光波多普勒效应之能量不守恒的通俗解释

戴榕菁

原本以为只要我指出光波的多普勒效应可以导致能量不守恒这一点【[1]】，世人便会齐声拍案说道：“没错，就是这么回事，之前我们都忽略了这一点。”但没想到得到的反应却是众人闷闷我自乐乐。我曾特地在中文网尽可能地用中学知识进行了解释【[2]】，但似乎效果仍不显著。近来更有皇家学会的Board Member以读不懂的相关论述为理由拒绝我的文章【[3]】，看来我有必要用更通俗的语言对相关概念进行一些解释。

1. 预备知识

1.1. 两个常识

关于光波的多普勒效应导致能量不守恒这一结论所依据的是下面这两个几乎所有人都很熟悉的常识。

光波的多普勒效应：大家一定从小就注意到当救护车或火车鸣笛向你驶来时，你会觉得声音变尖锐（频率较高）；当它离你而去时，声音会变得低沉（频率较低）。这就是声波的多普勒效应。这一现象最初由奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒于1842年发现。荷兰气象学家拜斯·巴洛特在1845年让一队喇叭手站在一辆从乌得勒支附近疾驶而过的敞篷火车上吹奏，他在站台上测到了音调的改变。多普勒效应不仅存在于声波，而是存在于任何波动现象中，而作为光的波动理论的一个直接推论，我们知道多普勒效应也存在于光的运动中【[4]】。而与光的多普勒效应密切相关的两个大家经常听到的概念就是蓝移与红移：当光源朝着观察者运动时，光的颜色会向着蓝色光谱位置方向变化，而当光源背离观察者运动时，光的颜色会向着红色光谱位置方向变化。假如我们把蓝色看作比红色更深的颜色的话，我们可以说当光源朝着观察者运动时，颜色会变得更深，而当光源背离观察者运动时，颜色会变得更浅。

介质表面反射的频率律：大家一定从小就已经形成了这样一个基本常识----当你照镜子的时候，只要镜面质量足够好也足够干净，你在镜子里看到的（包括你自己在内的）所有东西的颜色与你扭头在现实世界中看到的东西的颜色是一样的。我给这种世人因习惯成自然而熟视无睹的现象命名为介质表面反射的频率律【[5]】，意思是说光在一个（未受污染的）高质量的镜面反射后其频率（即颜色）是不变的。

1.2. 光能的计算

对于理工科背景的读者来说，爱因斯坦-普朗克的光能公式E=hf（E是光子能量，h是普朗克常数，f是光的频率）也算是一种常识，但对于非理工科背景的读者来说，这已经超出了他们的常识范围，所以单独列出。

1.3. 真空中的光速不变律

关于真空中的光速不变这一点，这里的所有读者从小接触到的是一个错误的理论，那就是狭义相对论所说的真空中的光速对所有的观察者都不变的假说。其实，早在狭义相对论产生之前，甚至在麦克斯韦算出真空中的光速之前的很长一段时间里，人们都忽略光速对于任何观察者来说的变化，比如Soldner在他的1801年的文章中就没有考虑光速在太阳引力场中相对于太阳的速度的任何变化【[6]】。这里的原因也很简单：相对于地球人平时所观察到的运动来说，光速之大使得（想象中的）观察者的速度可以被忽略。而狭义相对论则将这个原本是一种近似的处理绝对化了，声称真空中的光速对于任何观察者都不变，以致于今天的科学界已将光速定义为在任何情况下不需要再测量的宇宙绝对常量----这将导致很多基本逻辑错误，因此在这一前提下发展出来的狭义相对论不可能是正确的。

按照基于19世纪在地球上所做的物理实验得出的麦克斯韦光速方程，一个比较合理的假设应该是真空中的光速对于做惯性运动的光源是不变的，我将之称为修正后的真空中的光速假说。

2. 光的多普勒效应如何打破能量守恒

我最早在2021年就提出了光在宏观世界的多普勒效应可以随机地打破能量守恒效应【[7]】，当我在英文网站贴出相关文章后并没有得到什么挑战，而且在academia.edu中其他人的相关讨论中提出该理论时还获得物理学人士的不少认同。但是，去年（2025）底因为在回应Cambridge Scholar Press的约稿邀请而准备的Metaphysical Symphony一书的目录中引入了相关内容时，感觉在中文网站对相关问题的讨论还不够，于是写了一篇短文重新回顾了这个议题。但马上得到了相对论拥护者们的质疑，他们声称只要站在不同的坐标系观察光的运动，就不会出现因为多普勒效应引起的能量不守恒【[8]】。

