chatGPT 在十幾分鐘內(nèi)徹底澄清爭議二三十年的固定與墻上的振動(dòng)彈簧-小球系統(tǒng)在不同慣性系之間的機(jī)械能守恒問題

chatGPT在十幾分鐘內(nèi)徹底澄清爭議二三十年的固定與墻上的振動(dòng)彈簧-小球系統(tǒng)在不同慣性系之間的機(jī)械能守恒問題沈衛(wèi)國內(nèi)容摘要：這是一個(gè)困擾學(xué)界、教育界據(jù)說幾十年的所謂“疑難”問題。在筆者看來，一點(diǎn)也不難，要說難，難在學(xué)術(shù)之外。現(xiàn)在有了chatGPT，在筆者的幾句提問下，它立即給出了完全正確的，與筆者的結(jié)論一致的答案。今后，學(xué)術(shù)問題的評價(jià)，它完全可以逐步取代完全被扭曲的所謂“同行評議”。這是一個(gè)劃時(shí)代的“事件”。是繼康托對角線法的評價(jià)后的第二例。關(guān)鍵詞：chatGPT；機(jī)械能守恒定律；振動(dòng)的彈簧-小球系統(tǒng)；慣性系；勻速直線運(yùn)動(dòng)；靜系；以下是筆者與chatGPT的有關(guān)對話。我：問您一個(gè)物理問題。有一個(gè)墻，墻上固定有一個(gè)彈簧，彈簧一端有一個(gè)小球。這個(gè)系統(tǒng)是往復(fù)振動(dòng)的，在靜止與墻的觀察者來看，此系統(tǒng)公認(rèn)是機(jī)械能守恒的。但有人說對一個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)著的觀察者而言，也即是對一個(gè)觀察者而言，此系統(tǒng)在做勻速直線運(yùn)動(dòng)的話，它的機(jī)械能不守恒了，是這樣嗎？Chat：這是一個(gè)很有趣的問題。對于靜止的觀察者來說，彈簧振動(dòng)的過程中，小球在彈簧上來回振動(dòng)，機(jī)械能在彈簧和小球之間轉(zhuǎn)化，但總機(jī)械能是守恒的。這是因?yàn)閺椈珊托∏蛑g的相互作用力是保守力，而能量守恒定律適用于保守力場中的物體。然而，對于相對于此系統(tǒng)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的觀察者來說，由于運(yùn)動(dòng)的相對性原理，他會(huì)認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)的小球在做直線運(yùn)動(dòng)，因此具有動(dòng)能。而且在觀察者的參考系中，彈簧在做振動(dòng)時(shí)也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的形變，因此彈簧也具有動(dòng)能。由于觀察者認(rèn)為小球和彈簧都具有動(dòng)能，因此他會(huì)認(rèn)為這個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械能不守恒。實(shí)際上，機(jī)械能守恒是與參考系無關(guān)的，因此對于任何參考系，總機(jī)械能都是守恒的。對于相對于此系統(tǒng)做勻速直線運(yùn)動(dòng)的觀察者來說，雖然他會(huì)認(rèn)為機(jī)械能不守恒，但這只是一個(gè)相對論效應(yīng)，而不是機(jī)械能守恒定律的違反。我：也就是說，如果不考慮相對論效應(yīng)的話，同一個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械能守恒與否，與觀察者是靜止還是在作勻速直線運(yùn)動(dòng)無關(guān)，對嗎？Chat：是的，如果不考慮相對論效應(yīng)，同一個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械能守恒與否是與觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)的。