來源：物理小知識微信公眾號（ID：）
慣性系在哪里，或者說慣性系是一個什么樣的參考系？ 深入研究發(fā)現(xiàn)，無論是理論還是實(shí)踐都存在根本性困難。
首先，我們要問什么是慣性系。 慣性系是建立慣性定律的參考系。 也就是說，在這個參考系中，不受外力作用的物體始終處于靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)。 那么不受外力影響是什么意思呢？ 也就是說，慣性系中靜止或勻速直線運(yùn)動狀態(tài)的物體不受外力的影響，這又回到了慣性系是什么的問題。 這是邏輯上無窮無盡（連續(xù)）的答案，無助于解決什么樣的參考系是慣性系的問題。
其次，實(shí)際上地球是一個相當(dāng)好的近似慣性系。 當(dāng)我們在實(shí)驗(yàn)室觀察許多力學(xué)現(xiàn)象時，我們可以將地球視為一個慣性系統(tǒng)。 然而，地球一直在自轉(zhuǎn)，并且不斷地公轉(zhuǎn)。 太陽自轉(zhuǎn)，有一些力學(xué)現(xiàn)象表現(xiàn)出地球的這種自轉(zhuǎn)效應(yīng)，如慣性離心力、科里奧利力（這是一種假想的力）等。因此，地球并不是一個嚴(yán)格的慣性系。
由太陽及其附近恒星組成的參考系是比地球更好的慣性系。 進(jìn)一步的研究表明，太陽是銀河系中一顆普通的恒星。 它與銀河系中的其他恒星一起繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)，并以變速運(yùn)動。 因此，“太陽參考系”并不是嚴(yán)格的慣性系。 根據(jù)這個經(jīng)驗(yàn)，我們可以取較大天體系統(tǒng)的平均靜止參考系來逼近嚴(yán)格的慣性系。 看來我們可以繼續(xù)逼近慣性系，但卻找不到嚴(yán)格的慣性系。
這樣，我們就得到了支配物體運(yùn)動的機(jī)械定律（牛頓運(yùn)動定律），但我們無法確定牛頓定律所建立的慣性系。 此時，牛頓的力學(xué)理論成為了一座建在海灘上的大廈。 牛頓很清楚他的力學(xué)理論中的這個弱點(diǎn)。 他提出的解決方案是引入絕對空間。 他相信絕對空間的存在（絕對空間就其本質(zhì)而言，與外界任何事物無關(guān)但始終相同且不同。運(yùn)動），以便我們能夠區(qū)分物體是否處于靜止、恒定運(yùn)動狀態(tài)。速度或在絕對空間中變速運(yùn)動，由此可以確定慣性系和非慣性系。 為了說明絕對空間和絕對運(yùn)動的存在，他提出了一個著名的“水桶實(shí)驗(yàn)”，其大致思路如下。
一個裝了一半水的桶掛在一根緊緊絞在一起的繩子上。 松開手后，水桶和水的運(yùn)動經(jīng)歷以下三種情況：
開始時牛頓運(yùn)動定律，桶在繩索的作用下快速旋轉(zhuǎn)，恢復(fù)原來的狀態(tài)（形狀）。 由于水與桶之間的粘性力很小，水還沒有旋轉(zhuǎn)，水面平坦；
在長時間粘性力的作用下，水和桶一起旋轉(zhuǎn)。 水被慣性離心力擠壓向桶壁，水面呈現(xiàn)“凹形”；
讓水桶突然停止，水繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，水面仍呈“凹形”。
牛頓桶實(shí)驗(yàn)
牛頓對上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析認(rèn)為，在情況1和情況3中，水都相對于水桶運(yùn)動，但前者的水面是平的，而后者的水面是凹的； 在情況2和情況3中，無論水相對于水桶是否有相對運(yùn)動，水面都是凹的。 因此，水與桶的相對運(yùn)動并不是水面凹下去的原因。 水面凹下去的真正原因是水在空間中絕對旋轉(zhuǎn)，受到慣性離心力的作用。 這說明存在一個絕對空間，在這個空間中可以觀察到物體的絕對運(yùn)動，并且加速度是絕對的。
牛頓的絕對空間和絕對運(yùn)動繼承了人們古老的直覺，即空間和時間、物質(zhì)及其運(yùn)動是相對獨(dú)立、互不相關(guān)的，并為大多數(shù)人所接受。 它也得到了哲學(xué)家康德的支持，他說：“我們永遠(yuǎn)不可能表示空間的不存在，但我們可以很容易地想象空間中不存在任何物體?！?然而，牛頓的絕對空間和絕對運(yùn)動受到同時代人的批評，其中最著名的是萊布尼茨和貝克萊。 萊布尼茨認(rèn)為，任何與物質(zhì)對象分離的空間概念在哲學(xué)上都是不必要的。 伯克利指出空間是一種“永久的、自存的、無限的、不可分割的、不可改變的、有害且荒謬的東西”，然而，他們卻未能提出任何觀點(diǎn)，并發(fā)展出新的動力學(xué)理論來取代牛頓的理論。然而，他們看似非常批判的批評，對后世仍然存在著潛移默化的影響。
