什么是慣性系和非慣性系（慣性系與非慣性系的定義）

牛頓想象出了一個絕對的空間和時間——用暗藏的測量桿構成的隱喻的網格來定義上下、左右、前后：空間的三個基本維度。靜止或“勻速運動”(或者稱為“無加速度”)的物體會按照牛頓運動定律相對這些網格運動。這些網格就構成了“慣性系”思想的基本骨架。

將這個概念繼續延伸。任何在這個慣性系中勻速運動的物體，其本身也可以定義一個慣性系。比如當我們移動時，也帶動了我們自己的虛構網格。假設我開車在一條筆直的公路上以100英里每小時的勻速狂飆。在汽車系下，我始終保持在同一個位置，一直坐在座位上紋絲不動。但是在路邊的測速攝像頭看來，我的位置就在移動——一個小時狂奔了100英里，所以攝像頭就會將我拍下來并且自動生成一張超速罰單。

不是所有的系統都是慣性系。

為了說明這一點，不妨先圍著你的房間跑兩圈。在跑圈的過程中你會不斷地改變前進方向，也許一瞬間你是向北的，但是另一個瞬間你又是向東的。所以你的速率是在變化的：雖然你的速度也許恒定，但是跑圈時方向在變化。牛頓告訴我們，速率的變化是力的作用引起的；那么在跑圈時，這個力就來自于你的腳和地板之間的摩擦力，這樣的解釋看起來是無懈可擊的。

那么，重復這個跑圈實驗，但是在跑圈過程中始終盯著一點看，比如一個椅子。這時候你會看到，相對于自己來說，這個椅子在做環形運動。那么是什么力導致椅子運動呢？重力會將椅子向下拉，但是地板會提供反向支撐力來抵消，因此在上下方向上椅子會保持靜止。到這里，牛頓的解釋也還說得通。然而，在水平面方向上沒有力的作用，但是看起來它在做圓周運動。

這個難題揭示了牛頓運動定律的一個重要特性，也是學生們常忽略的一點：它適用于“慣性系”—系統中的參考物本身不受凈力。在你氣喘吁吁跑圈的時候，你的腳受到了摩擦力作用，這個力并沒有完全被抵消，因此你并不處于一個慣性系中。相對于你來說，看起來做圓周運動的椅子其實并不違背任何定律——因為在慣性系中椅子并沒有做圓周運動。

這就涉及一個問題，什么是慣性系？

答案是，一個參考系，參考物本身不受凈力。那么我怎么知道沒有受力呢？答案是，相對另外一個慣性系，如果你靜止或者勻速運動，你就沒有受凈力，就可以作為參考建立新的慣性系。這種推理本身有一種尷尬的循環。由于我們本身被地球引力場產生的重力束縛在地球表面，并隨之自轉，因此我們即使站著不動，也并不處在慣性系中。更糟糕的是，我們還在太陽引力作用下圍著太陽公轉。所以嚴格來說，慣性系這個概念只存在于理想狀態中。不過在一些“常識”中，我們直觀地將其理解為理想狀態的一個近似，便于實際應用時進行準確計算和預估。

牛頓的時空。

如果我們和牛頓當年一樣，假定空間里存在一些固定的坐標軸并由之定義出絕對慣性系，那么以上的問題都迎刃而解了。牛頓力學認為任意兩個慣性系中的網格棒必然會相對于對方做無旋轉的勻速直線運動(速度可以是零)。兩個系中的鐘表會顯示相同的時間，最多會有一個固定的時差。因此倫敦的大本鐘和紐約中心車站的時鐘由于時區的作用會顯示時間相差5個小時，但兩者顯示的時間間隔是一樣的：在倫敦從正午到下午12點20分的時間間隔和在紐約早上7點到7點20分的時間間隔一樣。

如果在一個慣性系中，兩件事在鐘表的同一時刻發生，那么對于另一個慣性系而言也一定是同時的。所以時間對于整個宇宙都是一樣的，所有物質都遵循它，無論任何運動狀態。從簡單的你和我，到地球、月亮以及行星，都在上述的模型中運行，無一例外。這個模型是永恒的、不變的。時間總是以相似的方式起作用。牛頓的宇宙節拍器滴滴地響著，記錄著時間安靜地流逝，隨著宇宙中的物質完成著他們的移動。