什么是惯性参考系？这其实是一个并不简单的物理问题，同时也是一个在不同阶段会有着不同认知的物理问题。我查了下这个问题的日志，是在2020年8月提出来的，到了今天（2025年7月29日）这个问题下面的回答也并不很准确全面，有的回答过于简略，有的回答仅仅是针对某一阶段（如牛顿经典物理时期）对参考系的认知，当然也还有个别错误的答案。
我以前写过一篇文章“聊聊参考系（参照物） - 知乎”，专门聊了下这个问题，但是那篇文章太“数学”了点，技术性更多、普及性太少。今天，我努力从更普及的角度和大家再聊聊如何看待参考系，以及什么是惯性参考系。
我们国家的物理教育大概从初二开始，从那时起，学生们就了解到了要想判断一个物体是否运动、如何运动，要首先选定一个参照物，也就是说，要先设定一个被认为是“不动”的物体。基于这个物体，我们才能够判断其他物体是否运动、如何运动。在数学上学了坐标系之后，我们又很容易的基于“参照物”设定了某个坐标系 —— 一般被理解为随着参照物运动（或相对参照物静止）的坐标系 —— 从而构成了我们头脑中对参考系的认知。如图1 。
以上大概就是物理初学者对参考系最朴素的认知了，这可能也是大多数人对参考系的认知。这样的认知在日常生活中没有任何问题，也不能说有什么不对。
但是（很显然我要说但是了），可能大家想不到，这么朴素直接的认知其实是默认设定了至少两个基础前提的。一是对参照物的刚体设定（也包括其刚性延展），也就是说被选定为不动的那个物体必须是刚体（不会发生任何形变的物体），否则参照物如果自身相互间都在相对运动，我们就无法说参照物是不动的了。二是对三维空间和一维时间的平直性的设定。
第一条很容易被理解。第二条设定可能大部分人意识不到，正如我们很难意识到“三角形内角和为180°”这条定理是需要在平直的欧式空间中才成立的一样，我们也很难意识到设定随参照物运动的坐标系的时候需要默认时空的平直性。
所以，我针对第二条设定多说两句：坐标系是由坐标轴构成的，坐标轴本质上是一组矢量，所谓随参照物运动的坐标系，本质上是要求坐标轴们，也就是构成坐标轴的矢量们，随参照物一起运动。矢量的运动有两种，一种是平动，一种是转动。大家不容易想到的是，只有在平直的空间中，矢量的平动（平移）才和路径无关，而在弯曲的空间中，矢量的平移结果是与平移路径相关的（如图2所示），矢量转动更复杂些，但也类似。如果时空不是平直的，那意味着我们仅仅选定刚体参照物是无法准确确定随其运动的坐标系的，至少还需要给定参照物（及其刚性延展点）的运动轨迹，而显然前面我们在确定参考系的时候并没有这么复杂。因此，上述对参考系朴素认知的一个重要前提就是设定了背景时空的平直性。
到了这里，可能有的朋友已经隐约感觉到，也许这种朴素的对参考系的认知会深刻影响到未来物理学的发展。是的，但是我们还是先回到“什么是惯性参考系”这个问题吧。
大家别以为上面所说的“对参考系的朴素认知”是我们普通人的认知，其实在牛顿以及后牛顿的时代，包括牛顿本人在内的很多伟大的物理学家对参考系的认知也没有超出这种朴素认知的框架。当然，即使是基于上述朴素认知，牛顿作为人类历史上最伟大的科学家，还是对参考系有着十分深刻的思考的。
