home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Suzy B Software 2 / Suzy B Software CD-ROM 2 (1994).iso / textfile / txt_l2z / sci_phys / sci_phys.txt < prev   
Internet Message Format  |  1995-04-25  |  114KB

  1. Date: Wed, 30 Dec 92 11:10:18 PST
  2. From: sichase@Csa2.LBL.Gov
  3. Message-Id: <921230111018.20c00e8f@csa2.lbl.gov>
  4. Subject: Sci.Physics Frequently Asked Questions - January 1993 - Part 1/2
  5. To: distribution:@Csa2.LBL.Gov; (see end of body)
  6. X-St-Vmsmail-To: @[-]MAILING_LIST.FAQ
  7.  
  8. Archive-name: physics-faq
  9. Last-modified: 1992/12/26
  10.  
  11. Editor's Note:
  12.  
  13. The FAQ has expanded beyond the 100K limit set by my mailer.  To facilitate
  14. distribution, as well as future expansion, it has been divided, abritrarily,
  15. into a two-part posting.
  16.  
  17. --------------------------------------------------------------------------------
  18.            FREQUENTLY ASKED QUESTIONS ON SCI.PHYSICS - Part 1/2
  19. --------------------------------------------------------------------------------
  20.  
  21.     This Frequently Asked Questions List is posted monthly, at or near 
  22. the first of the month, to the Usenet newsgroup sci.physics in an attempt 
  23. to provide good answers to frequently asked questions and other reference 
  24. material which is worth preserving. If you have corrections or answers to 
  25. other frequently asked questions that you would like included in this 
  26. posting, send E-mail to sichase@csa2.lbl.gov (Scott I. Chase).
  27.  
  28.     The FAQ is distributed to all interested parties whenever sufficient
  29. changes have accumulated to  warrant such a mailing.  To request that your
  30. address be added to the list, send mail to my address, above, and include 
  31. the words "FAQ Mailing List" in  the subject header of your message.  To
  32. faciliate mailing, the FAQ is now being distributed as a multi-part posting.
  33.  
  34.     If you are a new reader of sci.physics, please read item #1, below.  
  35. If you do not wish to read the FAQ at all, add "Frequently Asked Questions" 
  36. to your .KILL file.  
  37.  
  38.     A listing of new items can be found above the subject index, so 
  39. that you can quickly identify new subjects of interest.  To locate old
  40. items which have been updated since the last posting, look for the stars (*)
  41. in the subject index, which indicate new material.
  42.  
  43.     Items which have been submitted by a single individual are 
  44. attributed to the original author.  All other contributors have been thanked
  45. privately.  
  46.  
  47. New Items: 19. Gravity and the Radiation of Charged Particles
  48.  
  49. Index of Subjects
  50. -----------------
  51.  1. An Introduction to Sci.Physics
  52.  2. Gravitational Radiation
  53.  3. Energy Conservation in Cosmology and Red Shift 
  54.  4. Effects Due to the Finite Speed of Light
  55.  5. The Top Quark 
  56.  6. Tachyons
  57.  7. Special Relativistic Paradoxes
  58.     (a) The Barn and the Pole
  59.     (b) The Twin Paradox
  60.  8. The Particle Zoo
  61.  9. Olbers' Paradox
  62. 10. What is Dark Matter?
  63. 11. Hot Water Freezes Faster than Cold!
  64. 12. Which Way Will my Bathtub Drain?
  65. 13. Why are Golf Balls Dimpled?
  66. 14. Why do Mirrors Reverse Left and Right?
  67. 15. What is the Mass of a Photon?
  68. 16. How to Change Nuclear Decay Rates
  69. 17. Baryogenesis - Why Are There More Protons Than Antiprotons?
  70. 18. Time Travel - Fact or Fiction?
  71. 19.*Gravity and the Radiation of Charged Particles
  72. 20. The Nobel Prize for Physics
  73. 21. Open Questions
  74. 22. Accessing and Using Online Physics Resources
  75.  
  76. ********************************************************************************
  77. Item 1.                        updated 4-AUG-1992 by SIC
  78.  
  79. An Introduction to Sci.Physics
  80. ------------------------------
  81.  
  82.     Sci.Physics is an unmoderated newsgroup dedicated to the discussion
  83. of physics, news from the physics community, and physics-related social
  84. issues.  People from a wide variety of non-physics backgrounds, as well
  85. as students and experts in all areas of physics participate in the ongoing
  86. discussions on sci.physics.  Professors, industrial scientists, graduate
  87. students, etc., are all on hand to bring physics expertise to bear on
  88. almost any question.   But the only requirement for participation is
  89. interest in physics, so feel free to post -- but before you do, please do
  90. the following: 
  91.  
  92. (1) Read this posting, a.k.a., the FAQ.  It contains good answers,
  93. contributed by the readership,  to some of the most frequently asked
  94. questions. 
  95.  
  96. (2) Understand "netiquette."  If you are not sure what this means,
  97. subscribe to news.announce.newusers and read the excellent discussion of
  98. proper net behavior that is posted there periodically. 
  99.  
  100. (3) Be aware that there is another newsgroup dedicated to the discussion of
  101. "alternative" physics.  It is alt.sci.physics.new-theories, and is the
  102. appropriate forum for discussion of physics ideas which are not widely
  103. accepted by the physics community.  Sci.Physics is not the group for such
  104. discussions.  A quick look at items posted to both groups will make the
  105. distinction apparent. 
  106.  
  107. (4) Read the responses already posted in the thread to which you want to
  108. contribute.  If a good answer is already posted, or the point you wanted
  109. to make has already been made, let it be.  Old questions have probably been
  110. thoroughly discussed by the time you get there - save bandwidth by posting
  111. only new information.  Post to as narrow a geographic region as is 
  112. appropriate.  If your comments are directed at only one person, try E-mail.
  113.  
  114. (5) Get the facts right!  Opinions may differ, but facts should not.  It is
  115. very tempting for new participants to jump in with quick answers to physics
  116. questions posed to the group.  But it is very easy to end up feeling silly
  117. when people barrage you with corrections.  So before you give us all a
  118. physics lesson you'll regret - look it up. 
  119.  
  120. (6) Be prepared for heated discussion.  People have strong opinions about
  121. the issues, and discussions can get a little "loud" at times. Don't take it
  122. personally if someone seems to always jump all over everything you say. 
  123. Everyone was jumping all over everybody long before you got there!  You
  124. can keep the discussion at a low boil by trying to stick to the facts. 
  125. Clearly separate facts from opinion - don't let people think you are
  126. confusing your opinions with scientific truth.  And keep the focus of
  127. discussion on the ideas, not the people who post them. 
  128.  
  129. (7) Tolerate everyone.  People of many different points of view, and widely
  130. varying educational backgrounds from around the world participate in this
  131. newsgroup.  Respect for others will be returned in kind.  Personal
  132. criticism is usually not welcome. 
  133.  
  134. ********************************************************************************
  135. Item 2.
  136.  
  137. Gravitational Radiation                updated: 4-May-1992 by SIC
  138. -----------------------
  139.  
  140.     Gravitational Radiation is to gravity what light is to
  141. electromagnetism. It is produced when massive bodies accelerate.  You can
  142. accelerate any body so as to produce such radiation, but due to the feeble
  143. strength of gravity, it is entirely undetectable except when produced by
  144. intense astrophysical sources such as supernovae, collisions of black
  145. holes, etc.  These are quite far from us, typically, but they are so
  146. intense that they dwarf all possible laboratory sources of such radiation. 
  147.  
  148.     Gravitational waves have a polarization pattern that causes objects
  149. to expand in one direction, while contracting in the perpendicular
  150. direction. That is, they have spin two.  This is because gravity waves are
  151. fluctuations in the tensorial metric of space-time. 
  152.  
  153.     All oscillating radiation fields can be quantized, and in the case
  154. of gravity,  the intermediate boson is called the "graviton" in analogy
  155. with the photon. But quantum gravity is hard, for several reasons: 
  156.     (1) The quantum field theory of gravity is hard, because gauge 
  157. interactions of spin-two fields are not renormalizable.  See Cheng and Li,
  158. Gauge Theory of Elementary Particle Physics (search for "power counting").
  159.     (2) There are conceptual problems - what does it mean to quantize
  160. geometry, or space-time?
  161.  
  162.     It is possible to quantize weak fluctuations in the gravitational
  163. field.  This gives rise to the spin-2 graviton.  But full quantum gravity
  164. has so far escaped formulation.  It is not likely to look much like the
  165. other quantum field theories.  In addition, there are models of gravity
  166. which include additional bosons with different spins.  Some are the
  167. consequence of non-Einsteinian models, such as Brans-Dicke which has a
  168. spin-0 component. Others are included by hand, to give "fifth force"
  169. components to gravity. For example, if you want to add a weak repulsive
  170. short range component, you will need a massive spin-1 boson.  (Even-spin
  171. bosons always attract.  Odd-spin bosons can attract or repel.)  If
  172. antigravity is real, then this has implications for the boson spectrum as
  173. well. 
  174.  
  175.     The spin-two polarization provides the method of detection.  All
  176. experiments to date use a "Weber bar."  This is a cylindrical, very
  177. massive, bar suspended  by fine wire, free to oscillate in response to a
  178. passing graviton.   A high-sensitivity, low noise, capacitive transducer
  179. can turn the oscillations of the bar into an electric signal for analysis. 