對牛頓絕對空間的第一次建設(shè)性批評是在“牛頓運(yùn)動定律”提出兩百年后出現(xiàn)的。 奧地利物理學(xué)家、哲學(xué)家馬赫在1883年出版的《力學(xué)史評論》一書中批評了牛頓的絕對空間，對空間和絕對運(yùn)動進(jìn)行了深刻的批判。
關(guān)于牛頓的“水桶實(shí)驗(yàn)”，書中寫道：“牛頓的旋轉(zhuǎn)水桶實(shí)驗(yàn)只是告訴我們，水與桶壁的相對旋轉(zhuǎn)并不會產(chǎn)生顯著的離心力，而這個離心力是由水與桶壁的相對旋轉(zhuǎn)引起的。地球和其他天體的質(zhì)量。由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生。如果桶壁變得越來越厚，直到幾英里厚，沒有人能說這個實(shí)驗(yàn)的結(jié)果會是什么?！? “如果水桶固定，星星旋轉(zhuǎn)，是否可以再次證明離心力是否存在？” 在馬赫看來，牛頓水桶實(shí)驗(yàn)中水面的凹行為無法區(qū)分是水相對于絕對空間的旋轉(zhuǎn)還是水的旋轉(zhuǎn)。 因此，相對于恒星的自轉(zhuǎn)，不能得出絕對空間存在的結(jié)論； 相反，如果把水面的凹下行為看作是由于水相對于恒星的旋轉(zhuǎn)，那就是水桶內(nèi)壁外部質(zhì)量的吸引和吸引。 開車造成的事情會更加自然。
馬赫基于他對世界非常獨(dú)特的哲學(xué)見解，對牛頓的絕對空間提出了深刻的批判。 他在書中寫道：“我們決不能忘記，世界上的一切都是相互聯(lián)系、相互依存的?！?需要指出的是，馬赫強(qiáng)調(diào)相互關(guān)系和相互依存（相互影響）。 不存在只有一方依賴一方而不依賴另一方的情況，一方可以影響另一方而不被另一方影響。 ，是虛構(gòu)的，并且“與科學(xué)的思維方式相矛盾”（愛因斯坦的話）。 絕對空間在牛頓力學(xué)中是虛構(gòu)的，它影響物體的動態(tài)特性。 例如，慣性定律只相對于絕對空間成立，但物質(zhì)的運(yùn)動反過來卻不能對絕對空間產(chǎn)生絲毫影響。 既然它是虛構(gòu)的，無法被人們的經(jīng)驗(yàn)所證實(shí)，它就應(yīng)該被從科學(xué)中剔除。 總結(jié)起來，馬赫的觀點(diǎn)是：
物體的運(yùn)動不是絕對空間中的絕對運(yùn)動，而是相對于宇宙中其他物質(zhì)的相對運(yùn)動。 因此，不僅速度是相對的，加速度也是相對的；
非慣性系統(tǒng)中物體的慣性并不是“虛”的，而是引力的表現(xiàn)，是宇宙中其他物質(zhì)對物體的總作用；
物體的慣性不是物體本身的屬性，而是宇宙中其他物質(zhì)作用的結(jié)果。
馬赫的精辟見解被愛因斯坦稱為“馬赫原理”。 他的批評使人們對運(yùn)動和慣性的認(rèn)識發(fā)生了重大變化。
牛頓的觀點(diǎn)：
有絕對的空間和絕對的運(yùn)動。 物體的慣性是其自身的屬性。 如果物體周圍的所有其他物質(zhì)都被移除，該物體將由于其自身的慣性而繼續(xù)移動。
馬赫的觀點(diǎn)：
絕對空間和絕對運(yùn)動根本不存在。 物體的運(yùn)動是相對于宇宙中天體的運(yùn)動而言的。 物體的慣性是宇宙中所有天體共同作用的結(jié)果。 如果去掉一個物體周圍的所有其他物質(zhì)（物體），就無法判斷它在做什么運(yùn)動牛頓運(yùn)動定律，因此它不再具有所謂的“慣性”。
馬赫獨(dú)特的思想指出了牛頓力學(xué)理論基礎(chǔ)的缺陷，也為改造牛頓力學(xué)理論提供了機(jī)會。 這就是放棄絕對空間和絕對運(yùn)動，將物體的慣性與宇宙中所有其他物質(zhì)對其的影響聯(lián)系起來。 。
愛因斯坦建立狹義相對論后，他意識到“狹義相對論只是必然發(fā)展過程的第一步”。 他不斷思考狹義相對論的缺陷。
因此，需要發(fā)展一種更廣泛的相對論，將引力問題納入其中，并能夠回答是否存在特別優(yōu)越的參考系。 馬赫的思想無疑對愛因斯坦產(chǎn)生了重要的啟發(fā)。 愛因斯坦曾說過：“可以肯定地說，馬赫是廣義相對論的先驅(qū)”。
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