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，無論是理論還是實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，實際上地球是一個相當好的近似慣性系。 當我們在實驗室觀察許多力學現象時，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，并且不斷地公轉。 太陽自轉，有一些力學現象表現出地球的這種自轉效應，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，并以變速運動。 因此，“太陽參考系”并不是嚴格的慣性系。 根據這個經驗，我們可以取較大天體系統(tǒng)的平均靜止參考系來逼近嚴格的慣性系。 看來我們可以繼續(xù)逼近慣性系，但卻找不到嚴格的慣性系。
這樣，我們就得到了支配物體運動的機械定律（牛頓運動定律），但我們無法確定牛頓定律所建立的慣性系。 此時，牛頓的力學理論成為了一座建在海灘上的大廈。 牛頓很清楚他的力學理論中的這個弱點。 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（絕對空間就其本質而言，與外界任何事物無關但始終相同且不同。運動），以便我們能夠區(qū)分物體是否處于靜止、恒定運動狀態(tài)。速度或在絕對空間中變速運動，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動的存在，他提出了一個著名的“水桶實驗”，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，水桶和水的運動經歷以下三種情況：
開始時牛頓運動定律，桶在繩索的作用下快速旋轉，恢復原來的狀態(tài)（形狀）。 由于水與桶之間的粘性力很小，水還沒有旋轉，水面平坦；
在長時間粘性力的作用下，水和桶一起旋轉。 水被慣性離心力擠壓向桶壁，水面呈現“凹形”；
讓水桶突然停止，水繼續(xù)旋轉，水面仍呈“凹形”。
牛頓桶實驗
牛頓對上述實驗結果進行分析認為，在情況1和情況3中，水都相對于水桶運動，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動，水面都是凹的。 因此，水與桶的相對運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，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動，并且加速度是絕對的。
牛頓的絕對空間和絕對運動繼承了人們古老的直覺，即空間和時間、物質及其運動是相對獨立、互不相關的，并為大多數人所接受。 它也得到了哲學家康德的支持，他說：“我們永遠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。 萊布尼茨認為，任何與物質對象分離的空間概念在哲學上都是不必要的。 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，并發(fā)展出新的動力學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性批評是在“牛頓運動定律”提出兩百年后出現的。 奧地利物理學家、哲學家馬赫在1883年出版的《力學史評論》一書中批評了牛頓的絕對空間，對空間和絕對運動進行了深刻的批判。
關于牛頓的“水桶實驗”，書中寫道：“牛頓的旋轉水桶實驗只是告訴我們，水與桶壁的相對旋轉并不會產生顯著的離心力，而這個離心力是由水與桶壁的相對旋轉引起的。地球和其他天體的質量。由旋轉產生。如果桶壁變得越來越厚，直到幾英里厚，沒有人能說這個實驗的結果會是什么。” “如果水桶固定，星星旋轉，是否可以再次證明離心力是否存在？” 在馬赫看來，牛頓水桶實驗中水面的凹行為無法區(qū)分是水相對于絕對空間的旋轉還是水的旋轉。 因此，相對于恒星的自轉，不能得出絕對空間存在的結論； 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，那就是水桶內壁外部質量的吸引和吸引。 開車造成的事情會更加自然。
馬赫基于他對世界非常獨特的哲學見解，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，馬赫強調相互關系和相互依存（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。 ，是虛構的，并且“與科學的思維方式相矛盾”（愛因斯坦的話）。 絕對空間在牛頓力學中是虛構的，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，但物質的運動反過來卻不能對絕對空間產生絲毫影響。 既然它是虛構的，無法被人們的經驗所證實，它就應該被從科學中剔除。 總結起來，馬赫的觀點是：
物體的運動不是絕對空間中的絕對運動，而是相對于宇宙中其他物質的相對運動。 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，是宇宙中其他物質對物體的總作用；
物體的慣性不是物體本身的屬性，而是宇宙中其他物質作用的結果。
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動和慣性的認識發(fā)生了重大變化。
牛頓的觀點：
有絕對的空間和絕對的運動。 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：
絕對空間和絕對運動根本不存在。 物體的運動是相對于宇宙中天體的運動而言的。 物體的慣性是宇宙中所有天體共同作用的結果。 如果去掉一個物體周圍的所有其他物質（物體），就無法判斷它在做什么運動牛頓運動定律，因此它不再具有所謂的“慣性”。
馬赫獨特的思想指出了牛頓力學理論基礎的缺陷，也為改造牛頓力學理論提供了機會。 這就是放棄絕對空間和絕對運動，將物體的慣性與宇宙中所有其他物質對其的影響聯(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”。
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