В физике есть базовые принципы, которые не подлежат сомнению. Один из основных – это закон сохранения энергии. Механика добавляет ещё один – закон сохранения импульса. Эти законы являются свидетельством и следствием однородности времени и пространства.
Но всегда ли физика следует этим законам при рассмотрении физических явлений? Для примера рассмотрим отражение света от зеркальной поверхности.
Известно, что свет отражается от зеркальной поверхности. При этом угол отражения равен углу падения. Кроме того, частота отраженного света равна частоте света, падающего на зеркало. Не подлежит сомнению, что скорость света не изменяется при отражении.
Я всегда полагал, что в этом описании нет места сомнению. Но попробуем рассмотреть явление отражения света с точки зрения законов сохранения. Они должны выполняться вне зависимости от природы фотона и его свойств.
В классической механике импульс понимается как количество движения и определяется в виде произведения массы движущегося тела на его скорость.
В физике принято считать, что любой движущийся материальный объект, обладает количеством движения, то есть импульсом. Но в природе есть виды материи (например, электромагнитное поле), которым сложно приписать такой параметр, как масса. Вместе с тем, все материальные тела, поля, любая форма материи характеризуются энергией. Поэтому физика нашла удобную форму записи, выражающую импульс тела через его полную энергию и скорость движения.
В соответствии с приведенным выражением фотоны характеризуются определенным импульсом. Следовательно, они оказывают давление на поверхность при отражении от зеркала. В соответствии с законом сохранения импульса, при отражении света зеркало приобретает импульс, равный сумме импульсов падающего и отраженного фотонов.
То, что покоящееся зеркало приобретает импульс, означает, что оно приобретает некоторую скорость, то есть изменяется кинетическая энергия зеркала. Но мы полагали, что у отраженного фотона не изменяется частота и скорость. Следовательно, не изменяется и энергия фотона, равная произведению частоты на постоянную Планка. Тогда возникает вопрос – откуда взялась у зеркала дополнительная энергия?
Действительно, зеркало приобрело некоторый импульс, в результате изменило свою скорость, приобрело кинетическую энергию. Эту энергию зеркалу мог передать только фотон. Следовательно, энергия отраженного фотона должна уменьшиться.
Но при описании отражения было указано, что фотон не изменяет частоту и скорость. Как понимать это противоречие? Это парадокс?
Нет, эта ситуация не является парадоксом. Необходимо только решить для себя, что является более фундаментальным – законы сохранения или сделанные предположения о свойствах фотона и правилах отражения?
Не хочу навязывать своё мнение, но для меня законы сохранения энергии и импульса в физике являются фундаментальными и незыблемыми.
Поэтому остаётся несколько возможных вариантов:
- Релятивистская формула импульса не справедлива для фотона. У фотона нет импульса.
- Формула для энергии фотона не справедлива. Энергия фотона определяется не только его частотой.
- Угол отражения не равен углу падения.
- При отражении уменьшается частота фотона.
- При отражении уменьшается скорость фотона.
- Во всём виновата тёмная материя и тёмная энергия.
Очень жаль, что мне не удалось найти ответы на эти вопросы в классических учебниках по теоретической физике.