  180. So far such searches have failed.  But they are expected to be
  181. insufficiently sensitive for typical  radiation intensity from known types
  182. of sources. 
  183.  
  184.     A more sensitive technique uses very long baseline laser
  185. interferometry.  This is the principle of LIGO (Laser Interferometric
  186. Gravity wave Observatory).  This is a two-armed detector, with
  187. perpendicular laser beams each travelling several km before meeting to
  188. produce an interference pattern which fluctuates if a gravity wave distorts
  189. the geometry of the detector.  To eliminate noise from seismic effects as
  190. well as human noise sources, two detectors separated by hundreds to
  191. thousands of miles are necessary.  A coincidence measurement then provides
  192. evidence of gravitational radiation.  In order to determine the source of
  193. the signal, a third detector, far from either of the first two, would be
  194. necessary.  Timing differences in the arrival of the signal to the three
  195. detectors would allow triangulation of the angular position in the sky of
  196. the signal. 
  197.  
  198.     The first stage of LIGO, a two detector setup in the U.S., has been
  199. approved by Congress in 1992.  LIGO researchers have started designing a
  200. prototype detector, and are hoping to enroll another nation, probably in
  201. Europe, to fund and be host to the third detector. 
  202.  
  203.     The speed of gravitational radiation (C_gw) depends upon the
  204. specific model of Gravitation that you use.  There are quite a few
  205. competing models (all consistent with all experiments to date) including of
  206. course Einstein's but also Brans-Dicke and several families of others.  
  207. All metric models can support gravity waves.  But not all predict radiation
  208. travelling at C_gw = C_em.  (C_em is the speed of electromagnetic waves.)
  209.  
  210.     There is a class of theories with "prior geometry", in which, as I
  211. understand it, there is an additional metric which does not depend only on
  212. the local matter density.  In such theories, C_gw != C_em in general. 
  213.  
  214.     However, there is good evidence that C_gw is in fact at least
  215. almost C_em. We observe high energy cosmic rays in the 10^20-10^21 eV
  216. region.  Such particles are travelling at up to (1-10^-18)*C_em.  If C_gw <
  217. C_em, then particles with C_gw < v < C_em will radiate Cerenkov
  218. gravitational radiation into the vacuum, and decelerate from the back
  219. reaction.  So evidence of these very fast cosmic rays good evidence that
  220. C_gw >= (1-10^-18)*C_em, very close indeed to C_em.  Bottom line: in a
  221. purely Einsteinian universe, C_gw = C_em. However, a class of models not
  222. yet ruled out experimentally does make other predictions.  
  223.  
  224.     A definitive test would be produced by LIGO in coincidence with
  225. optical measurements of some catastrophic event which generates enough
  226. gravitational radiation to be detected.  Then the "time of flight" of both
  227. gravitons and photons from the source to the Earth could be measured, and
  228. strict direct limits could be set on C_gw. 
  229.  
  230.     For more information, see Gravitational Radiation (NATO ASI - 
  231. Les Houches 1982), specifically the introductory essay by Kip Thorne.
  232.  
  233. ********************************************************************************
  234. Item 3.
  235.  
  236. ENERGY CONSERVATION IN COSMOLOGY AND RED SHIFT    updated: 10-May-1992 by SIC
  237. ----------------------------------------------
  238.  
  239. IS ENERGY CONSERVED IN OUR UNIVERSE? NO
  240.  
  241.     Why?  Every conserved quantity is the result of some symmetry of
  242. nature. This is known as Noether's theorem.  For example, momentum 
  243. conservation is the result of translation invariance, because position  is
  244. the variable conjugate to momentum.  Energy would be conserved due to
  245. time-translation invariance. However, in an expanding or contracting 
  246. universe, there is no time-translation invariance.  Hence energy is not 
  247. conserved.  If you want to learn more about this, read Goldstein's 
  248. Classical Mechanics, and look up Noether's theorem. 
  249.  
  250. DOES RED-SHIFT LEAD TO ENERGY NON-CONSERVATION:  SOMETIMES
  251.  
  252. There are three basic cosmological sources of red-shifted light:
  253. (1) Very massive objects emitting light
  254. (2) Very fast objects emitting light
  255. (3) Expansion of the universe leading to CBR (Cosmic Background 
  256.     Radiation) red-shift
  257.  
  258. About each:
  259. (1) Light has to climb out the gravitational well of a very massive object.
  260.  It gets red-shifted as a result.  As several people have commented, this
  261. does not lead to energy non-conservation, because the photon had negative
  262. gravitational potential energy when it was deep in the well.  No problems
  263. here.  If you want to learn more about this read Misner, Thorne, and
  264. Wheeler's Gravitation, if you dare. 
  265.  
  266. (2) Fast objects moving away from you emit Doppler shifted light.  No 
  267. problems here either.  Energy is only one part a four-vector, so it 
  268. changes from frame to frame.  However, when looked at in a Lorentz 
  269. invariant way, you can convince yourself that everything is OK here too.
  270. If you want to learn more about this, read Taylor and Wheeler's 
  271. Spacetime Physics.
  272.  
  273. (3) CBR has red-shifted over billions of years.  Each photon gets redder
  274. and redder.  And the energy is lost.  This is the only case in which
  275. red-shift leads to energy non-conservation.  Several people have speculated
  276. that radiation pressure "on the universe" causes it to expand more quickly,
  277. and attempt to identify the missing energy with the speed at which the
  278. universe is expanding due to radiation pressure.  This argument is
  279. completely specious.  If you add more radiation to the universe you add
  280. more energy, and the universe is now more closed than ever, and the
  281. expansion rate slows. 
  282.  
  283.     If you really MUST construct a theory in which something like
  284. energy is conserved (which is dubious in a universe without
  285. time-translation invariance), it is possible to arbitrarily define things
  286. so that energy has an extra term which compensates for the loss.  However,
  287. although the resultant quantity may be a constant, it is of questionable
  288. value, and certainly is not an integral associated with time-invariance, so
  289. it is not what everyone calls energy. 
  290.  
  291. ********************************************************************************
  292. Item 4.
  293.  
  294. EFFECTS DUE TO THE FINITE SPEED OF LIGHT    updated 28-May-1992 by SIC
  295. ----------------------------------------
  296.  
  297.     There are two well known phenomena which are due to the finite
  298. speed of electromagnetic radiation, but are essentially classical in
  299. nature, requiring no other facts of special relativity for their
  300. understanding. 
  301.  
  302. (1) Apparent Superluminal Velocity of Galaxies
  303.  
  304.     A distant object can appear to travel faster than the speed of
  305. light relative to us, provided that it has some component of motion towards
  306. us as well as perpendicular to our line of sight.  Say that on Jan. 1 you
  307. make a position measurement of galaxy X.  One month later, you measure it
  308. again. Assuming you know it's distance from us by some independent
  309. measurement, you derive its linear speed, and conclude that it is moving
  310. faster than the speed of light. 
  311.  
  312.     What have you forgotten?  Let's say that on Jan. 1, the object is D
  313. km from us, and that between Jan. 1 and Feb. 1, the object has moved d km
  314. closer to us.  You have assumed that the light you measured on Jan. 1 and
  315. Feb. 1 were emitted exactly one month apart.  Not so.  The first light beam
  316. had further to travel, and was actually emitted (1 + d/c) months before the
  317. second measurement, if we measure c in km/month.  The object has traveled
  318. the given angular distance in more time than you thought.  Similarly, if
  319. the object is moving away from us, the apparent angular velocity will be
  320. too slow, if you do not correct for this effect, which becomes significant
  321. when the object is moving along a line close to our line of sight. 
  322.  
  323.     Note that most extragalactic objects are moving away from us due to
  324. the Hubble expansion.  So for most objects, you don't get superluminal
  325. apparent velocities.  But the effect is still there, and you need to take
  326. it into account if you want to measure velocities by this technique. 
  327.  
  328. References: 
  329.  
  330. Considerations about the Apparent 'Superluminal Expansions' in 
  331. Astrophysics, E. Recami, A. Castellino, G.D. Maccarrone, M. Rodono,
  332. Nuovo Cimento 93B, 119 (1986).
  333.  
  334. Apparent Superluminal Sources, Comparative Cosmology and the Cosmic 
  335. Distance Scale, Mon. Not. R. Astr. Soc. 242, 423-427 (1990).
  336.  
  337. (2) Terrell Rotation
  338.  
  339.     Consider a cube moving across your field of view with speed near
  340. the speed of light.  The trailing face of the cube is edge on to your line
  341. of sight as it passes you.  However, the light from the back edge of that
  342. face (the edge of the square farthest from you) takes longer to get to your
  343. eye than the light from the front edge.  At any given instant you are
  344. seeing light from the front edge at time t and the back edge at time
  345. t-(L/c), where L is the length of an edge.  This means you see the back
  346. edge where it was some time earlier. This has the effect of *rotating* the
  347. *image* of the cube on your retina. 
  348.  
  349.     This does not mean that the cube itself rotates.  The *image* is
  350. rotated. And this depends only on the finite speed of light, not any other
  351. postulate or special relativity.  You can calculate the rotation angle by
  352. noting that the side face of the cube is Lorentz contracted to L' =
  353. L/gamma. This will correspond to a rotation angle of arccos(1/gamma). 
  354.  
  355.     It turns out, if you do the math for a sphere, that the amount of
  356. apparent rotation exactly cancels the Lorentz contraction.  The object
  357. itself is flattened, but then you see *behind* it as it flies by just
  358. enough to restore it to its original size.  So the image of a sphere is
  359. unaffected by the Lorentz flattening that it experiences. 
