摘要：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。
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，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。
然而，当我们把目光从常见的低速场景转移到光的领域，情况就变得截然不同了。
光在真空中的速度约为 299792458 米 / 秒，这是一个极其特殊的速度。两束光反向飞行时，它们的相对速度该如何计算？
还能像汽车、高铁上物体的速度叠加那样简单处理吗？
首先来了解以下光速不变原理。
光速不变原理是理解光的相对速度问题的关键，也是狭义相对论的重要基石 。它是指在任何情形下，光在真空中的传播速度都是一个恒定的常数，约为 299792458m/s，不会随光源或观察者所在参考系的相对运动而改变。
从理论根源上讲，麦克斯韦方程组从电磁学的角度推导出了光速是一个定值，且公式中没有涉及任何参照系，光速只与真空的磁导率和介电常数有关。
这意味着光速在真空中的速度是由真空本身的电磁属性所决定，而与其他因素无关。
许多实验也证实了这一原理。1887 年进行的迈克尔逊 - 莫雷实验，本是为了验证地球是否拖拽以太空间，却意外地发现，无论如何测量，光沿着各个不同方向传播速度的大小都相同，与地球的运动状态无关，即光速不变。
为了更直观地感受光速不变原理，我们可以借助一些思想实验。
假设有一辆正在行驶的汽车，速度为 v。当汽车静止时，打开车灯，此时光相对于地面的速度是光速 c。当汽车以速度 v 向前行驶并打开车灯时，对于站在地面静止不动的观察者来说，按照传统的速度叠加思维，会认为光的速度应该是汽车速度 v 与光速 c 相加，即 v + c。
然而，实际情况并非如此，地面观察者测量到的车灯发出的光的速度依然是 c ，而非 v + c。同样，对于坐在汽车里的观察者而言，光的速度也始终是 c ，不会因为汽车的运动状态而改变。
再比如，在一列高速行驶的火车上，从车头向车尾发射一束光，在火车上的人看来，光的速度是 c；而在地面上的人观察，这束光的速度同样是 c，而不是火车速度与光速的叠加。 这表明，无论观察者处于何种运动状态，也无论光源如何运动，光在真空中的速度始终保持恒定。
狭义相对论是现代物理学的重要基石，它基于两个基本假设构建而成。
第一个基本假设是光速不变原理，这一原理我们在上文已经深入探讨过，即光在真空中的传播速度在任何惯性参考系中都恒定不变，始终约为 299792458m/s ，与光源和观察者的相对运动状态无关。它打破了传统的速度叠加观念，为我们理解高速运动的物理现象提供了全新的视角。
第二个基本假设是相对性原理，其内容为一切物理定律在所有惯性参考系中都是等价（平权）的，不存在一个比其他惯性系更为优越的绝对惯性系。
这意味着无论我们处于怎样的惯性系中，物理现象所遵循的基本规律都不会发生改变。
例如，在地球上进行的电磁学实验，与在一艘匀速直线飞行的宇宙飞船中进行的相同实验，所得到的电磁学规律是完全一致的 。相对性原理将力学中的伽利略相对性原理进行了推广，使其涵盖了包括电磁学在内的整个物理学领域，指出任何力学和电磁学实验现象都无法区分惯性系的绝对运动状态，包括相对静止或者匀速直线运动 。
这两个基本假设看似简单，却蕴含着深刻的物理内涵，它们相互关联，共同构成了狭义相对论的理论基础，从根本上改变了人们对时间、空间和运动的传统认知，引发了物理学的一场深刻革命，为后续诸多物理学理论的发展和实际应用奠定了坚实的基础。
什么是惯性系呢？
惯性系是牛顿运动定律在其中有效的参考系，又称惯性坐标系，简称惯性系 。
在惯性系中，不受外力作用的物体将保持静止或匀速直线运动状态，其时间是均匀流逝的，空间是均匀和各向同性的。
