如果在光速飞船上奔跑，你的速度就超越光速了？|伽利略|参考系|洛伦兹|超越光速|速度|飞船

在日常生活里，速度叠加的现象随处可见。当你坐在一辆速度为 60 千米 / 小时的汽车上，若你以 5 千米 / 小时的速度在车内向前走动，那么相对于地面的观察者来说，你的速度就是汽车速度与你自身速度之和，即 65 千米 / 小时。

又比如，高铁以 300 千米 / 小时的速度飞驰，列车员在车厢里以 2 千米 / 小时的速度行走，在站台上的人看来，列车员的速度便是 302 千米 / 小时。这种速度叠加的计算方式，依据的是伽利略变换，公式表达为 v' = v + u 。

它符合我们在低速状态下对速度的认知，简单直观，也与日常经验相符，所以在处理这类低速场景时，伽利略变换能够精准地描述物体的运动状态和相对速度。依据这个原理，如果在一艘以光速飞行的飞船上奔跑，那么人的速度似乎就应该是光速加上人奔跑的速度，从而超越光速。

但事实真的如此吗？在科幻作品里，超光速飞行常常是实现星际穿越的关键，比如《星际穿越》中，主角库珀一行人通过穿越虫洞，突破了光速限制，从而抵达遥远星系，探索未知世界，开启了一场震撼人心的宇宙冒险。这些情节点燃了人们对超光速旅行的向往，也让我们对现实中在光速飞船上奔跑能否超光速的问题充满好奇。

那么，从科学理论的角度深入探究，答案究竟是什么呢？

1905 年，爱因斯坦提出了狭义相对论，这一理论彻底革新了人们对时间、空间和速度的传统观念。狭义相对论基于两条基本假设：狭义相对性原理和光速不变原理。

狭义相对性原理表明，物理定律在所有惯性参考系中都具有相同的形式，不存在绝对静止的参考系；而光速不变原理更是核心所在，它指出在任何惯性系中，光在真空中的速度始终保持恒定，约为 299792458 米 / 秒，不会因为光源或观察者的运动状态改变而改变。

这一原理相当反直觉，完全打破了我们对速度叠加的常规认知。

设想一下，在一列高速行驶的火车上，车头的灯发出一束光。对于火车上的乘客而言，这束光以光速 c 向前传播；对于站在地面上静止不动的观察者来说，这束光同样以光速 c 传播，而不是火车速度与光速的叠加。再比如，在太空中，一艘高速飞行的宇宙飞船向前发射一束激光，无论飞船的速度多快，这束激光在任何参考系中的速度都是光速。

这就好比光拥有一种 “特殊的魔力”，无论在怎样的运动环境下，它的速度都恒定不变，这种特性与我们日常生活中所接触到的物体速度截然不同。

光速不变原理并非只是爱因斯坦的大胆假设，它有着坚实的理论和实验基础。从理论根源来讲，它能够从麦克斯韦方程组推导得出。麦克斯韦方程组对电磁现象进行了全面而深刻的描述，通过这个方程组可以得出，光在真空中的传播速度仅由真空的介电常数和磁导率决定，与光源和观察者的运动状态毫无关联。

在实验验证方面，1887 年进行的迈克尔逊 - 莫雷实验最为著名。该实验旨在寻找 “以太” 这种被认为是光传播介质的物质，并测量地球相对于以太的运动速度。实验结果却令人大为震惊，无论怎样测量，都无法观测到光速在不同方向上的差异，有力地证实了光速不变的特性。后续还有众多高精度实验，如恒星光行差的观测、导航卫星的星地对时延迟误差测量等，都进一步为光速不变原理提供了可靠的证据。

当物体的运动速度处于低速状态时，伽利略变换能够完美地描述速度叠加现象，与我们的日常经验相符。然而，一旦物体的速度接近光速，进入亚光速世界，情况就发生了巨大的变化。在这个高速领域，伽利略变换不再适用，我们需要引入洛伦兹变换来准确计算速度叠加。

洛伦兹变换的公式为 v' = (v + u) / (1 + uv/c^2) ，其中 v' 是物体在新参考系中的速度，v 是物体在原参考系中的速度，u 是两个参考系之间的相对速度，c 则是真空中的光速。这个公式看似复杂，却蕴含着深刻的物理意义。

洛伦兹变换与伽利略变换有着本质的区别。

在伽利略变换中，时间和空间被认为是绝对的，速度可以简单地进行线性叠加。而洛伦兹变换则考虑了时间和空间的相对性，它表明在高速运动的情况下，时间会变慢，空间会收缩，这种时空的变化会对速度的叠加产生影响。当 u 和 v 与光速相比非常小时，uv/c^2 接近于 0，分母 1 + uv/c^2 接近于 1，此时洛伦兹变换就近似于伽利略变换，这也解释了为什么在低速世界中，伽利略变换能够如此准确地描述速度叠加现象。

但当 u 或 v 接近光速时，情况就截然不同。例如，当 u 和 v 都等于 0.5c（c 为光速）时，按照伽利略变换，v' 应该等于 c，但根据洛伦兹变换计算，v' = (0.5c + 0.5c) / (1 + 0.5c × 0.5c /c^2) = 0.8c ，结果明显低于光速。这清楚地表明，在亚光速世界，必须使用洛伦兹变换才能准确计算速度叠加，否则会得出与实际情况相差甚远的结果。

现在，让我们回到最初的问题：如果在光速飞船上奔跑，速度会超过光速吗？将光速代入洛伦兹变换公式来一探究竟。假设飞船以光速 c 飞行，人在飞船上奔跑的速度为 v（v 相对于飞船），根据洛伦兹变换公式 v' = (v + c) / (1 + vc/c^2) ，化简后得到 v' = c 。

这清楚地表明，即便在光速飞船上奔跑，人的速度依旧是光速，而不会超越光速。无论人在飞船上奔跑的速度 v 是多少，只要飞船速度为光速 c，最终的合速度都不会突破光速的限制。这一结果或许与我们的直觉大相径庭，但它是基于严谨的科学理论推导得出的，并且得到了众多实验的有力支持。

科学理论需要实验的验证才能被广泛接受，狭义相对论和光速不变原理也不例外。

在众多验证实验中，迈克尔逊 - 莫雷实验是最为著名的。1887 年，迈克尔逊和莫雷在美国克利夫兰进行了这项旨在测量地球在以太中的速度，也就是 “以太风” 速度的实验。当时，人们普遍认为光的传播需要一种名为 “以太” 的介质，且地球在以太中运动，就像船在水中航行一样，会产生 “以太风” 。根据伽利略变换，在地球运动方向和垂直方向上测量的光速应该不同。