一方面因为2021年当初我讨论相关问题时确实没有从相对论拥护者们所热衷的改变观察者坐标系的角度来考虑过这个问题，另一方面因为当时正把主要精力放在为Cambridge Scholar Press准备Metaphysical Symphony一书的目录，更重要的是当时法拉盛的租房中的条件相当艰苦，所以我竟一时被他们的质疑搞困惑了，开始对我当初的结论产生了动摇【[9]】。后来我在英文网站贴出了一篇可以说是【^8,9】的英文版的文章【[10]】，但在academia.edu关于该文的讨论中又有相对论学者从坐标变换的角度对我2021年的理论提出质疑，这进一步加剧了我对于2021年的结论的动摇，以致于我在将该文收入到后来出版的Metaphysical Symphony的Book One之前对之进行了修改，将我对光的多普勒效应引发的能量不守恒的讨论从2021年的单纯的宏观世界的结果改为宏观与微观之间的对比（这一点我在本文后面进一步讨论）。

但不久后，我曾在本博客多次提到的那位意大利的物理学家Didier Viel出手了【[11]】。他专门写了一篇文章来讨论我所提出的光的多普勒效应导致能量不守恒的理论。。。。他认为我的论述本身是没有问题的，但是他不认为能量守恒会被打破，于是他提出了一个更大胆的假设：根本不存在光的多普勒效应。他认为这样一来就解决了我的论述在逻辑上的正确与能量守恒的可靠性之间的矛盾。而他用以否定光波的多普勒效应的一个逻辑点居然是假想这样一种实验场景：让两个镜子彼此之间做相向运动，然后在它们之间射一束光线。他论辩道：如果存在光的多普勒效应的话，那么按照我的分析，在那两面镜子之间来回反射的光束能量岂不要无限上升？

我看了他的那个思想实验之后，不禁拍案叫绝----Didier他的思想实验不但无法否定我2021年提出的理论，反而坐实了我的理论的正确性，从而彻底打消了我对于自己在2021年提出的理论的疑虑。

2.1. 在一对做相对运动的镜面之间来回反射的光束如何打破能量守恒

我2021年提出的观点是：当一束光在太空中打在一个与光源做相对运动的物体上时，由于观察者与光源之间的相对运动产生的多普勒效应，光束的频率已经不同于它被发出时的频率，而是发生了红移或蓝移。而根据爱因斯坦-普朗克的光能公式，光的能量是由频率决定的，因此那束光从被发出那一刻到被打在另一物体上的这段过程中，在没有受到任何外力作用的情况下，其能量凭空减少了或增大了，从而造成能量不守恒。考虑到宇宙万物都无时不刻地在向外发射着包括红外线在内的各种可见与不可见的光，而宇宙万物之间又存在着永恒的在大多数情况下彼此无关的随机的相对运动，所以宇宙间的能量会因为多普勒效应而不断地凭空产生与消失。

其实这个理论与相对论并没什么关系。但是，相对论的拥护者们在遇到解释不了的问题时会习惯性地用变换观察者的坐标系来圆场。应该是这个习惯使得他们觉得应该能够用同样的思维来反驳我提出的理论。他们说，虽然从A发出的光束打在与A相对运动的B上的时候的频率（颜色）与它在A被发出时的频率（颜色）是不同的，但是如果你站在A和B的各自的坐标系里观察时，那束光的颜色从来都没变过----这是因为两个做相对匀速运动的物体之间的多普勒效应产生的红移或蓝移是不会随着时间而改变的。。。。我当时还真的被他们的这番完全忽略了问题的本质的论辩给唬住了。

但是，那位意大利的物理学家Didier所设定的两面做相对运动的镜面的条件则完全让相对论拥护者们的逻辑破防了。。。。这是因为当那束由A射出的光束打到B上镜面发生反射时，根据我前面提到的介质表面反射的频率律，它的反射频率就是打在B镜面上的频率，是不同于A发射它时的频率的。当那束光从B反射回A的时候，B成为了光源，A成为了接受光的观察者。如果B与A之间是相向运动的话，那么A看到的从B返回的光线已经比发出时变深了（蓝移），而且比B看到的更深，因为它已经经历了两次蓝移；而当那束光打到A上的镜面再反射回B时，B看到的颜色比上一次看到的又更加深了，因为它再一次经历了蓝移。。。。所以，当这束光在两面做相向运动的镜面之间来回反射时，它的颜色是不断变深的，也就是说能量是不断增加的，而相对论拥护者们这回完全无法通过改变观察者的坐标系来消除这种能量的不断增加的。

假如A与B之间是相互远离的，那么在它们之间来回反射的那束光的颜色会越变越浅（红移），从而它的能量不断减弱。

2.1.1. 讨论

（一）这里的关键要害在于---这个导致光能改变的多普勒效应与光本身的运动过程毫无关系！---这才是打破能量守恒的关键。。。。这是因为自几百年前的法国女数学家提出能量守恒以来，能量的转换一定要通过某种形式的相互作用来实现，而这里讨论的多普勒效应导致的能量变化的过程中完全没有任何相互作用力发生。