很多人认为，牛顿第一运动定律，也就是惯性定律，定义了何为惯性参考系。也就是说，如果一个不受任何外力的物体在某个参考系中处于匀速直线运动状态或静止状态，那么就说这个参考系是惯性参考系。当然也有人认为，这种对惯性参考系的定义涉嫌循环定义。因为如果你继续问什么参考系中牛顿运动定律成立，答案就会是在惯性参考系中牛顿运动定律成立。著名物理学家朗道曾经有一种观点，那就是他认为“牛顿第一定律定义了惯性参考系，这并不算循环定义；但是如果基于这个定义来选择惯性参考系（或者说判断某个参考系是否是惯性参考系）时，就可能出现循环定义的问题”。
其实牛顿本人在某种意义上是超越了这样一个深度的思考水平的。牛顿其实认识到了“基于惯性定律来判断是否是惯性参考系”时会有问题。因为如果我们看到在某个参考系中一个被认为“不受力”的物体确实在做匀速直线运动或静止，那么到底是“这个参考系是惯性系”呢？还是“这个参考系是非惯性系，但存在着某个我们没有认识到的力使得这个物体静止或匀速直线运动”呢？最典型的一个例子就是爱因斯坦等效原理中提到的“在引力场中自由下落的电梯”，如果我们没有认识到引力的存在，那么就会认为这是一个惯性系，反之则会认识到这是非惯性系。从物理学+纯逻辑的角度来看，我们“无法确定是否存在未被认识到的力的作用”，因此也就无法确定某个参考系是否是惯性参考系。如果一直停留在这个思考层面，那么惯性参考系是否存在都成问题了。
以牛顿的伟大，他不可能仅仅停留在上面的思考层次。牛顿在继续深入思考后，认为一定存在一个绝对的空间和一个绝对的、均匀流逝的时间，这样的时空构成了一个惯性参考系。所有相对于这个绝对空间做匀速直线运动或静止的物体作为参照物而构成的参考系，都是惯性参考系。这种基于“绝对空间+绝对时间”的设定确保了惯性参考系的存在。所以，不要简单的认为牛顿的绝对时空观是荒谬的，其实这是一个伟大物理学家深刻思考后的结果。虽然今天我们知道牛顿的绝对时空观不正确，但是这里面蕴含着的一个深刻的道理至今仍是正确的，那就是“如果没有一个绝对的东西，任何的相对也都无从谈起”。事实上，今天的相对论中仍然有一个绝对的东西，那就是绝对的四维时空。
理论上，在牛顿的“绝对时间+绝对空间”的绝对时空观前提下，惯性参考系的存在和定义都非常清晰了 —— 相对于绝对空间做匀速直线运动或静止的参考系就是惯性参考系，在这样的参考系下，牛顿运动定律都成立。
实践上，我们只需要验证牛顿定律成立的精度，就可以确定所选择的参考系和惯性参考系接近的程度。物理学家们通过实验发现，地面就是一个近似良好的惯性参考系，地心则是更加精确的惯性参考系，后来随着测量精度的提升，发现太阳是一个比地心精度还要高的惯性参考系。
到此，在牛顿经典物理学范畴内，惯性参考系的问题基本上得到解决了。
至于那个绝对空间在哪里？曾经一度有各种说法，包括早期的以太学说、后来的以太学说（认为以太是光的波动媒介），也包括在这个回答下有知友提到的所谓“以宇宙的质心为参考系构成绝对空间”的说法。至少在那个时候，没有谁能说清楚。今天我们都知道了，牛顿的这个绝对空间已经被否定了。
随着电磁学理论和相关实验的发展，物理学又进一步上升了一个台阶，其标志就是麦克斯韦的伟大成果 —— 麦克斯韦方程组。这一套微分形式或积分形式的方程组，全面完整准确的反映了电磁作用的宏观规律，其精度极高，数学形式极为优美，成为了物理学史上的一个巨大的里程碑。唯一让人遗憾的是，这套理论不是“伽利略协变”的，也就是说，在牛顿经典物理学的参考系变换法则 —— 伽利略变换下，麦克斯韦方程组并不总成立，只能找到一个参考系使其成立，其余参考系下按照伽利略变换法则处理后，麦克斯韦方程组都不成立了。这也是为什么此后以太学说又有大行其道的趋势的原因。