  360.  
  361.     Another implication of this is that if the object is moving at
  362. nearly the speed of light, although it is contracted into an
  363. infinitesimally thin pancake, you see it rotated by almost a full 90
  364. degrees, so you see the complete backside of the object, and it doesn't
  365. disappear from view.  In the case of the sphere, you see the transverse
  366. cross-section (which suffers no contraction), so that it still appears to
  367. be exactly a sphere. 
  368.  
  369.     That it took so long historically to realize this is undoubtedly
  370. due to the fact that although we were regularly accelerating particle beams
  371. in 1959 to relativistic speeds, we still do not have the technology to
  372. accelerate any macroscopic objects to speeds necessary to reveal the
  373. effect. 
  374.  
  375. References: J. Terrell, Phys Rev. _116_, 1041 (1959).  For a textbook
  376. discussion, see Marion's _Classical Dynamics_, Section 10.5.
  377.  
  378. ********************************************************************************
  379. Item 5.
  380.  
  381. TOP QUARK                    updated: 10-May-1992 by SIC
  382. ---------
  383.  
  384.     The top quark is the hypothetical sixth fundamental strongly
  385. interacting particle (quark).  The known quarks are up (u), down (d),
  386. strange (s), charm (c) and  bottom (b).  The Standard Model requires quarks
  387. to come in pairs in order to prevent mathematical inconsistency due to
  388. certain "anomalous" Feynman diagrams, which cancel if and only if the
  389. quarks are paired.  The pairs are (d,u),(s,c) and (b,?).  The missing
  390. partner of the b is called "top". 
  391.  
  392.     In addition, there is experimental evidence that the b quark has an
  393. "isodoublet" partner, which is so far unseen.  The forward-backward
  394. asymmetry in the reaction e+ + e- -> b + b-bar and the absence of
  395. flavor-changing neutral currents in b decays imply the existence of the
  396. isodoublet partner of the b. ("b-bar", pronounced "bee bar", signifies the
  397. b antiquark.) 
  398.  
  399.     The mass of the top quark is restricted by a variety of
  400. measurements. Due to radiative corrections which depend on the top quark
  401. circulating as a virtual particle inside the loop in the Feynman diagram,
  402. a number of experimentally accessible processes depend on the top quark 
  403. mass.  There are about a dozen such measurements which have been made so 
  404. far, including the width of the Z, b-b-bar mixing (which historically gave 
  405. the first hints that the top quark was very massive), and certain aspects 
  406. of muon decay.  These results collectively limit the top mass to roughly 
  407. 140 +/- 30 GeV.  This uncertainty is a "1-sigma" error bar. 
  408.  
  409.     Direct searches for the top quark have been performed, looking for
  410. the expected decay products in both p-p-bar and e+e- collisions.  The best
  411. current limits on the top mass are: 
  412.     (1) From the absence of Z -> t + t-bar, M(t) > M(Z)/2 = 45 GeV. 
  413. This is a "model independent" result, depending only on the fact that the
  414. top quark should be weakly interacting, coupling to the Z with sufficient
  415. strength to have been detected at the current resolution of the LEP
  416. experiments which have cornered the market on Z physics in the last several
  417. years. 
  418.     (2) From the absence of top quark decay products in the reaction p
  419. + p-bar -> t + t-bar -> hard leptons + X at Fermilab's Tevatron collider,
  420. the CDF (Collider Detector at Fermilab) experiment.  Each top quark is
  421. expect to decay into a W boson and a b quark.  Each W subsequently decays
  422. into either a charged lepton and a neutrino or two quarks.  The cleanest
  423. signature for the production and decay of the t-t-bar pair is the presence
  424. of two high-transverse-momentum (high Pt) leptons (electron or muon) in the 
  425. final state.  Other decay modes have higher branching ratios, but have 
  426. serious experimental backgrounds from W bosons produced in association with 
  427. jets.  The current lower limit on M(t) from such measurements is 91 GeV 
  428. (95% confidence), 95 GeV (90% confidence).  However, these limits assume 
  429. that the top quark has the expected decay products in the expected branching 
  430. ratios, making these limits "model dependent," and consequently not as 
  431. "hard" as the considerably lower LEP limit of ~45 GeV. 
  432.  
  433.     The future is very bright for detecting the top quark.  LEP II, the
  434. upgrade of CERN's e+e- collider to E >= 2*Mw = 160 GeV by 1994, will allow
  435. a hard lower limit of roughly 90 GeV to be set.  Meanwhile, upgrades to
  436. CDF, start of a new experiment, D0,  and upgrades to the accelerator
  437. complex at Fermilab have recently allowed higher event rates and better 
  438. detector resolution, should allow production of standard model top quarks of 
  439. mass < 150 GeV in the next two years, and even higher mass further in the 
  440. future, at high enough event rate to identify the decays and give rough mass
  441. measurements. 
  442.  
  443. References: Phys. Rev. Lett. _68_, 447 (1992) and the references therein. 
  444.  
  445. ********************************************************************************
  446. Item 6.
  447.  
  448. Tachyons                    updated: 4-May-1992 by SIC
  449. --------
  450.  
  451.         There was a young lady named Bright,
  452.         Whose speed was far faster than light.
  453.         She went out one day,
  454.         In a relative way,
  455.         And returned the previous night!
  456.  
  457.             -Reginald Buller
  458.  
  459.  
  460.     It is a well known fact that nothing can travel faster than the
  461. speed of light. At best, a massless particle travels at the speed of light.
  462. But is this really true?  In 1962, Bilaniuk, Deshpande, and Sudarshan, Am.
  463. J. Phys. _30_, 718 (1962), said "no".  A very readable paper is Bilaniuk
  464. and Sudarshan, Phys. Today _22_,43 (1969).  I give here a brief overview. 
  465.     
  466.     Draw a graph, with momentum (p) on the x-axis, and energy (E) on
  467. the y-axis.  Then draw the "light cone", two lines with the equations E =
  468. +/- p. This divides our 1+1 dimensional space-time into two regions.  Above
  469. and below are the "timelike" quadrants, and to the left and right are the
  470. "spacelike" quadrants. 
  471.  
  472.     Now the fundamental fact of relativity is that E^2 - p^2 = m^2. 
  473. (Let's take c=1 for the rest of the discussion.)  For any non-zero value of 
  474. m (mass), this is an hyperbola with branches in the timelike regions.  It 
  475. passes through the point (p,E) = (0,m), where the particle is at rest.  Any 
  476. particle with mass m is constrained to move on the upper branch of this 
  477. hyperbola.  (Otherwise, it is "off-shell", a term you here in association
  478. with virtual particles - but that's another topic.) For massless particles, 
  479. E^2 = p^2, and the particle moves on the light-cone. 
  480.  
  481.     These two cases are given the names tardyon (or bradyon in more
  482. modern usage) and luxon, for "slow particle" and "light particle".  Tachyon
  483. is the name given to the supposed "fast particle" which would move with v>c. 
  484.  
  485.     Now another familiar relativistic equation is E =
  486. m*[1-(v/c)^2]^(-.5).  Tachyons (if they exist) have v > c.  This means that 
  487. E is imaginary!  Well, what if we take the rest mass m, and take it to be
  488. imaginary?  Then E is negative real, and E^2 - p^2 = m^2 < 0.  Or, p^2 -
  489. E^2 = M^2, where M is real.  This is a hyperbola with branches in the
  490. spacelike region of spacetime.  Tachyons are constrained to move on this
  491. hyperbola. 
  492.  
  493.     You can now deduce many interesting properties of tachyons.  For
  494. example, they accelerate (p goes up) if they lose energy (E goes down).
  495. Futhermore, a zero-energy tachyon is "transcendent," or infinitely fast.
  496. This has profound consequences.  For example, let's say that there are
  497. electrically charged tachyons.  Since they move faster than the speed of
  498. light in the vacuum, they produce Cerenkov radiation.  This lowers their 
  499. energy, and they accelerate. So any charged tachyon in the region of 
  500. spacetime where you might choose to put a "charged tachyon detector" will 
  501. quickly accelerate off to the edge of the universe, to be lost forever.  
  502. You will never find a charged tachyon, whether they exist or not. 
  503.  
  504.     However, tachyons are not entirely invisible.  You can imagine that
  505. you might produce them in some exotic nuclear reaction.  If they are
  506. charged, you could "see" them by detecting the Cerenkov light they produce
  507. as they speed away faster and faster.  Such experiments have been done.  So
  508. far, no tachyons have been found.  Even neutral tachyons can scatter off
  509. normal matter with experimentally observable consequences.  Again, no such
  510. tachyons have been found. 
  511.  
  512.     Once you move away from relativistic kinematics and start talking
  513. about the quantum field theory or particle physics of tachyons, things get
  514. much more complicated.  It is not easy to summarize results here.  However,
  515. one reasonably modern reference is _Tachyons, Monopoles, and Related
  516. Topics_, E. Recami, ed. (North-Holland, Amsterdam, 1978). 
  517.  
  518.     One little-publicized fact is that in the framework of field
  519. theory, one CANNOT transmit information faster than the speed of light with
  520. tachyons.  Since this may be controversial let us be more precise.  
  521. It's easiest to begin by looking at the wave equation for a free
  522. scalar particle, the so-called Klein-Gordon equation:
  523.  
  524.         (BOX + m^2)phi = 0
  525.  
