Я не понимаю, почему преобразования должны быть линейны
Есть такие инерциальные системы отсчета (только их и рассматриваем), в них траектория тела, на которое не действуют силы, - прямая линия. Значит, преобразования Лоренца должны переводить прямую в прямую. Преобразования, обладающие этим свойством, не исчерпываются линейными, но остальные преобразования такого типа сингулярны - конечная точка пространства-времени улетает в бесконечность, что явно нехорошо. Естественно считать, что преобразование должно быть непрерывным, а тогда такое преобразование может быть только линейным.