一提到物理學，物理學家經常會提到“參照系”這個詞。這個詞是什麼意思？它有兩個意思，一個意思非常物理化，首先，確定一個參照系是空間，比如說，你處在一個房間中，在這個房間中，所有物體都是靜止的，用來描述這些靜止物體的空間就是一個參照系，在這個空間的概念裡，房間中的物體是靜止的，這是我們的直覺。
如果你坐在火車裡，火車裡的物體相對你也是靜止的，我們可以同樣用描述房間內空間的方式來描述火車內的空間。可是，如果你站在鐵軌旁觀察火車，火車中的所有物體都以同一個速度在運動，火車中的乘客也在運動。站在鐵軌旁的觀察者和坐在火車中的觀察者對空間的描述則完全不同，因為他們的空間在相對運動。
因此，沒有一個絕對空間，所有空間的概念都和描述有關。這就將我們帶到數學描述的空間。如果我們想將火車中乘客眼中的空間和鐵軌邊旁觀者的空間聯繫起來，我們就不得不借助數學。這即是參照系的第二個意思。
在力學中，我們常常說一個粒子的位置座標，這是假設了我們在用笛卡兒直角座標來描述空間。空間是三維的，這等於說一個粒子的位置需要三個實數來確定。對於一個觀測者（觀測者與觀察者相比，是一個更加專業的詞彙），相對他靜止的物體的座標都是用固定不變的。至於這些固定不變的座標等於多少並不重要，但數學上，我們必須選擇一個確定的座標系。不同座標系的座標之間存在數學關係。就像在平面上，兩個直角座標系之間相差兩個變換：平移和轉動。同樣，在三維空間中，不同直角座標系之間也相差平移和轉動。
在廣泛的意義上，我們還可以引人更加複雜的座標系，這些座標系不一定與兩兩垂直的軸有什麼關係，完全可以隨意指定，比方在平面上，我們可以有如圖3-1所示的座標系，這是一個曲線座標系：
曲線座標系
在這種座標系中，平面上的每個點同樣有兩個座標，這是平面的二維性質決定的。同樣，在三維空間中，我們也可以隨意選擇三個坐
標。如果兩個觀察者相對運動，這時，他們各自的靜止座標之間的關係就不是一些簡單的函數關係了，這些關係將與時間有關。
在涉及運動時，時間不得不介入，這不僅僅是我們前面提到的計時需要，也是描述運動的需要。
在牛頓時代，時間是絕對的，也就是說，不同觀測者定義的時間是一樣的，它們之間最多相差一個簡單的時差。對於牛頓之前和之後很長一段時間內的人來說，真的不存在第二個時間，天地之間K有一個絕對的時間。美國人的時間和中國人的時間是一樣的，最多相差一個時差，同樣，三體人的時間和地球人的時間也是一樣的，除了存在時差不同之外，還可能相差一個計時單位的變換，也許三體時是地球時的1.5倍或其他什麼倍數，除了這些簡單的差別外，沒有任何其他差別了。
單位差別和時差當然是沒有多少物理意義的，這就像前面談到的對於同一個觀測者，用直角座標還是用曲線座標並沒有多大差別。其實，曲線座標之間的關係還要更加複雜，因為可以相差兩個（二維空間）任意函數，而時間是一維的，它們之間的差別就是一個平移（時差），一個放大或縮小系數（單位之間的關係）。牛頓的力學就比較簡單，不同參照系之間的力學定律相差不大，最多變換一下空間，時間都是一樣的。這樣，牛頓利用他的第一定律就可以定義慣性系，在一個慣性系中，不受外力的物體以勻速運動。
這個定義一旦給出，我們自然就推論，不同慣性系之間相差一個勻速運動，這是因為，不受力的物體在一個慣性系中勻速運動，在另一
個慣性系中也勻速運動，那麼這兩個參照系只能相差一個勻速運動了。
牛頓
牛頓曾經想過一個難題，既然時間是絕對的，那空間也是絕對的嗎？不同慣性系中的空間都是不同的，都在做相對勻速運動，這個問題看上去沒法解答，因為所有這些空間都是對等的，絕對空間是什麼意思？
不同慣性系中的空間雖然不同，但相差只是一個簡單的勻速運動的變換。牛頓的意思是，是否存在一個物理學上決定慣性系的條件，使得這些慣性系中的空間變得很特別，其他“非慣性系”中的空間都不自然。
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