  526. where BOX is the D'Alembertian, which in 1+1 dimensions is just
  527.  
  528.         BOX = (d/dt)^2 - (d/dx)^2.
  529.  
  530. (For four-dimensional space-time just throw in -(d/dy)^2 -(d/dz)^2.)
  531. In field theory, noninteracting massive particles (tardyons) are
  532. described by this equation with the mass m being real.   Non-interacting
  533. tachyons would be described by this equation with m imaginary.
  534. Regardless of m, any solution is a linear combination, or superposition,
  535. of solutions of the form
  536.  
  537.                 exp(-iEt + ipx)
  538.  
  539. where E^2 - p^2 = m^2.   By actually solving the equation this way, one
  540. notices a strange thing.  If the solution phi and its time derivative
  541. are zero outside the interval [-L,L] when t = 0, they will be zero
  542. outside the interval [-L-|t|, L+|t|] at any time t.  In other words,
  543. disturbances do not spread with speed faster than 1 (the speed of
  544. light).  
  545.  
  546. However, there are lots of problems with tachyons in quantum field
  547. theory.  A lot of mathematically rigorous work on quantum field theory
  548. uses the Garding-Wightman axioms for quantum fields.  These rule out 
  549. tachyons for other reasons because they require that all states satisfy
  550. E^2 - p^2 >= 0.   This allows one to define the vacuum as the state
  551. minimizing E^2 - p^2 (required by these axioms to be unique).   As
  552. described above, theories with tachyons violate this axiom.  In fact, if
  553. one has a bunch of tachyons around, one can make E^2 - p^2 as negative
  554. as you like.   Heuristically, this is bad because it means that the
  555. vacuum is unstable: spontaneous creation of tachyon-antitachyon pairs
  556. will tend to occur, reducing the total energy of the system.  
  557.  
  558. ********************************************************************************
  559. Item 7. Special Relativistic Paradoxes - part (a) 
  560.  
  561. The Barn and the Pole            updated 4-AUG-1992 by SIC
  562. ---------------------            original by Robert Firth
  563.  
  564.     These are the props.  You own a barn, 40m long, with automatic
  565. doors at either end, that can be opened and closed simultaneously by a
  566. switch. You also have a pole, 80m long, which of course won't fit in the
  567. barn. 
  568.  
  569.     Now someone takes the pole and tries to run (at nearly the speed of
  570. light) through the barn with the pole horizontal.  Special Relativity (SR)
  571. says that a moving object is contracted in the direction of motion: this is
  572. called the Lorentz Contraction.  So, if the pole is set in motion
  573. lengthwise, then it will contract in the reference frame of a stationary
  574. observer. 
  575.  
  576.     You are that observer, sitting on the barn roof.  You see the pole
  577. coming towards you, and it has contracted to a bit less than 40m. So, as
  578. the pole passes through the barn, there is an instant when it is completely
  579. within the barn.  At that instant, you close both doors.  Of course, you
  580. open them again pretty quickly, but at least momentarily you had the
  581. contracted pole shut up in your barn.  The runner emerges from the far door
  582. unscathed. 
  583.  
  584.     But consider the problem from the point of view of the runner.  She
  585. will regard the pole as stationary, and the barn as approaching at high
  586. speed. In this reference frame, the pole is still 80m long, and the barn
  587. is less than 20 meters long.  Surely the runner is in trouble if the doors 
  588. close while she is inside.  The pole is sure to get caught. 
  589.  
  590.     Well does the pole get caught in the door or doesn't it?  You can't
  591. have it both ways.  This is the "Barn-pole paradox."  The answer is buried
  592. in the misuse of the word "simultaneously" back in the first sentence of
  593. the story.  In SR, that events separated in space that appear simultaneous
  594. in one frame of reference need not appear simultaneous in another frame of
  595. reference. The closing doors are two such separate events. 
  596.  
  597.     SR explains that the two doors are never closed at the same time in
  598. the runner's frame of reference.  So there is always room for the pole.  In
  599. fact, the Lorentz transformation for time is t'=(t-v*x/c^2)/sqrt(1-v^2/c^2).
  600. It's the v*x term in the numerator that causes the mischief here.  In the
  601. runner's frame the further event (larger x) happens earlier.  The far door 
  602. is closed first.  It opens before she gets there, and the near door closes 
  603. behind her. Safe again - either way you look at it, provided you remember 
  604. that simultaneity is not a constant of physics. 
  605.  
  606. References:  Taylor and Wheeler's _Spacetime Physics_ is the classic. 
  607. Feynman's _Lectures_ are interesting as well.
  608.  
  609. ********************************************************************************
  610. Item 7. Special Relativistic Paradoxes - part (b) 
  611.  
  612. The Twin Paradox                 updated 17-AUG-1992 by SIC
  613. ----------------                original by Kurt Sonnenmoser
  614.      
  615. A Short Story about Space Travel:
  616.      
  617.     Two twins, conveniently named A and B, both know the rules of
  618. Special Relativity.  One of them, B, decides to travel out into space with
  619. a velocity near the speed of light for a time T, after which she returns to
  620. Earth. Meanwhile, her boring sister A sits at home posting to Usenet all
  621. day.  When A finally comes home, what do the two sisters find?  Special
  622. Relativity (SR) tells A that time was slowed down for the relativistic
  623. sister, B, so that upon her return to Earth, she knows that B will be
  624. younger than she is, which she suspects was the the ulterior motive of the
  625. trip from the start. 
  626.  
  627.     But B sees things differently.  She took the trip just to get away 
  628. from the conspiracy theorists on Usenet, knowing full well that from her 
  629. point of view, sitting in the spaceship, it would be her sister, A, who 
  630. was travelling ultrarelativistically for the whole time, so that she would 
  631. arrive home to find that A was much younger than she was.  Unfortunate, but 
  632. worth it just to get away for a while. 
  633.  
  634.     What are we to conclude?  Which twin is really younger?  How can SR
  635. give two answers to the same question?  How do we avoid this apparent
  636. paradox? Maybe twinning is not allowed in SR?  Read on. 
  637.      
  638. Paradox Resolved:
  639.      
  640.     Much of the confusion surrounding the so-called Twin Paradox
  641. originates from the attempts to put the two twins into different frames ---
  642. without the useful concept of the proper time of a moving body. 
  643.      
  644.     SR offers a conceptually very clear treatment of this problem.
  645. First chose _one_ specific inertial frame of reference; let's call it S.
  646. Second define the paths that A and B take, their so-called world lines. As
  647. an example, take (ct,0,0,0) as representing the world line of A, and
  648. (ct,f(t),0,0) as representing the world line of B (assuming that the the
  649. rest frame of the Earth was inertial). The meaning of the above notation is
  650. that at time t, A is at the spatial location (x1,x2,x3)=(0,0,0) and B is at
  651. (x1,x2,x3)=(f(t),0,0) --- always with respect to S. 
  652.      
  653.     Let us now assume that A and B are at the same place at the time t1
  654. and again at a later time t2, and that they both carry high-quality clocks
  655. which indicate zero at time t1. High quality in this context means that the
  656. precision of the clock is independent of acceleration. [In principle, a
  657. bunch of muons provides such a device (unit of time: half-life of their
  658. decay).] 
  659.      
  660.     The correct expression for the time T such a clock will indicate at
  661. time t2 is the following [the second form is slightly less general than the
  662. first, but it's the good one for actual calculations]: 
  663.      
  664.          t2          t2      _______________ 
  665.             /           /      /             2 |
  666.       T  =  | d\tau  =  | dt \/  1 - [v(t)/c]              (1)
  667.         /           /
  668.         t1          t1
  669.      
  670. where d\tau is the so-called proper-time interval, defined by
  671.      
  672.               2         2      2      2      2
  673.      (c d\tau)  = (c dt)  - dx1  - dx2  - dx3 .
  674.      
  675. Furthermore,
  676.                    d                          d
  677.            v(t) = -- (x1(t), x2(t), x3(t)) = -- x(t)
  678.                   dt                         dt
  679.      
  680. is the velocity vector of the moving object. The physical interpretation
  681. of the proper-time interval, namely that it is the amount the clock time
  682. will advance if the clock moves by dx during dt, arises from considering
  683. the inertial frame in which the clock is at rest at time t --- its
  684. so-called momentary rest frame (see the literature cited below). [Notice
  685. that this argument is only of a heuristic value, since one has to assume
  686. that the absolute value of the acceleration has no effect. The ultimate
  687. justification of this interpretation must come from experiment.]
  688.      
  689.     The integral in (1) can be difficult to evaluate, but certain
  690. important facts are immediately obvious. If the object is at rest with
  691. respect to S, one trivially obtains T = t2-t1. In all other cases, T must
  692. be strictly smaller than t2-t1, since the integrand is always less than or
  693. equal to unity. Conclusion: the traveling twin is younger. Furthermore, if
  694. she moves with constant velocity v most of the time (periods of
  695. acceleration short compared to the duration of the whole trip), T will
  696. approximately be given by      ____________                              
  697.                   /          2 | 
  698.                     (t2-t1) \/  1 - [v/c]    .             (2)
  699.     
  700. The last expression is exact for a round trip (e.g. a circle) with constant
  701. velocity v. [At the times t1 and t2, twin B flies past twin A and they
  702. compare their clocks.] 
  703.      