例如，在一个平稳行驶的火车车厢内（可近似看作惯性系），一个静止在桌面上的小球，如果没有受到外力干扰，它将一直保持静止状态；若给小球一个水平方向的初速度，它会在桌面上做匀速直线运动，这完全符合牛顿运动定律的描述。
从更广泛的角度来说，如果 S 为一个惯性系，那么任何对于 S 作等速直线运动的参考系 S' 也都是惯性系。
这意味着惯性系之间是相互等价的，不存在绝对的惯性系。在研究不同的物理问题时，可以根据实际情况选择合适的惯性系，以简化问题的分析和求解过程。
例如，在研究地球上物体的运动时，通常将与地球相固结的坐标系视为一个很好的近似惯性系；而在研究航天器在太空中的运行时，考虑到地球的自转和公转影响，地心坐标系或日心坐标系可能是更精确的惯性系选择。
惯性系在狭义相对论中起着关键作用，狭义相对论的所有理论和结论都是建立在惯性系的基础之上，它为我们理解物理世界的运动规律提供了一个重要的框架和基准。
明白了以上知识，再来看看题目中的问题。
在思考两束光反方向飞行的相对速度时，我们的直觉往往会受到日常生活中速度叠加经验的影响。
按照常规的速度叠加思维，就像两辆汽车以相同速度相向行驶，它们的相对速度是各自速度之和，我们可能会自然而然地认为两束光反方向飞行时，其相对速度是两倍光速，即 c + c = 2c。
然而，这种简单的算术相加在光速的情境下并不适用。这是因为我们日常生活中的速度叠加遵循伽利略变换，它基于绝对时空观，认为时间和空间是绝对不变的 。
但当涉及到光这种以极高速度运动的对象时，需要考虑狭义相对论所描述的时空相对性，不能再用传统的速度叠加方法来处理 。
在狭义相对论中，洛伦兹变换是描述不同惯性系之间物理事件时空坐标变换的基本关系式，也是计算高速运动物体相对速度的重要工具。
洛伦兹变换公式考虑了时间和空间在高速运动中的相对性，与基于绝对时空观的伽利略变换不同，它更准确地反映了高速运动下的物理规律。 其速度变换公式为：
当我们用洛伦兹变换来计算两束光反方向飞行的相对速度时，计算结果表明，两束光反方向飞行时，它们的相对速度并非我们直觉所认为的 2 倍光速，而是仍然等于光速 。
这一结果充分体现了光速不变原理在狭义相对论中的核心地位，也展示了洛伦兹变换在处理高速运动问题时的正确性和重要性。
从光的本质属性来看，光具有波粒二象性，这使得它的行为与宏观物体有着本质区别 。
光的传播不需要介质，且在真空中以恒定的光速运动。在狭义相对论的框架下，惯性系是指牛顿运动定律在其中有效的参考系，而光的传播特性决定了它不遵循牛顿的惯性定律，因此不能作为惯性参照系。
从时间和空间的角度分析，根据狭义相对论，当物体的速度趋近于光速时，时间会膨胀，空间会收缩 。
对于光而言，它始终以光速运动，这意味着光的时间是凝固的，不存在时间的流逝概念，同时其空间也被压缩至无限小 。如果以光作为参照系，就会出现时间和空间的概念变得毫无意义的情况，因为时间和空间的基本度量在光的参照系中无法确定。
从物理规律的角度出发，相对性原理要求相对参考系间应该遵循相同的物理定律 。
但光的传播规律与普通物体不同，以光为参照系会导致物理定律无法统一表述，整个物理体系的逻辑一致性会被打破 。
例如，在光的参照系中，无法定义惯性力，也无法解释一些基于惯性系的物理现象，这使得光作为参照系在物理学中失去了实际意义。
由于光不能作为参照系，从严格意义上讲，两束光反向飞行相对速度的问题在现有理论框架下是无解的 。
但如果我们非要以光为参照系进行计算，按照速度的定义，速度等于位移除以时间。
光在瞬间就可以飞行到无穷远的距离，而光本身又不存在时间概念，即时间无穷小。根据速度公式，无穷大的距离除以无穷小的时间，得到的结果看似是无穷大 。
然而，需要明确的是，无穷大只是一个抽象的数学概念，它并非一个具体的数值，不能像常规的速度值那样来描述物理现象 。这也进一步说明了以光为参照系来计算相对速度是不符合物理学实际意义的，它超出了我们现有物理理论的解释范畴。
来源：宇宙探索