好在继牛顿后的又一位伟大的物理学家爱因斯坦横空出世，避免了人类的物理学走向歧途。爱因斯坦坚决地否定了“以太说”和“牛顿的绝对时空观”，提出了狭义相对论这个伟大的物理学理论。在狭义相对论下，参考系之间的物理变换不再是伽利略变换，而是洛伦兹变换，麦克斯韦方程组在洛伦兹变换下是完全协变的。狭义相对论还修正了牛顿经典物理学定律，使人们对于动量、能量的认知层次都得到了提升。
但是，狭义相对论也同时带来了新的参考系疑难。因为否定了牛顿的绝对时空观，于是原有的“何为惯性系”的问题就又出现了！不仅仅是惯性参考系的存在性有了疑难，而且在牛顿经典物理学下的“刚体参照物”在狭义相对论中也是不能够存在的。稍微了解一些相对论的朋友都知道，相对论中不存在刚体，任何力的作用都不是超距作用，力的传播需要时间，另外在相对论中，光速不可超越。因此，原来在牛顿物理学中的一些经典参考系都会出问题，比如“转盘参考系”。如果把“转盘参考系”中的相对地面转动的转盘刚性延展，在足够远的地方其线速度就会超光速，这也说明，不仅是刚体参照物在相对论中不存在，即使是参照物的刚性延展在相对论中也不都能够成立。
这个问题其实是狭义相对论变革了牛顿时空观之后带来的一个新的大问题。更为关键的是，狭义相对论自身也只是基于惯性参考系的理论，而其带来的时空观变革使得惯性系是否存在、如何定义都成了问题。某种意义上不解决狭义相对论下的惯性参考系问题，狭义相对论自身理论的自洽性都会受到影响。
到了这个阶段，不仅惯性参考系的问题又凸显了出来，连什么是参考系、是否能够通过参照物确定参考系都成了问题！应该说，这时候人们又不能很好的定义、找到惯性参考系了。解铃还需系铃人，最终解决了这个问题的，还是爱因斯坦。
在1915年广义相对论诞生后，特别是到了今天人们对广义相对论的认识更加准确深刻后、表述相对论的数学工具（微分几何）也更加锐利好用之后，物理学家可以对参考系、惯性参考系有了更加准确的定义。
回到第一部分我们对参考系的朴素认知，我们必须要对之前默认的两条设定做出修正。
第一，要修正参照物的刚体设定。在相对论中没有刚体，也并不都能够简单的进行刚性延展，从而我们不能简单的依靠选定参照物来确定参考系。相对论是一个基于四维时空的理论，而且这个四维时空还可能是弯曲的。在四维时空中，由于时间的流逝，每个质点都对应着一条线，被称为这个质点的世界线。所谓参考系，无非是用来描述被观察质点运动状态的一个基准，如果我们为四维时空的每个时空点都指定一个“观察者”，那也就相当于指定了观察基准。其实“观察者”也可以看作是四维时空中的一个质点。因此，相对论中的参考系，指的就是一组四维时空中的质点（观察者）世界线，要求（1）四维时空中的每个时空点都有一条这样的质点（观察者）世界线经过，并且（2）任两条质点（观察者）世界线都不相交（否则会出现一个时空点有两个不同观察者的情况，就失去观察基准了）。显然，相对论中的参考系不是通过选定参照物并对其刚性延展得到的，而是要求直接选定一组质点世界线，也可以说是选定一组观察者。
第二，要考虑四维时空的弯曲。因此我们不能简单的建立一个中学时讲的那种坐标系，那种坐标系即使被改造后，在弯曲的四维时空中往往也只能局域的存在着。所以，我们需要选定一组坐标基矢场，而且其时间基矢应该是该点观察者世界线的切线方向，空间基矢则是与时间基矢正交的三维空间中的三个线性无关的矢量。
有了上面说的一组世界线和一个坐标基矢场，我们就给定了相对论下的一个参考系。如图3所示。