  704.     Now the big deal with SR, in the present context, is that T (or
  705. d\tau, respectively) is a so-called Lorentz scalar. In other words, its
  706. value does not depend on the choice of S. If we Lorentz transform the
  707. coordinates of the world lines of the twins to another inertial frame S',
  708. we will get the same result for T in S' as in S. This is a mathematical
  709. fact. It shows that the situation of the traveling twins cannot possibly
  710. lead to a paradox _within_ the framework of SR. It could at most be in
  711. conflict with experimental results, which is also not the case. 
  712.      
  713.     Of course the situation of the two twins is not symmetric, although
  714. one might be tempted by expression (2) to think the opposite. Twin A is
  715. at rest in one and the same inertial frame for all times, whereas twin B
  716. is not.  [Formula (1) does not hold in an accelerated frame.]  This breaks 
  717. the apparent symmetry of the two situations, and provides the clearest
  718. nonmathematical hint that one twin will in fact be younger than the other
  719. at the end of the trip.  To figure out *which* twin is the younger one, use
  720. the formulae above in a frame in which they are valid, and you will find
  721. that B is in fact younger, despite her expectations. 
  722.      
  723.     It is sometimes claimed that one has to resort to General
  724. Relativity in order to "resolve" the Twin "Paradox". This is not true. In
  725. flat, or nearly flat space-time (no strong gravity), SR is completely
  726. sufficient, and it has also no problem with world lines corresponding to
  727. accelerated motion. 
  728.      
  729. References: 
  730.     Taylor and Wheeler, _Spacetime Physics_  (An *excellent* discussion)
  731.     Goldstein, _Classical Mechanics_, 2nd edition, Chap.7 (for a good 
  732.     general discussion of Lorentz transformations and other SR basics.) 
  733.  
  734. ********************************************************************************
  735. Item 8.
  736.  
  737. The Particle Zoo                updated 9-OCT-1992 by SIC
  738. ----------------                original by Matt Austern
  739.  
  740.     If you look in the Particle Data Book, you will find more than 150
  741. particles listed there.  It isn't quite as bad as that, though... 
  742.  
  743.     The particles are in three categories: leptons, mesons, and
  744. baryons. Leptons are particle that are like the electron: they are
  745. spin-1/2, and they do not undergo the strong interaction.  There are three
  746. charged leptons, the electron, muon, and tau, and three neutral leptons, or
  747. neutrinos.  (The muon and the tau are both short-lived.) 
  748.  
  749.     Mesons and baryons both undergo strong interactions.  The
  750. difference is that mesons have integral spin (0, 1,...), while baryons have
  751. half-integral spin (1/2, 3/2,...).  The most familiar baryons are the
  752. proton and the neutron; all others are short-lived.  The most familiar
  753. meson is the pion; its lifetime is 26 nanoseconds, and all other mesons
  754. decay even faster. 
  755.  
  756.     Most of those 150+ particles are mesons and baryons, or,
  757. collectively, hadrons.  The situation was enormously simplified in the
  758. 1960s by the "quark model," which says that hadrons are made out of
  759. spin-1/2 particles called quarks.  A meson, in this model, is made out of a
  760. quark and an anti-quark, and a baryon is made out of three quarks.  We
  761. don't see free quarks (they are bound together too tightly), but only
  762. hadrons; nevertheless, the evidence for quarks is compelling. Quark masses 
  763. are not very well defined, since they are not free particles, but we can 
  764. give estimates.  The masses below are in GeV; the first is current mass 
  765. and the second constituent mass (which includes some of the effects of the 
  766. binding energy):
  767.  
  768.       Generation:       1             2            3
  769.       U-like:     u=.006/.311   c=1.50/1.65   t=91-200/91-200
  770.       D-like:     d=.010/.315   s=.200/.500   b=5.10/5.10
  771.  
  772.     In the quark model, there are only 12 elementary particles, which
  773. appear in three "generations."  The first generation consists of the up
  774. quark, the down quark, the electron, and the electron neutrino. (Each of
  775. these also has an associated antiparticle.)  These particle make up all of
  776. the ordinary matter we see around us.  There are two other generations,
  777. which are essentially the same, but with heavier particles.  The second
  778. consists of the charm quark, the strange quark, the muon, and the muon
  779. neutrino; and the third consists of the top quark, the bottom quark, the
  780. tau, and the tau neutrino.  (The top has not been directly observed; see
  781. the "Top Quark" FAQ entry for details.)  These three generations are 
  782. sometimes called the "electron family", the "muon family", and the "tau 
  783. family." 
  784.  
  785.     Finally, according to quantum field theory, particles interact by
  786. exchanging "gauge bosons," which are also particles.  The most familiar on
  787. is the photon, which is responsible for electromagnetic interactions. 
  788. There are also eight gluons, which are responsible for strong interactions,
  789. and the W+, W-, and Z, which are responsible for weak interactions. 
  790.  
  791. The picture, then, is this:
  792.  
  793.             FUNDAMENTAL PARTICLES OF MATTER
  794.   Charge        -------------------------
  795.     -1          |  e    |  mu   |  tau  |
  796.      0          | nu(e) |nu(mu) |nu(tau)|
  797.                 -------------------------       + antiparticles
  798.    -1/3         | down  |strange|bottom |
  799.     2/3         |  up   | charm |  top  |
  800.                 -------------------------
  801.  
  802.             GAUGE BOSONS
  803.   Charge                        Force
  804.      0            photon                electromagnetism
  805.      0            gluons (8 of them)        strong force
  806.     +-1            W+ and W-            weak force
  807.      0            Z                weak force
  808.  
  809.     The Standard Model of particle physics also predict the
  810. existence of a "Higgs boson," which has to do with breaking a symmetry
  811. involving these forces, and which is responsible for the masses of all the
  812. other particles.  It has not yet been found.  More complicated theories
  813. predict additional particles, including, for example, gauginos and sleptons
  814. and squarks (from supersymmetry), W' and Z' (additional weak bosons), X and
  815. Y bosons (from GUT theories), Majorons, familons, axions, paraleptons,
  816. ortholeptons, technipions (from technicolor models), B' (hadrons with
  817. fourth generation quarks), magnetic monopoles, e* (excited leptons), etc. 
  818. None of these "exotica" have yet been seen.  The search is on! 
  819.  
  820. REFERENCES:
  821.  
  822.     The best reference for information on which particles exist, their
  823. masses, etc., is the Particle Data Book.  It is published every two years;
  824. the most recent edition is Physical Review D Vol.45 No.11 (1992). 
  825.  
  826.     There are several good books that discuss particle physics on a
  827. level accessible to anyone who knows a bit of quantum mechanics.  One is
  828. _Introduction to High Energy Physics_, by Perkins.  Another, which takes a
  829. more historical approach and includes many original papers, is
  830. _Experimental Foundations of Particle Physics_, by Cahn and Goldhaber. 
  831.  
  832.     For a book that is accessible to non-physicists, you could try _The
  833. Particle Explosion_ by Close, Sutton, and Marten.  This book has fantastic
  834. photography. 
  835.  
  836. ********************************************************************************
  837. Item 9.
  838.  
  839. Olbers' Paradox                    updated: 2-JUL-1992 by SIC
  840. ---------------
  841.  
  842.     Why isn't the night sky as uniformly bright as the surface of the
  843. Sun? If the Universe has infinitely many stars, then it should be.  After
  844. all, if you move the Sun twice as far away from us, we will intercept
  845. one-fourth as many  photons, but the Sun will subtend one-fourth of the
  846. angular area.  So the areal intensity remains constant.  With infinitely
  847. many stars, every angular element of the sky should have a star, and the
  848. entire heavens should be a bright as the sun.  We should have the
  849. impression that we live in the center of a hollow black body whose
  850. temperature is about 6000 degrees Centigrade.   This is Olbers' paradox.  
  851. It can be traced as far back as Kepler in 1610.  It was rediscussed by 
  852. Halley and Cheseaux in the eighteen century, but was not popularized as 
  853. a paradox until Olbers took up the issue in the nineteenth century.
  854.  
  855.     There are many possible explanations which have been considered. 
  856. Here are a few: 
  857.     (1) There's too much dust to see the distant stars.
  858.     (2) The Universe has only a finite number of stars.
  859.     (3) The distribution of stars is not uniform.  So, for example,
  860.         there could be an infinitely of stars, but they hide behind one
  861.         another so that only a finite angular area is subtended by them. 
  862.     (4) The Universe is expanding, so distant stars are red-shifted into
  863.         obscurity.
  864.     (5) The Universe is young.  Distant light hasn't even reached us yet.
  865.  
  866.     The first explanation is just plain wrong.  In a black body, the
  867. dust will  heat up too.  It does act like a radiation shield, exponentially
  868. damping the  distant starlight.  But you can't put enough dust into the
  869. universe to get rid of enough starlight without also obscuring our own Sun.
  870. So this idea is bad. 
  871.  
  872.     The second might have been correct, but estimates of the total
  873. matter in the universe are too large to allow this escape.  The number of
  874. stars is close enough to infinite for the purpose of lighting up the sky. 
  875. The third explanation might be partially correct.  We just don't know.  If
  876. the stars are distributed fractally, then there could be large patches of
  877. empty space, and the sky could appear dark except in small areas. 
  878.  
  879.     But the final two possibilities are are surely each correct and
  880. partly responsible.  There are numerical arguments that suggest that the
  881. effect of the finite age of the Universe is the larger effect.  We live
  882. inside a spherical shell of "Observable Universe" which has radius equal to
  883. the lifetime of the Universe.  Objects more than about 15 billions years
  884. old are too far away for their light ever to reach us. 