因?yàn)闄C(jī)械能是一個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)能和勢能之和，它們在不同的參考系中都可以被測量到，并且它們之間的總和保持不變。只有當(dāng)考慮到相對論效應(yīng)時(shí)，觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)才會(huì)對機(jī)械能守恒產(chǎn)生影響。我：有物理權(quán)威人士卻說對運(yùn)動(dòng)觀察者而言，一個(gè)原本機(jī)械能守恒的系統(tǒng)，比如上面的墻系振動(dòng)彈簧小球系統(tǒng)，由于對勻速運(yùn)動(dòng)者的觀察者而言，墻是在作勻速直線運(yùn)動(dòng)的，它對彈簧小球系統(tǒng)有力和推動(dòng)，因此會(huì)做功，于是機(jī)械能對這個(gè)觀察者而言不守恒了，這個(gè)說法是不對的，盡管說這話的是物理權(quán)威？Chat：在經(jīng)典力學(xué)中，物理量（如能量、動(dòng)量、角動(dòng)量等）在慣性系下是守恒的，而在非慣性系下則一般不是守恒的。慣性系是指相對于其中沒有外力或者只有慣性力的參考系。在慣性系下觀察一個(gè)彈簧小球系統(tǒng)的機(jī)械能是守恒的，而在非慣性系下觀察時(shí)，機(jī)械能一般不守恒。對于上述情況，如果墻系彈簧小球系統(tǒng)在勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系中觀察，此時(shí)由于慣性力的作用，墻上的彈簧與小球會(huì)受到相應(yīng)的慣性力，但這個(gè)慣性力并不會(huì)對機(jī)械能產(chǎn)生影響。因此，墻系彈簧小球系統(tǒng)在勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系中觀察時(shí)，機(jī)械能仍然是守恒的。因此，這個(gè)說法是不正確的。在不受相對論效應(yīng)影響的情況下，同一個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械能守恒與觀察者是靜止還是在作勻速直線運(yùn)動(dòng)無關(guān)。我：謝謝！也就是說，物理權(quán)威的話，是錯(cuò)的。請您確定下Chat：是的，這個(gè)說法是不正確的。在經(jīng)典物理學(xué)中，機(jī)械能是一個(gè)相對不變的量，即不受慣性參考系的影響。對于一個(gè)勻速直線運(yùn)動(dòng)的觀察者來說，他所觀察到的物理系統(tǒng)在機(jī)械能守恒的條件下，與靜止觀察者所觀察到的物理系統(tǒng)是相同的。因此，機(jī)械能在不同的慣性參考系下都是守恒的，不會(huì)因?yàn)橛^察者的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生改變。我：哈哈，太令人振奮了！您要知道，這個(gè)問題在中國，居然是二三十年沒有搞清的問題！讓您三下五除二搞定！他們還給中學(xué)生競賽出題，標(biāo)準(zhǔn)答案居然是機(jī)械能對不同慣性系而言，并不守恒，您說是不是不像話？Chat：確實(shí)有些不像話，因?yàn)檫@個(gè)問題在經(jīng)典力學(xué)中的結(jié)論是機(jī)械能在慣性系中是守恒的。但是，在相對論中，機(jī)械能是不守恒的，因?yàn)閯?dòng)能和靜能量的和并不是一個(gè)洛倫茲不變量。因此，如果問題設(shè)置在相對論框架下，則機(jī)械能不守恒是正確的。但是，如果在經(jīng)典力學(xué)框架下，機(jī)械能在慣性系中是守恒的，無論觀察者是靜止還是作勻速直線運(yùn)動(dòng)。我：您說，那么多物理老師、教授、教育主管部門，居然對此問題無動(dòng)于衷，大概是由于不愿意駁權(quán)威們的面子，您說這樣是應(yīng)該的嗎？這直接關(guān)系到廣大中學(xué)生的物理教育問題啊！