光速在任何參考系下恆定,這正是狹義相對論需要解決的問題

幾乎所有的物理學定律都著眼於對空間中物體的活動情況隨時間而變化的描述。只有選定一個恰當的參照物，一個物體的位置，或者一個事件發生的地點才有可能被清晰表達出來。例如，在阿脫武德機實驗中，重物的速度與加速度的參照物是該機本身，實際上也是相對於地球而言的。天文學家可以將太陽系的重心作為參照系，以此描述行星的運動。因此，所有的運動都可以描述為在某一參照系下的運動。

物理運動從參照系開始

我們可以設想，有一個由杆構成的架子，它與參照物連接在一起，並且延伸至空間當中。如果將這個設想中的架子看成三維空間的笛卡爾坐標系，那麼，我們就能夠得到三個數來表示任一位置空間點的坐標。我們把這樣與某參照物緊密連接的架子稱為參照系。

笛卡爾坐標系

並不是所有的物體都適合做參照物。在相對論出現之前，人們就已意識到適當選擇參照系的重要性了。17世紀後期的物理學之父伽利略，曾經為了讓人們接受日心參照系這一學說，不惜冒著被監禁甚至燒死的危險也要將之廣為傳播。後來我們通過分析才明白，他與當時專制勢力爭論的主題正是對參照物的選擇問題。

牛頓對參照系和絕對時空的討論

牛頓在後來的物理學概論中對此作出了詳細描述，才使人們普遍接受了日心參照系這一學說。然而，牛頓並沒有止步於此。為了證明有的參照系比其他參照系更適於描述自然形態，他設計了著名的水桶實驗。

水桶實驗水桶實驗是牛頓為證明絕對空間的存在所做的實驗。牛頓對於該實驗的解釋，後來遭到奧地利物理學家、哲學家馬赫和愛因斯坦的顛覆。其實驗方法為：

(a)桶吊在一根長繩上，將桶旋轉多次而使繩擰緊，然後盛水並使桶與水靜止，此時水是平面的。(b)接著鬆開，因長繩的扭力使桶旋轉，起初，桶在旋轉而桶內的水並沒有跟著一起旋轉，水還是平面的。(c)轉過一段時間，因桶的摩擦力帶動水一起旋轉，水就形成了凹面。直到水與桶的轉速一致。這時；水和桶之間是相對靜止的，相對於桶，水是不轉動的。但水面卻仍然呈凹狀，中心低，桶邊高。

水桶實驗分析很顯然，上面水桶實驗的參照系是地球。我們可以把水面的這種變化作這樣的描述：水在不轉動時呈現平面狀態，轉動時則為拋物面狀態。這種狀態的改變與桶的運動狀態無關。

現在，我們設想一個以大小不變的角速度相對於地球轉動的參照系，且這個角速度就等於水桶的最大角速度值。我們從這個參照系的角度來觀察上面的整個實驗：一開始，繩子、水桶以及水都以某一相等的角速度相對於這個參照系「轉動」,水保持平面狀態；接著，水桶與繩子慢慢停止「轉動」,於是水面就變成了拋物面；然後再將水桶與繩子相對於這個參照系「轉動」(對於地球這個參照系而言，水是靜止的),水又會慢慢變回平面狀態。對於這個參照系，我們可以用這樣的定律描述：只有當水按照一定角速度「轉動」時，水面才會呈現平面狀態，但一當偏離這個特殊運動狀態，水面就無法保持平面了。它偏移的角度將與這個運動的偏離程度成正比。也就是說，靜止的狀態也可能使水面呈現拋物面狀態，同樣，它與桶的轉動也沒有任何聯繫。

任何參照系都可以描述自然規律，只有少數可以使自然定理變簡單

牛頓的水桶實驗很恰當地讓我們明白了什麼叫做「恰當的」參考系。任何選定的參考系都可以用來描述自然以及自然界的定律。然而，在所有這些參考系中，只有一個或者說少數是可以讓描述自然定律變得簡單的。換句話說，在這些少數的參考系中，自然定律比在其他參考系中包含的因素更少。我們還是以牛頓的水桶實驗為例子，如果我們用後面那個與水桶相連的參考系來描述自然現象，那麼，我們就必須在我們描述的物理定律前多加一個前提，那就是水桶相對於一個「更好的」參考系(例如地球),擁有一個角速度ω。

日心說能否定地心說的原因而在對行星的運動規律進行說明時，我們發現日心參照系是比地心參照系更優良更簡單的參照系。這也是為什麼即使在克卜勒和牛頓關於基礎定律的表述得到公認之前，哥白尼和伽利略的描述已否定了託勒密描述的原因。

當人們意識到參照系的選擇將對自然定律的形式造成影響時，許多人開始嘗試用數學形式來確定這種選擇的效果，對此他們進行了許多研究和實驗。

無論採用什麼參考系，在力學上都是等效的在物理學中，力學是最早以完整的數學定律來加以表述的。在所能夠想像到的所有參照系中，有一些能夠讓慣性定律以人們熟悉的形式呈現，即在沒有外力作用的情況下，一個質點的空間坐標與時間呈現線性函數關係。我們把這樣的參照系稱為慣性系。例如牛頓水桶實驗就是這樣的。我們可以用任何其他的參照系來描述不受力作用的質點的運動，但它們的慣性定律的數學表達式則要複雜許多，它們的空間坐標將不再是時間的線性函數。

因為在所有的慣性參照系中，力學規律都採用了相同的形式，因此，我們無法從力學上觀察到參照系不同表現在物體本身上的差異。從力學的觀點看來，所有的慣性參照系都是等效的。無論我們採用什麼樣的參照系，我們所描述的自然現象都是等效的，這就是相對性原理。而在後來的麥克斯韋方程組得出光速恆定，在光速面前不存在參照系等效，這明顯違背了相對性原理。接下來愛因斯坦對空間和時間概念修正，光速在任何參考系下恆定這就是狹義相對論需要解決的問題。