  885.  
  886.     Historically, after Hubble discovered that the Universe was
  887. expanding, but before the Big Bang was firmly established by the discovery
  888. of the cosmic background radiation, Olbers' paradox was presented as proof
  889. of special relativity.  You needed the red-shift (an SR effect) to get rid
  890. of the starlight.  This effect certainly contributes.  But the finite age
  891. of the Universe is the most important effect. 
  892.  
  893. References:  Ap. J. _367_, 399 (1991). The author, Paul Wesson, is said to
  894. be on a personal crusade to end the confusion surrounding Olbers' paradox. 
  895.  
  896. _Darkness at Night: A Riddle of the Universe_, Edward Harrison, Harvard
  897. University Press, 1987
  898.  
  899. ********************************************************************************
  900. Item 10.
  901.  
  902. What is Dark Matter?                 updated 11-May-1991 by SIC
  903. --------------------
  904.  
  905.     The story of dark matter is best divided into two parts.  First we
  906. have the reasons that we know that it exists.  Second is the collection of
  907. possible explanations as to what it is. 
  908.  
  909. Why the Universe Needs Dark Matter
  910. ----------------------------------
  911.  
  912.     We believe that that the Universe is critically balanced between
  913. being open and closed.  We derive this fact from the observation of the
  914. large scale structure of the Universe.  It requires a certain amount of
  915. matter to accomplish this result.  Call it M. 
  916.  
  917.     You can estimate the total BARYONIC matter of the universe by
  918. studying big bang nucleosynthesis.  The more matter in the universe, the
  919. more slowly the universe should have expanded shortly after the big bang. 
  920. The longer the "cooking time" allowed, the higher the production of helium
  921. from primordial hydrogen.  We know the He/H ratio of the universe, so we
  922. can estimate how much baryonic matter exists in the universe.  It turns out
  923. that you need about 0.05 M total baryonic matter to account for the known
  924. ratio of light isotopes.  So only 1/20 of the total mass of they Universe
  925. is baryonic matter.
  926.  
  927.     Unfortunately, the best estimates of the total mass of everything
  928. that we can see with our telescopes is roughly 0.01 M.  Where is the other
  929. 99% of the stuff of the Universe?  Dark Matter!
  930.  
  931.     So there are two conclusions.  We only see 0.01 M out of 0.05 M 
  932. baryonic matter in the Universe.  The rest must be in baryonic dark matter
  933. halos surrounding galaxies.  And there must be some non-baryonic dark matter 
  934. to account for the remaining 95% of the matter required to give omega, the 
  935. mass of universe, in units of critical mass, equal to unity. 
  936.  
  937.     For those who distrust the conventional Big Bang models, and don't
  938. want to rely upon fancy cosmology to derive the presence of dark matter,
  939. there are other more direct means.   It has been observed in clusters of
  940. galaxies that the motion of galaxies within a cluster suggests that they
  941. are bound by a total gravitational force due to about 5-10 times as much
  942. matter as can be accounted for from luminous matter in said galaxies.  And 
  943. within an individual galaxy, you can measure the rate of rotation of the
  944. stars about the galactic center of rotation.  The resultant "rotation
  945. curve" is simply related to the distribution of matter in the galaxy.  The
  946. outer stars in galaxies seem to rotate too fast for the amount of matter
  947. that we see in the galaxy.  Again, we need about 5 times more matter than
  948. we can see via electromagnetic radiation.  These results can be explained
  949. by assuming that there is a "dark matter halo" surrounding every galaxy. 
  950.  
  951. What is Dark Matter
  952. -------------------
  953.  
  954.     This is the open question.  There are many possibilities, and
  955. nobody really knows much about this yet.  Here are a few of the many
  956. published suggestions, which are being currently hunted for by
  957. experimentalists all over the world: 
  958.  
  959. (1) Normal matter which has so far eluded our gaze, such as 
  960.     (a) dark galaxies
  961.     (b) brown dwarfs
  962.     (c) planetary material (rock, dust, etc.)
  963.  
  964. (2) Massive Standard Model neutrinos.  If any of the neutrinos are massive,
  965. then this could be the missing mass.  Note that the possible 17 KeV tau
  966. neutrino would give far too much mass creating almost as many problems as
  967. it solves in this regard. 
  968.  
  969. (3) Exotica (See the "Particle Zoo" FAQ entry for some details)
  970.  
  971.     Massive exotica would provide the missing mass.  For our purposes, 
  972. these fall into two classes: those which have been proposed for other
  973. reasons but happen to solve the dark matter problem, and those which have
  974. been proposed specifically to provide the missing dark matter. 
  975.  
  976.     Examples of objects in the first class are axions, additional
  977. neutrinos, supersymmetric particles, and a host of others. Their properties
  978. are constrained by the theory which predicts them, but by virtue of their
  979. mass, they solve the dark matter problem if they exist in the correct
  980. abundance. 
  981.  
  982.     Particles in the second class are generally classed in loose groups. 
  983. Their properties are not specified, but they are merely required to be
  984. massive and have other properties such that they would so far have eluded
  985. discovery in the many experiments which have looked for new particles. 
  986. These include WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), CHAMPS, and a
  987. host of others. 
  988.  
  989. References:  _Dark Matter in the Universe_ (Jerusalem Winter School for
  990. Theoretical Physics, 1986-7), J.N. Bahcall, T. Piran, & S. Weinberg editors.
  991. _Dark Matter_ (Proceedings of the XXIIIrd Recontre de Moriond) J. Audouze and 
  992. J. Tran Thanh Van. editors.
  993.  
  994. ********************************************************************************
  995. Item 11.
  996.  
  997. Hot Water Freezes Faster than Cold!        updated 11-May-1992 by SIC
  998. -----------------------------------        original by Richard M. Mathews
  999.  
  1000.     You put two pails of water outside on a freezing day.  One has hot
  1001. water (95 degrees C) and the other has an equal amount of colder water (50
  1002. degrees C).  Which freezes first?  The hot water freezes first!  Why?  
  1003.  
  1004.     It is commonly argued that the hot water will take some time to
  1005. reach the initial temperature of the cold water, and then follow the same
  1006. cooling curve.  So it seems at first glance difficult to believe that the
  1007. hot water freezes first.  The answer lies mostly in evaporation. The effect
  1008. is definitely real and can be duplicated in your own kitchen. 
  1009.  
  1010.     Every "proof" that hot water can't freeze faster assumes that the
  1011. state of the water can be described by a single number.  Remember that
  1012. temperature is a function of position.  There are also other factors
  1013. besides temperature, such as motion of the water, gas content, etc. With
  1014. these multiple parameters, any argument based on the hot water having to
  1015. pass through the initial state of the cold water before reaching the
  1016. freezing point will fall apart.  The most important factor is evaporation.
  1017.  
  1018.     The cooling of pails without lids is partly Newtonian and partly by
  1019. evaporation of the contents.  The proportions depend on the walls and on
  1020. temperature.  At sufficiently high temperatures evaporation is more
  1021. important.  If equal masses of water are taken at two starting
  1022. temperatures, more rapid evaporation from the hotter one may diminish its
  1023. mass enough to compensate for the greater temperature range it must cover
  1024. to reach freezing.  The mass lost when cooling is by evaporation is not
  1025. negligible. In one experiment, water cooling from 100C lost 16% of its mass
  1026. by 0C, and lost a further 12% on freezing, for a total loss of 26%. 
  1027.  
  1028.     The cooling effect of evaporation is twofold.  First, mass is
  1029. carried off so that less needs to be cooled from then on.  Also,
  1030. evaporation carries off the hottest molecules, lowering considerably the
  1031. average kinetic energy of the molecules remaining. This is why "blowing on
  1032. your soup" cools it.  It encourages evaporation by removing the water vapor
  1033. above the soup. 
  1034.  
  1035.     Thus experiment and theory agree that hot water freezes faster than
  1036. cold for sufficiently high starting temperatures, if the cooling is by
  1037. evaporation.  Cooling in a wooden pail or barrel is mostly by evaporation. 
  1038. In fact, a wooden bucket of water starting at 100C would finish freezing in
  1039. 90% of the time taken by an equal volume starting at room temperature. The
  1040. folklore on this matter may well have started a century or more ago when
  1041. wooden pails were usual.  Considerable heat is transferred through the
  1042. sides of metal pails, and evaporation no longer dominates the cooling, so
  1043. the belief is unlikely to have started from correct observations after
  1044. metal pails became common. 
  1045.  
  1046. References: 
  1047.     "Hot water freezes faster than cold water.  Why does it do so?",
  1048.     Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American,
  1049.     Vol. 237, No. 3, pp 246-257; September, 1977.
  1050.  
  1051.     "The Freezing of Hot and Cold Water", G.S. Kell in American
  1052.     Journal of Physics, Vol. 37, No. 5, pp 564-565; May, 1969.
  1053.  
  1054. *******************
  1055. END OF FAQ PART 1/2
  1056.   ********************
  1057. Date: Wed, 30 Dec 92 11:10:39 PST
  1058. From: sichase@Csa2.LBL.Gov
  1059. Message-Id: <921230111039.20c00e8f@csa2.lbl.gov>
  1060. Subject: Sci.Physics Frequently Asked Questions - January 1993 - Part 2/2
  1061. To: distribution:@Csa2.LBL.Gov; (see end of body)
  1062. X-St-Vmsmail-To: @[-]MAILING_LIST.FAQ
  1063.  
