再用中學知識來解釋一下

戴榕菁

上文《科學信仰和真理原則》【[1]】提到能量守恒對很多人來說是一種科學信仰但科學信仰應該服從真理原則。其實隻要大家打破固有的思想束縛，本博客最近有關光能與多普勒效應之結合在現有科學體係內不符合能量守恒的內容並不難理解。凡具有中學物理知識的讀者應該都能讀懂。

下麵以“Discord between Doppler Effect of Light and Photon Energy”【[2]】一文中提到的在兩個做相對運動的鏡麵之間來回反射的光線之違背能量守恒一例用中學課本知識加以介紹。

由著名的愛因斯坦-普朗克光能公式我們知道E=hf，其中E是光子的能量，h是普朗克常數，f是光子頻率。

假設有兩麵鏡麵質量完美的鏡子A和B沿著一個直線軸以恒速V做相對運動。這時從A向B發射一束脈衝激光波，該脈衝波在A和B之間來回反射，由於存在著多普勒效應，假設一開始的那束光是藍色的而A與B是相互遠離的或者一開始那束光是紅色的而A和B是相互趨近的，在一定的距離和速度的範圍內，我們不難算出，在幾秒甚至更短的時間內，不論是上麵提到的藍光還是紅光都會出現由肉眼可變的顏色改變而成為綠光。

這裏很關鍵的一點是這樣一個基本常識：光在高質量的鏡麵發生反射時顏色不變（否則的話你照鏡子的時候會發現嘴唇變綠了）。

根據前麵提到的愛因斯坦-普朗克光能公式E=hf，我們很容易得出結論：既然多普勒效應使得那束光或是由藍變綠或是由紅變綠，而反射本身沒有造成顏色變化，那表明多普勒效應使得那束光的能量發生了變化。但是，多普勒效應本身並不含有通常我們熟知的導致能量傳遞的相互作用。所以，結論是在這過程中能量守恒被打破了！

以上這段分析沒有涉及任何高深的知識，完全就是在中學生應該已經掌握的知識範圍之內的。

如何補救？

但是，在能量守恒的概念已經成為很多人的科學信仰的前提下，如果我們僅僅是給出上述，能量不守恒的結論顯然是難以讓很多人在情感上難以接受。那麽我們就來考慮一下補救的措施吧。一個簡單粗暴的相法就是放棄E=hf，而直接采用經典物理中的光粒子的概念。但是，光粒子的一個致命的缺陷是它無法解釋光的顏色隨著頻率的改變而變化這一點。

那麽我們是否可以將E=hf與經典的光粒子的模型相結合呢，反正現代物理學將光說成是波粒二象性，何必隻用與波的特性有關的E=hf而不將反映粒子特性的與光速c有關的機械動量和動能的計算也引入對光能的計算呢？但問題是，現有的理論體係並沒有告訴我們應該如何將經典物理中與速度相關的動量和動能的計算與E=hf結合起來。所以，另一個簡單粗暴的結論便是在光的傳播過程中用E=hf而在光與鏡麵相互作用時用經典粒子的動量動能模式。哈，理想可以很豐滿，但現實或許很骨感。。。。這裏肯定有中學時期物理課上優等生。你們不妨按照上麵的設想來將E=hf和粒子動量動能模型分別應用在光的傳播過程和與鏡麵的相互作用上。你們很快會發現，那樣一來，能量的不平衡不但沒消失反而加倍了。。。。其實，原因很簡單：多普勒效應與光鏡相互作用之間不存在因果關係，是相互獨立的。你現在用兩個都會導致能量不守恒的模型各算一遍，隻能導致能量更加不守恒！

所以還是回到了我已經做出的結論：在現有體係下多普勒效應的存在導致能量不守恒！

結束語

最近發現，能量守恒對很多人來說已經超出了科學信仰的範圍，他們對於能量守恒這個概念缺乏科學信仰所應有的基本的嚴肅性，把原本屬於科學信仰的內容變成了安慰劑。

也許有人會說能量守恒的概念告訴我們：要想得到一定的功率必須消耗一定的能量，所以隻要知道能量守恒的概念就行了。。。。但是，1）能量在大範圍內守恒並不等於說在現有體係內的所有物理過程遵守能量守恒；2）反過來說，能量在某些現象裏不守恒，並不等於說在所有過程中都不守恒；3）在實踐中，輸入能量和輸出能量之間有一定效率，在把所有的能量成分都考慮進來之後，一定要從數量上得出一個等式，才能說是能量守恒。但如果現在明確知道在某個過程中你想盡一切辦法都不可能寫出那個等式，你就不能說在那個過程中能量是守恒的。

以上的討論沒有任何一點超出了中學生應該掌握的知識範圍！

 

---

【[1]】戴榕菁（2026）科學信仰和真理原則

【[2]】戴榕菁（2026）Discord between Doppler Effect of Light and Photon Energy  

[慕容青草]

建議奧林匹亞將本文內容列為下屆比賽內容，既可考選手的中學物理知識，更可考選手的科學態度及是墨守成規還是具有開創性。

建議各大公司將本文內容作為麵試考題，考考受試者對待真理原則的態度。