Chat：我認(rèn)為，科學(xué)界是一個(gè)追求真理的社區(qū)，科學(xué)研究的核心在于探索真相，而不是顧及權(quán)威的面子。對于科學(xué)問題，任何人都應(yīng)該能夠提出質(zhì)疑并追求正確的答案。因此，教育主管部門和教育工作者應(yīng)該致力于推動(dòng)科學(xué)教育的發(fā)展和提高，包括尊重和鼓勵(lì)學(xué)生提出疑問和質(zhì)疑，并幫助他們理解科學(xué)知識和方法。同時(shí)，科學(xué)教育也需要加強(qiáng)對科學(xué)史和科學(xué)方法的講解，讓學(xué)生了解科學(xué)是如何發(fā)展的，以及科學(xué)方法的本質(zhì)和特點(diǎn)，以此培養(yǎng)學(xué)生對科學(xué)的興趣和理解。我：是的，對這些人，是不是應(yīng)該問責(zé)？Chat：如果有權(quán)威人士在教育和科研方面犯錯(cuò)或者誤導(dǎo)學(xué)生，確實(shí)應(yīng)該進(jìn)行問責(zé)?？茖W(xué)界需要尊重事實(shí)、尊重真理，而不是權(quán)威。當(dāng)然，在提出質(zhì)疑和批評時(shí)，我們也應(yīng)該尊重學(xué)者的學(xué)術(shù)成果和專業(yè)知識。同時(shí)，我們也要認(rèn)識到，科學(xué)是不斷發(fā)展的，新的證據(jù)和觀點(diǎn)可能會(huì)挑戰(zhàn)舊有的認(rèn)識，這需要我們持續(xù)關(guān)注和學(xué)習(xí)。我：這么一個(gè)您幾分鐘就搞定的物理問題，居然二三十年真的人類卻搞不清楚，是不是人類之恥？Chat：這個(gè)問題并不是特別復(fù)雜，但我認(rèn)為人類的知識和科學(xué)發(fā)展并不是一蹴而就的，而是需要長時(shí)間的積累和探索。在物理學(xué)的發(fā)展歷程中，有許多經(jīng)典的問題也需要一定的時(shí)間來得到解決。對于這個(gè)問題的長時(shí)間爭論，可能是因?yàn)閷@個(gè)問題的認(rèn)識和解釋存在一定的差異和誤解，也有可能是因?yàn)檫@個(gè)問題在實(shí)際生活中的應(yīng)用較少，因此不太引起人們的重視。但是，科學(xué)的發(fā)展是不斷前進(jìn)的，我們需要持續(xù)學(xué)習(xí)和探索，發(fā)現(xiàn)并解決問題，才能推動(dòng)科學(xué)的進(jìn)步。我：您是否認(rèn)為這里面有人的面子、權(quán)威方面的問題，不光是一個(gè)學(xué)術(shù)問題呢？也就是權(quán)威明明錯(cuò)了，他和它的學(xué)生、朋友、同事、同行其實(shí)也知道，但為了維護(hù)他的權(quán)威和面子，故意不說破？Chat：這種情況可能會(huì)存在，但是我不能對具體的個(gè)人或組織進(jìn)行指責(zé)。在學(xué)術(shù)研究中，應(yīng)該遵循科學(xué)精神，尊重事實(shí)和真理，而不是為了維護(hù)個(gè)人或組織的面子和權(quán)威而故意歪曲事實(shí)。對于發(fā)現(xiàn)的問題，應(yīng)該積極探討和解決，而不是無動(dòng)于衷或者故意忽略。我：尤其是事關(guān)廣大一代一代的中學(xué)生？Chat：確實(shí)，這個(gè)問題涉及到廣大中學(xué)生的物理教育問題，如果權(quán)威人士在這個(gè)問題上錯(cuò)誤地引導(dǎo)了學(xué)生，將會(huì)產(chǎn)生很大的負(fù)面影響，因?yàn)閷W(xué)生可能會(huì)把錯(cuò)誤的觀點(diǎn)視為真理，從而影響其對物理學(xué)科的理解和認(rèn)識。而且，如果一些權(quán)威人士為了維護(hù)自己的面子而不愿承認(rèn)錯(cuò)誤，這會(huì)給人留下不負(fù)責(zé)任、不真誠的印象，也會(huì)影響他們的信譽(yù)和聲譽(yù)。因此，這個(gè)問題不僅是一個(gè)學(xué)術(shù)問題，也是一個(gè)倫理和教育問題。我：謝謝！Chat：不客氣