概论

物体的运动只能通过客体（其他物体、观察者或是一组时空坐标）来相对描述。这些客体称作参考系。如果参考系选择得不好，运动定律就会变得不必要地复杂。例如，在某些参考系中不受外力的物体可以保持静止，而在另外某些参考系中则有可能在未受力的情况下，从某个时刻开始运动。类似地，如果空间的描述不均一或是含时，那么在此时选定的参考系中，自由物体的运动轨迹就有可能变得非常复杂。因而从直觉上来说，力学定律在惯性系中的形式最简。

在惯性系中，物体满足牛顿第一定律，即在不受力的情况下，速度的大小与方向不变。同时，质点满足的牛顿第二定律的形式为：

其中，F是物体所受的总外力、m为质点的质量，a则是参考系中静止的观察者测得的加速度。F是电磁力、引力以及核力这些“真实”的力的矢量和。与此形成对比的是，在绕着某个轴以角速率Ω旋转的参考系中，牛顿第二定律的形式为：

虽然形式看起来并没有发生变化，但此时的F′则要在F基础上加上下面这些项：

其中参考系的旋转通过沿着旋转轴、大小为Ω的矢量Ω表达，符号×表示矢量间的叉积运算，矢量xB为物体的位置，而vB则是旋转的观察者看到的速度。

F′中附加的这些项是由参考系造成的“假想”的力。第一项叫作科里奥利力，第二项叫作离心力，而第三项则叫作欧拉力。这三项共同具有这样一个特点：它们会在Ω = 0时消失，也就是说在惯性系中为零；它们的方向与大小会由于Ω不同，而发生变化；它们在旋转系中普遍存在（即所有质点都会受其影响）；它们并没有可以识别的物理来源。同时，这些假想力还不会像核力与静电力那样随着质点间距离增大而减小。比如离心力就有可能在质点远离转轴的过程中增大。

综上，所有观察者看到的真实力F是一样的；非惯性系中的观察者还要考虑假想力。由于非必须力不存在，惯性系中的物理定律更为简洁。

牛顿曾假设存在相对于绝对空间静止的恒星。牛顿运动定律在相对于这些恒星静止或匀速运动的参考系中成立。而在相对于静止恒星加速运动的参考系中，比如相对于这些恒星旋转的参考系，运动定律需要附加惯性力，比如前文所说的那些“假想力”。牛顿曾设计过两种可以展示这些力有实际影响的实验：一种是通过测定悬挂着两个绕共同质心旋转的球的绳中的拉力来确定两个球的绝对运动角速度；另一种则是当旋转的水桶突然停止旋转时，其中的水的表面的形状仍成凹状的抛物面。在这两种情形中，如果不考虑离心力与科里奥利力的话，对于旋转的观察者来说，牛顿第二定律将不再成立。

不过，那些“静止的”恒星实际上却并不是静止的。银河系内部的恒星会绕着银心转动（表现为自行）。而银河系外的则也会参与对应星系中的运动：部分由于宇宙膨胀，部分是它们的本动。仙女座星系更是在以117 km/s的速度撞向银河系。惯性系的概念现在不再以“静止的恒星”或是绝对空间来定义。但惯性系的确认仍是基于其中的物理定律是否简洁，特别是是否需要考虑惯性力。

实际情况中，将“静止”恒星作为惯性系所造成的偏差非常小。例如，地球绕太阳公转时的离心加速度要比太阳公转的离心加速度大约三千多万倍。

对于宇宙是否在转动的这个更进一步的问题，尽管存在更明确的观测（测量不确定度更小的观测），例如，并不各向同性的宇宙微波背景辐射或太初核合成，在这里还是通过银河系目前形状的形成来探讨这个问题。银河系较为平坦的形状来源于其在惯性系中的转动速率。如果我们将其视在转动速率完全归因为惯性系中的转动，那么在我们假设部分转动效应实际来源于宇宙整体的转动时就可以得到不同的平坦程度。基于物理定律，科学家构造了一种考虑到宇宙转动的模型。如果考虑转动的模型要比没有考虑转动的模型中的物理定律更为符合观测结果，我们就需要选定转动的最佳拟合值，以与其他相关观测结果相符。而如果天文观测中不能得到转动参数，或是理论超出观测误差限，现有物理定律就有必要进行修正，比如引入暗物质来解释星系自转问题。到目前为止，有关观测显示宇宙自转速率非常之慢，角速率上限为60·1012年自转一次（10−13 rad/yr）。人们也由此质疑宇宙是否真在转动。不过如果人们找到转动的明确证据，经典力学与狭义相对论中有关惯性力的说法就需要修正，或者用广义相对论中时空曲率与物体沿测地线运动的说法取代。

而在微观尺度上，当量子效应非常显著时，就需要引入相应的量子参考系。

背景

一组物理定律最简的参考系

依据狭义相对论的第一条公设，惯性系中所有物理定律的形式最简，且惯性系间通过匀速平移运动联系在一起：