在空间中，相对于任何参考点（静止中或移动中），一个运动中的粒子的位移、速度和加速度都可以测量计算而求得。虽然如此，经典力学假定有一组特别的参考系。在这组特别的参考系内，大自然的力学定律呈现出比较简易的形式，称这些特别的参考系为惯性参考系（惯性系）。惯性系有个特性：两个惯性系之间的相对速度必是常数；相对于一个惯性系，任何非惯性参考系（非惯性系）必定呈加速度运动。所以，一个净外力是零的点粒子在任何惯性参考系内测量出的速度必定是常数；只有在净外力非零的状况下，才会有点粒子加速度运动。因为万有引力的存在，并无任何方法能够保证找到净外力为零的惯性系。实际而言，相对于遥远星体呈现常速度运动的参考系应是优良的选择。

惯性系是不存在引力作用、不存在自身加速度的“自由”参考系。在经典力学中，这是一种理想参考系：由于宇宙空间中无处不存在引力，实际的惯性系是不存在的。在广义相对论中，由于引力作用和加速度是完全等效的，对于一个在引力场中作自由落体运动的参考系，引力作用和自身加速度的作用抵消。这样的参考系，是一个真实的“自由”参考系。由于引力场在空间中的分布是不均匀的，惯性系只可能是局域的，也被称为局域惯性参考系。宇宙中不存在全局惯性参考系。

洛伦兹变换是狭义相对论中两个作相对匀速运动的惯性参考系(S和S′)之间的坐标变换。若S系的坐标轴为X、Y和Z，S′系的坐标轴为X′、Y′和Z′。为了简单，让X、Y和Z轴分别平行于X′、Y′和Z′轴，S′系相对于S系以不变速度v沿X轴的正方向运动，当t=t′ = 0 时，S系和S′系的原点互相重合。同一个物理事件在S系和S′系中的时空坐标由下列关系式相联系：

式中 ， ；c为真空中的光速 [1]  。其逆变换形式为

这个关系式称为洛伦兹变换。不同惯性系中的物理定律在洛伦兹变换下数学形式不变，它反映了空间和时间的密切联系，是狭义相对论中最基本的关系 [1]  。