如你们在【¹】的附录中看到的，那位Langstaff试图用光线与镜面之间的相互作用来解释来回反射的光线的能量变化，但是他忽略了这样两点：a)光线在镜面的反射被认为基本上是能量守恒的，最多认为由于光子被部分吸收而消耗一部分能量，而不会增加光子的能量；b)他显然完全没有动手计算一下。。。。假如他象我一样动手算一下的话，他会发现如果他假设光线与镜面的相互作用会导致光束的能量变化的话，他不但无法抵消多普勒效应造成的能量变化，反而会使光束的蓝移或红移加倍----这里的根本原因是多普勒效应与光束和镜面之间的相互作用毫无关系，两者之间是相互独立的。。。。所以，如果你硬打破光在镜面的反射是能量守恒的这一前提假设，而要在多普勒效应之外再象力学中计算乒乓球在镜面的反射那样算一下镜面对光子的作用如何导致光能的变化的话，你只不过是额外地又给光子增加了一个能量输入而已，这个能量输入根本无法改变多普勒效应带来的能量变化！

（二）那么在两面相向运动的镜面之间来回反射的光束的能量真的会象Didier在他的文章中假设的那样无限增加吗？其实也不会。

这里有两个因素使得那束光的能量并不会无限上升，而这两个因素都与镜面的质量有关：a)除非镜面的质量超级棒，按照现有的理论，当光束打到镜面上时，一部分的光子会被吸收掉，所以，来回反射几次之后，最初射出的光子会消耗殆尽，由新发射出的光子来补充，而新光子的反射次数不够，所以能量增加也不够；b)假如镜面质量超级棒，真有一些光子经历了成千上万次的来回反射仍然存活，那么那样的光子会成为X光或伽马线直接穿透镜面。

（三）至于说Didier试图对光的多普勒效应进行否认，那更是无效。这是因为多普勒效应存在于任何波源与观察者之间有相对运动的波动现象中。除非他能否定光的波动性，否则他无法否定光的多普勒效应。

（四）在整个讨论中，对于光速不变的这个议题的隐性的应用在于当来自A的光在B的镜面反射的前后，它相对于B的镜面的速度是不同的，因为之前它的光源是A，而之后它的光源是B。但是，虽然这会影响具体的计算，并直接不影响这里的讨论，所以，即便你非要坚持狭义相对论的错误，认为光速对于所有的观察者都不变，也无法改变最后的结论。

2.2. 多普勒效应打破宏观和微观之间的能量守恒

多普勒效应打破宏观与微观之间的能量守恒这一点比上面讨论的多普勒效应在宏观世界打破能量守恒更好理解。这里的基本原理是，观察者的宏观运动不会改变被观察者内部的微观运动状态。。。。例如，天上的飞鸟不会导致你的体温或血压变化，更不会造成你体内细胞的运动的变化----这是比前面提到的常识更普通的常识。

但另一方面，当一束光从A被射出时，A体系一定消耗了某个数量的能量，这个能量不会因为B的宏观运动改变；但是由于多普勒效应，B观察到的那束光的能量（颜色）不同于A发出的光的能量（颜色），所以这两者之间的能量是不匹配的，而A与B同属一个宇宙，所以整个宇宙中的能量不论从A的坐标系还是从B的坐标系看都是不守恒的。

3. 结束语

可惜皇家学会的那位Board Member应该不懂中文，更不会来这个网站读我的文章，否则的话，这篇文章能帮助他读懂我的那篇“Discord between Doppler Effect of Light and Photon”【¹】。

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

【[2]】戴榕菁（2026）再用中学知识来解释一下

【[3]】戴榕菁（2026）科学家的饭碗与科学的意义

【[4]】维基百科. 多普勒效应. 链接: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%9A%E6%99%AE%E5%8B%92%E6%95%88%E5%BA%94

【[5]】戴榕菁（2026）光传播过程中的三个基本定律（假说）

【[6]】戴榕菁（2024）还Soldner一个公道

[[7]] Dai, R. (2021). The Random Energy Loss and Creation in a Nonexpanding Universe. Retrieved from: https://www.researchgate.net/publication/350086785_The_Random_Energy_Loss_and_Creation_in_a_Nonexpanding_Universe

【[8]】戴榕菁（2025）光能的混乱---量子力学的第一个先天不足

【[9]】戴榕菁（2026）可以给光能问题结个账了

【[10]】戴榕菁（2026）An Energy Dilemma Created When Quantum Physics Sta

[[11]]Dai, R. (2026). Testing Doppler Effect of Light with a Pair of Mirrors. Retrieved from: https://www.researchgate.net/publication/403473842_Testing_Doppler_Effect_of_Light_with_a_Pair_of_Mirrors