  1064. Archive-name: physics-faq
  1065. Last-modified: 1992/12/26
  1066.  
  1067. --------------------------------------------------------------------------------
  1068.            FREQUENTLY ASKED QUESTIONS ON SCI.PHYSICS - Part 2/2
  1069. --------------------------------------------------------------------------------
  1070.  
  1071. Item 12.
  1072.  
  1073. Which Way Will my Bathtub Drain?         updated 11-May-1192 by SIC
  1074. --------------------------------        original by Matthew R. Feinstein
  1075.  
  1076.  
  1077. Question: Does my bathtub drain differently depending on whether I live 
  1078. in the northern or southern hemisphere?
  1079.  
  1080. Answer: No.  There is a real effect, but it is far too small to be relevant
  1081. when you pull the plug in your bathtub.
  1082.  
  1083.     Because the earth rotates, a fluid that flows along the earth's
  1084. surface feels a "Coriolis" acceleration perpendicular to its velocity.
  1085. In the northern hemisphere high pressure storm systems spin clockwise.
  1086. In the southern hemisphere, they spin counterclockwise because the direction 
  1087. of the Coriolis acceleration is reversed.  This effect leads to the 
  1088. speculation that the bathtub vortex that you see when you pull the plug 
  1089. from the drain spins one way in the north and the other way in the south.
  1090.  
  1091.     But this acceleration is VERY weak for bathtub-scale fluid
  1092. motions.  The order of magnitude of the Coriolis acceleration can be
  1093. estimated from size of the "Rossby number".  Coriolis accelerations are 
  1094. significant when the Rossby number is SMALL.
  1095.  
  1096.     So, suppose we want a Rossby number of 0.1 and a bathtub-vortex
  1097. length scale of 0.1 meter.  Since the earth's rotation rate is about
  1098. 10^(-4)/second, the fluid velocity should be less than or equal to
  1099. 2*10^(-6) meters/second.  This is a very small velocity.  How small is it? 
  1100. Well, we can take the analysis a step further and calculate another, more
  1101. famous dimensionless parameter, the Reynolds number. 
  1102.  
  1103.     The Reynolds number is = L*U*density/viscosity
  1104.  
  1105.     Assuming that physicists bathe in hot water the viscosity will be
  1106. about 0.005 poise and the density will be about 1.0, so the Reynolds Number
  1107. is about 4*10^(-2). 
  1108.  
  1109.     Now, life at low Reynolds numbers is different from life at high
  1110. Reynolds numbers.  In particular, at low Reynolds numbers, fluid physics is
  1111. dominated by friction and diffusion, rather than by inertia: the time it
  1112. would take for a particle of fluid to move a significant distance due to an
  1113. acceleration is greater than the time it takes for the particle to break up
  1114. due to diffusion. 
  1115.  
  1116.     Therefore the effect of the Coriolis acceleration on your bathtub
  1117. vortex is SMALL.  To detect its effect on your bathtub, you would have 
  1118. to get out and wait until the motion in the water is far less than one 
  1119. rotation per day.  This would require removing thermal currents, vibration, 
  1120. and any other sources of noise.  Under such conditions, never occurring in 
  1121. the typical home, you WOULD see an effect.  To see what trouble it takes
  1122. to actually see the effect, see the reference below.  Experiments have been
  1123. done in both the northern and southern hemispheres to verify that under
  1124. carefully controlled conditions, bathtubs drain in opposite directions due
  1125. to the Coriolis acceleration from the Earth's rotation.
  1126.  
  1127.     The same effect has been accused of responsibility for the 
  1128. direction water circulates when you flush a toilet.  This is surely 
  1129. nonsense.  In this case, the water rotates in the direction which the pipe 
  1130. points which carries the water from the tank to the bowl.
  1131.  
  1132. Reference: Trefethen, L.M. et al, Nature 207 1084-5 (1965).
  1133.  
  1134. ********************************************************************************
  1135. Item 13.
  1136.  
  1137. Why are Golf Balls Dimpled?            updated 14-May-1992 by SIC
  1138. ---------------------------            original by Craig DeForest
  1139.  
  1140.     The dimples, paradoxically, *do* increase drag slightly.  But they 
  1141. also increase `Magnus lift', that peculiar lifting force experienced by 
  1142. rotating bodies travelling through a medium.  Contrary to Freshman physics, 
  1143. golf balls do not travel in inverted parabolas.  They follow an 'impetus 
  1144. trajectory':
  1145.  
  1146.                                     *    *       
  1147.                               *             *
  1148. (golfer)                *                    *
  1149.                   *                          * <-- trajectory
  1150.  \O/        *                                *
  1151.   |   *                                      *
  1152. -/ \-T---------------------------------------------------------------ground
  1153.  
  1154.     This is because of the combination of drag (which reduces
  1155. horizontal speed late in the trajectory) and Magnus lift, which supports
  1156. the ball during the initial part of the trajectory, making it relatively
  1157. straight.  The trajectory can even curve upwards at first, depending on
  1158. conditions!  Here is a cheesy diagram of a golf ball in flight, with some
  1159. relevant vectors: 
  1160.  
  1161.                              F(magnus)
  1162.                              ^
  1163.                              |
  1164.                 F(drag) <--- O -------> V 
  1165.                           \     
  1166.                            \----> (sense of rotation)
  1167.  
  1168.     The Magnus force can be thought of as due to the relative drag on
  1169. the air on the top and bottom portions of the golf ball: the top portion is
  1170. moving slower relative to the air around it, so there is less drag on the
  1171. air that goes over the ball.  The boundary layer is relatively thin, and
  1172. air in the not-too-near region moves rapidly relative to the ball.  The
  1173. bottom portion moves fast relative to the air around it; there is more drag
  1174. on the air passing by the bottom, and the boundary (turbulent) layer is
  1175. relatively thick; air in the not-too-near region moves more slowly relative
  1176. to the ball. The Bernoulli force produces lift. (alternatively, one could
  1177. say that `the flow lines past the ball are displaced down, so the ball is
  1178. pushed up.') 
  1179.  
  1180.     The difficulty comes near the transition region between laminar
  1181. flow and turbulent flow.  At low speeds, the flow around the ball is
  1182. laminar.  As speed is increased, the bottom part tends to go turbulent
  1183. *first*.  But turbulent flow can follow a surface much more easily than
  1184. laminar flow. 
  1185.  
  1186.     As a result, the (laminar) flow lines around the top break away
  1187. from the surface sooner than otherwise, and there is a net displacement
  1188. *up* of the flow lines.  The magnus lift goes *negative*. 
  1189.  
  1190.     The dimples aid the rapid formation of a turbulent boundary layer
  1191. around the golf ball in flight, giving more lift.  Without 'em, the ball
  1192. would travel in more of a parabolic trajectory, hitting the ground sooner.
  1193. (and not coming straight down.) 
  1194.  
  1195. References: Perhaps the best (and easy-to-read) reference on this effect is
  1196. a paper in American Journal of Physics by one Lyman Briggs, c. 1947. 
  1197. Briggs was trying to explain the mechanism behind the `curve ball' in
  1198. baseball, using specialized apparatus in a wind tunnel at the NBS.  He
  1199. stumbled on the reverse effect by accident, because his model `baseball'
  1200. had no stitches on it. The stitches on a baseball create turbulence in
  1201. flight in much the same way that the dimples on a golf ball do. 
  1202.  
  1203. ********************************************************************************
  1204. Item 14.
  1205.  
  1206. Why do Mirrors Reverse Left and Right?            updated 11-JUN-1992 by SIC
  1207. --------------------------------------
  1208.  
  1209.     The simple answer is that they don't.  Look in a mirror and wave
  1210. your right hand.  On which side of the mirror is the hand that waved?  The
  1211. right side, of course. 
  1212.  
  1213.     Mirrors DO reverse In/Out.  The further behind you an object is,
  1214. the further in front of you it appears in the mirror.  Imaging holding an
  1215. arrow in your hand.  If you point it up, it will point up in the mirror. 
  1216. If you point it to the left, it will point to the left in the mirror.  But
  1217. if you point it toward the mirror, it will point right back at you.  In and
  1218. Out are reversed. 
  1219.  
  1220.     If you take a three-dimensional, rectangular, coordinate system,
  1221. (X,Y,Z), and point the Z axis such that the vector equation X x Y = Z is
  1222. satisfied, then the coordinate system is said to be right-handed.  Imagine
  1223. Z pointing toward the mirror.  X and Y are unchanged (remember the arrows?)
  1224. but Z will point back at you.  In the mirror, X x Y = - Z.  The image
  1225. contains a left-handed coordinate system. 
  1226.  
  1227.     This has an important effect, familiar mostly to chemists and
  1228. physicists. It changes the chirality, or handedness of objects viewed in
  1229. the mirror. Your left hand looks like a right hand, while your right hand
  1230. looks like a left hand.  Molecules often come in pairs called
  1231. stereoisomers, which differ not in the sequence or number of atoms, but
  1232. only in that one is the mirror image of the other, so that no rotation or
  1233. stretching can turn one into the other.  Your hands make a good laboratory
  1234. for this effect.  They are distinct, even though they both have the same
  1235. components connected in the same way. They are a stereo pair, identical
  1236. except for "handedness". 
  1237.  
  1238.     People sometimes think that mirrors *do* reverse left/right, and
  1239. that the effect is due to the fact that our eyes are aligned horizontally
  1240. on our faces.  This can be easily shown to be untrue by looking in any
  1241. mirror with one eye closed! 
