換都有一樣的結論）。

也就是說，比如我們地面系看到子彈一開始在手槍這里，過了一段時間之后跑到了花瓶這里。那么，子彈發出事件和擊碎花瓶事件就都是子彈世界線上的兩個事件，這樣兩個事件之間的時空間隔必然是類時的，因此不論在哪個參考系里看，你都只能看到子彈先發出，后擊碎花瓶，不會違反因果律。

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如果兩個事件之間的時空間隔是類空的，也就是兩點的連線會偏向空間坐標x這邊，那么就必然會出現改變時序的洛倫茲變換（這個結論的后一半）。也就是說，必然會在某個慣性系看到這兩個事件的時序不一樣，會先后顛倒。

但是，因為兩個類空的事件不可能是一個粒子的世界線，它們之間本來就沒有因果關系。什么叫因果？事件A發生了一個信號，這個信號影響出現了事件B，這樣我們才能說它們之間有因果關系。因為相對論里信號傳遞的速度有一個上限，也就是光速，因此兩個有因果聯系的事件之間，最大也就通過光速聯系。

而兩個有類空間隔的事件，如果它們之間有信號聯系，那必然超光速，這是相對論里不允許的。因此，兩個類空事件之間必然沒有因果聯系，所以，它們在不同的參考系里時序不一樣也沒有什么大驚小怪的。

基本上，你只要看到誰誰誰說他從狹義相對論的時間、空間的相對性出發，發現了有什么事情違反了因果律。那么，要么是他想錯了，要么就是這兩個事件之間的時空間隔是類空的，二者本來就沒有因果聯系。

比如，我們在地面系看到張三家的雞下了一個蛋，然后0.1秒以后，在30萬公里以外的李四家的狗叫了一聲。這樣兩個事件，完全可以在另一個參考系里看到是李四家的狗先叫的，張三家的雞后下的蛋，但是這不會破壞因果律，因為這兩個事件之間的時空間隔是類空的，它們本來就沒有因果聯系。

當然，你可以讓這兩個事件之間變得有因果聯系。比如，張三家的雞下了蛋以后，我們立馬用光信號通知李四，讓他家的狗叫一聲。但這樣的話，30萬公里你至少需要1秒鐘（光速c≈30萬公里/秒），是不可能在0.1秒內完成的。

因為時空間隔是絕對的，兩個事件只要在某一個慣性系里的時空間隔是小于0的，是類時的，那么在所有的慣性系里就都是類時的。所以，如果你想再尋找一個參考系，讓在另外一個參考系里兩個事件變得“光速可及”，也就是讓它們的時空間隔變成類時的，就趁早死心吧~

雖然我們上面討論的結論只是在二維洛倫茲變換（只沿著x軸）下得到的，但其實在任意洛倫茲變換下結論都成立，這個我就不再證明了。

最后，雖然我們上面討論兩個事件的時空間隔時，只討論了類時的（I《0）和類空的（I》0）兩種。但是，顯然還有一種I=0的情況，這種時空間隔叫類光的。從時空圖可以輕易看出，如果I=0，必然導致Δx=Δt，那么速度v=Δx/Δt=1，也就是光速。

也就是說，如果兩個事件的時空間隔是類光的（I=0），而且這還是某個粒子的世界線，那就只能是光子或者其它光速運動的粒子。不難想象，它們也不會改變因果，是一個擦邊的情況。

這樣，大家明白狹義相對論里因果律的問題了么？