对于不熟悉相对论，尤其是不熟悉广义相对论的朋友，上面的内容听个大概就可以了。广义相对论的数学理论足够复杂，对时空观的变革比狭义相对论还要大，所以没法只靠几句话就说清楚。
明确了相对论下的参考系之后，我们再次回到“什么是惯性参考系”这个问题。
按照牛顿最初的思想，惯性参考系是以做惯性运动（不受任何力）的物体为参照物形成的参考系。而按照爱因斯坦的广义相对论，引力就是四维时空的弯曲形成的，所以在弯曲四维时空中做“惯性运动”的物体就是只受引力作用不受其它力的作用而运动的物体。那么显然，在弯曲四维时空中做“惯性运动”的物体并不是不受力，而是受到引力作用，这一点与牛顿要求的惯性运动不同。所以，我们可以很确定地说，弯曲的四维时空中不存在真正的惯性参考系。惯性参考系只能存在于平直的四维时空中。
平直的四维时空中的参考系仍然是一组质点（观察者）世界线，并且这组世界线应该是做惯性运动的质点的世界线，由于平直四维时空中没有引力，从而做惯性运动（不受任何其它力）的质点的世界线必然是直线，也是平直时空中的测地线。图4示意了平直四维时空的惯性参考系。
图4是相对论中的时空图，图中绿色世界线和红色世界线都构成了惯性参考系。如果换用牛顿经典物理学的角度，你可以把绿色世界线看作是以地面为参照物的参考系，红色世界线可以看作是以相对地面做匀速直线运动的物体为参照物构成的参考系。当然了，相对论中这两个参考系的空间坐标轴不同，这就不是牛顿经典物理学能够认识得到的了。
到此，我们得到了基于现代物理学（相对论时空观下）的惯性参考系的最准确定义：惯性参考系就是闵可夫斯基平直四维时空中一组不相交的测地线（直线）构成的参考系。
虽然上述理论定义是足够清晰了，但是还会有一个问题，那就是这样的参考系在实践中存在吗？事实上，按照广义相对论，只要是存在物质和能量，那么四维时空就一定会发生弯曲，真正平直的闵可夫斯基四维时空只能在没有物质和能量的时候才存在。可是没有物质和能量了，我们还研究物理学干什么呢？所以，实践中上述严格定义的惯性参考系是不存在的。
但别慌，四维时空作为一个四维流形（manifold），其必然是光滑的（映射到 的函数无穷阶可导），所以局域地看，任何四维流形在很小的范围内都接近平直。所以，在实践上我们可以这样找到近似的惯性参考系 —— 一组在弯曲四维时空中做“惯性运动”（只受引力作用）的质点的一小部分世界线（也必然是这个四维时空中的测地线），同时还要要求附加于这组世界线上的坐标基矢场是不转动的（微分几何中称之为 沿世界线做费米移动的坐标基矢场）。
上面的话涉及到一些较深的数学知识和物理知识，不多解释了。朋友们只需要大概知道，实践中的惯性参考系只能是“弯曲四维时空中局域范围内一组测地线+沿线做费米移动的坐标基矢场”。这也是为什么之前我们就发现以“地球的地心”或“太阳”为参照物，可以得到近似良好的惯性系的原因，这两样东西都在弯曲四维时空中做只受引力的“惯性运动”，并且太阳所处的引力场更宏大，四维时空的宏观弯曲程度局域地看更小，所以太阳是比地心更良好的惯性参考系。
上面就是从牛顿经典物理学到相对论物理学对参考系的认知的变化过程的介绍，我基本上没有涉及任何数学公式，只是介绍了物理思想。从中可以看出，什么是参考系本身就不是一个简单的问题，惯性参考系的条件就更多了。但不管怎样，惯性参考系仍然是参考系中最简单、最基础的那个。
想更详细了解参考系的朋友，可以参阅我之前的这篇文章。
