牛顿力学中的相对性原理

牛顿运动定律中尚存着关键性的问题待解决。惯性定律说明任何物体要保持匀速直线的运动状态直到外力迫使其改变运动状态为止。那么究竟什么才是“匀速直线运动”呢？在日常生活中，匀速直线运动似乎很容易定义，例如，当台球在桌面上沿着一条平行于球桌边缘的直线滚动时，它就在做直线运动。但是若考虑到球桌本身置于地球上，而地球不仅在自转，还绕太阳公转，那么在地球之外观察台球的运动时，最终合成的运动状态将会变得很复杂而不是简单的直线运动。在这个意义上，只有和球桌同在一个房间里的人才能观察到桌上的球是沿直线运动的。

鉴于此，牛顿定义了“绝对运动”（“Absolute motion”），即“物体从一个绝对位置到另一个绝对位置的运动”，并称“‘绝对运动’既不能被创生，也不能被改变，而是物体由于被施加了力的作用而发生的运动”。在这个定义下，如果我们能观测到球在没有任何外力作用下沿着平行于桌子边缘的直线做匀速运动，那么这个房间则被认为在“绝对空间”（“Abso-lute space”）中静止。这个“静止”房间的参考系则被定义为惯性系（Inertial system），因为在这个参考系里，惯性定律成立。假设有第二个房间，它随着旋转木马一起转动。相对于“静止”房间，新的房间在做圆周运动，因此这个房间里的小球不可能在没有外力作用的情况下保持匀速直线运动。那么根据上面的定义，旋转木马上的房间就不是一个惯性系。

若是小球在匀速直线运动的火车车厢中，那会怎样呢？这种情况下，火车上的小球仍然可以在没有外力的情况下做匀速直线运动。实际上，在“静止”房间中做匀速直线运动的物体，被火车上的观测者所观测时，也同样做匀速直线运动。因此，只要像火车车厢这样的“运动系”相对于“静止”房间做匀速直线运动，惯性定律在“运动系”中就仍然成立。

当外力作用于小球时，小球开始加速。在“静止系”和“运动系”上观测到小球的加速度是相同的。因此，牛顿第二定律，即只决定物体加速度（而非初始速度）的力的定律，在两个参考系中都是等价的。我们只通过测量粒子（小球）的运动，无法得知当前参考系的运动速度；反过来，我们只要知道了小球在当前参考系下某一时刻的运动，通过牛顿第二定律，便能够预测其在未来任何一个时刻的速度，这也与小球所在的参考系本身的运动无关。综上所述，相对一个已知的惯性系做匀速直线运动的所有参考系都是惯性系，而牛顿运动定律并不能说明什么是严格意义上的真正的惯性系。

在大多数情况下为简单起见，忽略掉微弱的自转和公转运动，地球可以被近似认为是惯性系，因此地球上物体的运动满足牛顿运动定律。同样地，任何相对于地球做匀速直线运动的物体，例如火车、轮船、电梯等，也可以被看作惯性系。这很符合人们的日常经验：在没有颠簸、转弯的火车或者轮船上，人们可以像在地面上一样进行各种球类运动。

因此，对于力学规律而言，一切惯性系都是等价的，这一定律被称为力学相对性原理（Relativity principle of mechanistic physics），它是牛顿运动定律的推论，它的描述对象为相对运动，而不是牛顿运动定律中的绝对运动。上面为相对性原理的正面表述，其反面表述为：不可能借助惯性参考系中的力学实验来确定该参考系匀速直线运动的速度。

相对性原理本是在牛顿理论体系中提出的，是牛顿力学体系的基本特征。然而，把相对性原理推广到一切物理学则是爱因斯坦的伟大贡献。他认为相对性原理比牛顿运动定律更适合成为描述所有物理现象的理论基石，因为相对性原理在牛顿运动定律失效的情况下仍然成立。