在日常生活里，速度疊加的現象隨處可見。當你坐在一輛速度為 60 千米 / 小時的汽車上，若你以 5 千米 / 小時的速度在車內向前走動，那么相對于地面的觀察者來說，你的速度就是汽車速度與你自身速度之和，即 65 千米 / 小時 。

又比如，高鐵以 300 千米 / 小時的速度飛馳，列車員在車廂里以 2 千米 / 小時的速度行走，在站臺上的人看來，列車員的速度便是 302 千米 / 小時。這種速度疊加的計算方式，依據的是伽利略變換，公式表達為 v' = v + u 。

它符合我們在低速狀態下對速度的認知，簡單直觀，也與日常經驗相符 ，所以在處理這類低速場景時，伽利略變換能夠精準地描述物體的運動狀態和相對速度。依據這個原理，如果在一艘以光速飛行的飛船上奔跑，那么人的速度似乎就應該是光速加上人奔跑的速度，從而超越光速。

但事實真的如此嗎？在科幻作品里，超光速飛行常常是實現星際穿越的關鍵，比如《星際穿越》中，主角庫珀一行人通過穿越蟲洞，突破了光速限制，從而抵達遙遠星系，探索未知世界，開啟了一場震撼人心的宇宙冒險。這些情節點燃了人們對超光速旅行的向往，也讓我們對現實中在光速飛船上奔跑能否超光速的問題充滿好奇。

那么，從科學理論的角度深入探究，答案究竟是什么呢？

1905 年，愛因斯坦提出了狹義相對論 ，這一理論徹底革新了人們對時間、空間和速度的傳統觀念。狹義相對論基于兩條基本假設：狹義相對性原理和光速不變原理 。

狹義相對性原理表明，物理定律在所有慣性參考系中都具有相同的形式，不存在絕對靜止的參考系；而光速不變原理更是核心所在，它指出在任何慣性系中，光在真空中的速度始終保持恒定，約為 299792458 米 / 秒，不會因為光源或觀察者的運動狀態改變而改變。

這一原理相當反直覺，完全打破了我們對速度疊加的常規認知。

設想一下，在一列高速行駛的火車上，車頭的燈發出一束光。對于火車上的乘客而言，這束光以光速 c 向前傳播；對于站在地面上靜止不動的觀察者來說，這束光同樣以光速 c 傳播，而不是火車速度與光速的疊加 。再比如，在太空中，一艘高速飛行的宇宙飛船向前發射一束激光，無論飛船的速度多快，這束激光在任何參考系中的速度都是光速。

這就好比光擁有一種 “特殊的魔力”，無論在怎樣的運動環境下，它的速度都恒定不變，這種特性與我們日常生活中所接觸到的物體速度截然不同 。

光速不變原理并非只是愛因斯坦的大膽假設，它有著堅實的理論和實驗基礎。從理論根源來講，它能夠從麥克斯韋方程組推導得出。麥克斯韋方程組對電磁現象進行了全面而深刻的描述，通過這個方程組可以得出，光在真空中的傳播速度僅由真空的介電常數和磁導率決定，與光源和觀察者的運動狀態毫無關聯 。

在實驗驗證方面，1887 年進行的邁克爾遜 - 莫雷實驗最為著名。該實驗旨在尋找 “以太” 這種被認為是光傳播介質的物質，并測量地球相對于以太的運動速度。實驗結果卻令人大為震驚，無論怎樣測量，都無法觀測到光速在不同方向上的差異，有力地證實了光速不變的特性 。后續還有眾多高精度實驗，如恒星光行差的觀測、導航衛星的星地對時延遲誤差測量等，都進一步為光速不變原理提供了可靠的證據 。

當物體的運動速度處于低速狀態時，伽利略變換能夠完美地描述速度疊加現象，與我們的日常經驗相符 。然而，一旦物體的速度接近光速，進入亞光速世界，情況就發生了巨大的變化 。在這個高速領域，伽利略變換不再適用，我們需要引入洛倫茲變換來準確計算速度疊加 。

洛倫茲變換的公式為 v' = (v + u) / (1 + uv/c^2) ，其中 v' 是物體在新參考系中的速度，v 是物體在原參考系中的速度，u 是兩個參考系之間的相對速度，c 則是真空中的光速 。這個公式看似復雜，卻蘊含著深刻的物理意義 。

洛倫茲變換與伽利略變換有著本質的區別 。

在伽利略變換中，時間和空間被認為是絕對的，速度可以簡單地進行線性疊加 。而洛倫茲變換則考慮了時間和空間的相對性，它表明在高速運動的情況下，時間會變慢，空間會收縮，這種時空的變化會對速度的疊加產生影響 。當 u 和 v 與光速相比非常小時，uv/c^2 接近于 0，分母 1 + uv/c^2 接近于 1，此時洛倫茲變換就近似于伽利略變換 ，這也解釋了為什么在低速世界中，伽利略變換能夠如此準確地描述速度疊加現象 。

但當 u 或 v 接近光速時，情況就截然不同 。例如，當 u 和 v 都等于 0.5c（c 為光速）時，按照伽利略變換，v' 應該等于 c，但根據洛倫茲變換計算，v' = (0.5c + 0.5c) / (1 + 0.5c × 0.5c /c^2) = 0.8c ，結果明顯低于光速 。 這清楚地表明，在亞光速世界，必須使用洛倫茲變換才能準確計算速度疊加，否則會得出與實際情況相差甚遠的結果 。

現在，讓我們回到最初的問題：如果在光速飛船上奔跑，速度會超過光速嗎？將光速代入洛倫茲變換公式來一探究竟。假設飛船以光速 c 飛行，人在飛船上奔跑的速度為 v（v 相對于飛船） ，根據洛倫茲變換公式 v' = (v + c) / (1 + vc/c^2) ，化簡后得到 v' = c 。

這清楚地表明，即便在光速飛船上奔跑，人的速度依舊是光速，而不會超越光速 。無論人在飛船上奔跑的速度 v 是多少，只要飛船速度為光速 c，最終的合速度都不會突破光速的限制 。這一結果或許與我們的直覺大相徑庭，但它是基于嚴謹的科學理論推導得出的，并且得到了眾多實驗的有力支持 。

科學理論需要實驗的驗證才能被廣泛接受 ，狹義相對論和光速不變原理也不例外。

在眾多驗證實驗中，邁克爾遜 - 莫雷實驗是最為著名的。1887 年，邁克爾遜和莫雷在美國克利夫蘭進行了這項旨在測量地球在以太中的速度，也就是 “以太風” 速度的實驗 。當時，人們普遍認為光的傳播需要一種名為 “以太” 的介質，且地球在以太中運動，就像船在水中航行一樣，會產生 “以太風” 。根據伽利略變換，在地球運動方向和垂直方向上測量的光速應該不同 。

實驗中，他們使用了邁克爾遜干涉儀，將一束光分成兩束，讓它們分別沿著不同方向傳播，然后再重新匯聚形成干涉條紋 。如果光速在不同方向上存在差異，那么干涉條紋就會發生移動 。然而，實驗結果卻令人驚訝，無論他們如何調整實驗儀器的方向，怎樣精心測量，都沒有觀測到干涉條紋的移動 。

這表明，在不同方向上測量的光速是相同的，根本不存在 “以太風” ，直接否定了以太的存在，也為光速不變原理提供了強有力的實驗證據 。這個實驗的結果震撼了整個物理學界，成為了近代物理學的一個重要開端 。