如果兩束光以反方向運動,它們的相對速度是2倍光速嗎?

試想一下，如果兩束光沿著相反的方向發射出去，它們背向而馳，那麼，一束光相對於另一束光的速度會是多少？會是兩倍光速嗎？這樣豈不是打破相對論了嗎？

當我們在談論速度時，需要選擇一個靜止參照系，參照系選擇不同，相對速度也會不同。舉個例子，一列火車以速度v相對於地面運動，那麼，坐在火車上的觀測者甲會認為火車相對於他的速度為0，地面上的觀測者乙會認為火車相對於他的速度為v。如果火車上還有一個觀測者丙以速度u朝著火車行駛方向前進，地面上的乙會認為丙相對於他的速度為v+u。

然而，對於光速c而言，就完全不是這樣了。其他速度需要選擇好靜止參照系才能得到相對速度，但真空光速卻直接有一個計算公式：

在這個由麥克斯韋推導出的光速計算公式中，兩個參數都是常數，這意味著光速不會隨著靜止參照系的改變而發生變化，或者說光速相對於任何靜止參照系都是相同的光速。愛因斯坦正是基於光速不變原理，提出了狹義相對論。光速成了絕對不變，而時間和空間變得相對，與參照系選擇有關。

另外，由此還可以得到一個推論，那就是不存在光速參照系。因為一旦有光速參照系，光速就會變為零，與上述公式相違背。

在上述例子中，如果這列火車向前發出一束光，那麼，甲、乙和丙所測出的光速都是一樣的，都為光速c，而不是c-v、c+v、c-v-u。

事實上，我們平時所用的速度疊加原理是基於伽利略變換，這其實是一種近似計算結果，真正的速度疊加原理需要基於洛倫茲變換：

由於光速非常快，我們平時所接觸到的速度都是遠低於光速，所以上述的速度疊加公式可以近似轉化為伽利略變換形式。但在接近光速或者光速的情況下，只能使用洛倫茲變換。

如果光子能被視作靜止參照系，把上述公式中的u也取為c，疊加後的速度不是2c，依然還是光速c。因此，兩束朝著相反方向運動的光，它們之間的相對速度還是光速c。

當然，對於我們而言，兩束光的相對速度是兩倍光速，但這個速度與上述相對於參照系的速度是兩種概念。同樣地，空間結構在超光速膨脹，導致遙遠的星系正以超光速在退行，或者說我們相對於遙遠星系在超光速退行。