  1242.  
  1243. Reference:  _The Left Hand of the Neutrino_, by Isaac Asimov, contains 
  1244. a very readable discussion of handedness and mirrors in physics.
  1245.  
  1246. ********************************************************************************
  1247. Item 15.
  1248.  
  1249. What is the Mass of a Photon?            updated 24-JUL-1992 by SIC
  1250.                          original by Matt Austern
  1251.  
  1252. Or, "Does the mass of an object depend on its velocity?"
  1253.  
  1254.     This question usually comes up in the context of wondering whether
  1255. photons are really "massless," since, after all, they have nonzero energy. 
  1256. The problem is simply that people are using two different definitions of
  1257. mass.  The overwhelming consensus among physicists today is to say that 
  1258. photons are massless.  However, it is possible to assign a "relativistic 
  1259. mass" to a photon which depends upon its wavelength.  This is based upon 
  1260. an old usage of the word "mass" which, though not strictly wrong, is not 
  1261. used much today.
  1262.  
  1263.     The old definition of mass, called "relativistic mass," assigns
  1264. a mass to a particle proportional to its total energy E, and involved
  1265. the speed of light, c, in the proportionality constant:
  1266.  
  1267.          m = E / c^2.                        (1) 
  1268.  
  1269. This definition gives every object a velocity-dependent mass.
  1270.  
  1271.     The modern definition assigns every object just one mass, an 
  1272. invariant quantity that does not depend on velocity.  This is given by
  1273.  
  1274.         m = E_0 / c^2,                        (2)
  1275.  
  1276. where E_0 is the total energy of that object at rest.  
  1277.  
  1278.     The first definition is often used in popularizations, and in some
  1279. elementary textbooks.  It was once used by practicing physicists, but for
  1280. the last few decades, the vast majority of physicists have instead used the
  1281. second definition.  Sometimes people will use the phrase "rest mass," or
  1282. "invariant mass," but this is just for emphasis: mass is mass.  The
  1283. "relativistic mass" is never used at all.  (If you see "relativistic mass"
  1284. in your first-year physics textbook, complain! There is no reason for books
  1285. to teach obsolete terminology.) 
  1286.  
  1287.     Note, by the way, that using the standard definition of mass, the
  1288. one given by Eq. (2), the equation "E = m c^2" is *not* correct.  Using the
  1289. standard definition, the relation between the mass and energy of an object
  1290. can be written as     
  1291.  
  1292.         E   = m c^2 / sqrt(1 -v^2/c^2),                (3) 
  1293. or as
  1294.  
  1295.         E^2 = m^2 c^4  +  p^2 c^2,                (4)
  1296.  
  1297. where v is the object's velocity, and p is its momentum.
  1298.  
  1299.     In one sense, any definition is just a matter of convention.  In
  1300. practice, though, physicists now use this definition because it is much
  1301. more convenient.  The "relativistic mass" of an object is really just the
  1302. same as its energy, and there isn't any reason to have another word for
  1303. energy: "energy" is a perfectly good word.  The mass of an object, though,
  1304. is a fundamental and invariant property, and one for which we do need a
  1305. word. 
  1306.  
  1307.     The "relativistic mass" is also sometimes confusing because it
  1308. mistakenly leads people to think that they can just use it in the Newtonian
  1309. relations     
  1310.         F = m a                            (5) 
  1311. and
  1312.         F = G m1 m2 / r^2.                    (6)
  1313.  
  1314. In fact, though, there is no definition of mass for which these
  1315. equations are true relativistically: they must be generalized.  The
  1316. generalizations are more straightforward using the standard definition
  1317. of mass than using "relativistic mass."
  1318.  
  1319.     Oh, and back to photons: people sometimes wonder whether it makes
  1320. sense to talk about the "rest mass" of a particle that can never be at
  1321. rest.  The answer, again, is that "rest mass" is really a misnomer, and it
  1322. is not necessary for a particle to be at rest for the concept of mass to
  1323. make sense.  Technically, it is the invariant length of the particle's
  1324. four-momentum.  (You can see this from Eq. (4).)  For all photons this is
  1325. zero. On the other hand, the "relativistic mass" of photons is frequency
  1326. dependent. UV photons are more energetic than visible photons, and so are
  1327. more "massive" in this sense, a statement which obscures more than it
  1328. elucidates. 
  1329.  
  1330.     Reference: Lev Okun wrote a nice article on this subject in the 
  1331. June 1989 issue of Physics Today, which includes a historical discussion 
  1332. of the concept of mass in relativistic physics. 
  1333.  
  1334. ********************************************************************************
  1335. Item 16.
  1336.                         updated 4-SEP-1992 by SIC
  1337.                         Original by Bill Johnson
  1338. How to Change Nuclear Decay Rates
  1339. ---------------------------------
  1340.  
  1341. "I've had this idea for making radioactive nuclei decay faster/slower than
  1342. they normally do.  You do [this, that, and the other thing].  Will this work?" 
  1343.  
  1344. Short Answer: Possibly, but probably not usefully.
  1345.  
  1346. Long Answer:
  1347.  
  1348.     "One of the paradigms of nuclear science since the very early days
  1349. of its study has been the general understanding that the half-life, or
  1350. decay constant, of a radioactive substance is independent of extranuclear
  1351. considerations."  (Emery, cited below.)  Like all paradigms, this one is
  1352. subject to some interpretation. Normal decay of radioactive stuff proceeds
  1353. via one of four mechanisms: 
  1354.  
  1355.     * Emission of an alpha particle -- a helium-4 nucleus -- reducing
  1356.     the number of protons and neutrons present in the parent nucleus 
  1357.     by two each; 
  1358.     * "Beta decay," encompassing several related phenomena in which a
  1359.     neutron in the nucleus turns into a proton, or a proton turns into 
  1360.     a neutron -- along with some other things including emission of 
  1361.     a neutrino.  The "other things", as we shall see, are at the bottom
  1362.     of several questions involving perturbation of decay rates; 
  1363.     * Emission of one or more gamma rays -- energetic photons -- that
  1364.     take a nucleus from an excited state to some other (typically
  1365.     ground) state; some of these photons may be replaced by 
  1366.     "conversion electrons," of which more shortly; or 
  1367.     *Spontaneous fission, in which a sufficiently heavy nucleus simply
  1368.     breaks in half.  Most of the discussion about alpha particles will
  1369.     also apply to spontaneous fission.
  1370.  
  1371. Gamma emission often occurs from the daughter of one of the other decay
  1372. modes.  We neglect *very* exotic processes like C-14 emission or double
  1373. beta decay in this analysis. 
  1374.  
  1375.     "Beta decay" refers most often to a nucleus with a neutron excess,
  1376. which decays by converting a neutron into a proton:
  1377.  
  1378.     n ----> p + e- + anti-nu(e),
  1379.  
  1380. where n means neutron, p means proton, e- means electron, and anti-nu(e) 
  1381. means an antineutrino of the electron type.  The type of beta decay which
  1382. involves destruction of a proton is not familiar to many people, so
  1383. deserves a little elaboration.  Either of two processes may occur when this
  1384. kind of decay happens: 
  1385.  
  1386.     p ----> n + e+ + nu(e), 
  1387.  
  1388. where e+ means positron and nu(e) means electron neutrino; or
  1389.  
  1390.     p + e- ----> n + nu(e),
  1391.  
  1392. where e- means a negatively charged electron, which is captured from the
  1393. neighborhood of the nucleus undergoing decay.  These processes are called
  1394. "positron emission" and "electron capture," respectively.  A given nucleus
  1395. which has too many protons for stability may undergo beta decay through
  1396. either, and typically both, of these reactions. 
  1397.  
  1398.     "Conversion electrons" are produced by the process of "internal
  1399. conversion," whereby the photon that would normally be emitted in gamma
  1400. decay is *virtual* and its energy is absorbed by an atomic electron.  The
  1401. absorbed energy is sufficient to unbind the electron from the nucleus
  1402. (ignoring a few exceptional cases), and it is ejected from the atom as a
  1403. result. 
  1404.  
  1405.     Now for the tie-in to decay rates.  Both the electron-capture and
  1406. internal conversion phenomena require an electron somewhere close to the
  1407. decaying nucleus.  In any normal atom, this requirement is satisfied in
  1408. spades: the innermost electrons are in states such that their probability
  1409. of being close to the nucleus is both large and insensitive to things in
  1410. the environment.  The decay rate depends on the electronic wavefunctions,
  1411. i.e, how much of their time the inner electrons spend very near the 
  1412. nucleus -- but only very weakly. For most nuclides that decay by electron 
  1413. capture or internal conversion, most of the time, the probability of 
  1414. grabbing or converting an electron is also insensitive to the environment, 
  1415. as the innermost electrons are the ones most likely to get grabbed/converted. 
  1416.  
  1417.     However, there are exceptions, the most notable being the
  1418. the astrophysically important isotope beryllium-7.  Be-7 decays purely
  1419. by electron capture (positron emission being impossible because of
  1420. inadequate decay energy) with a half-life of somewhat over 50 days.  It has
  1421. been shown that differences in chemical environment result in half-life
  1422. variations of the order of 0.2%, and high pressures produce somewhat
  1423. similar changes. Other cases where known changes in decay rate occur are
  1424. Zr-89 and Sr-85, also electron capturers; Tc-99m ("m" implying an excited
  1425. state), which decays by both beta and gamma emission; and various other
  1426. "metastable" things that decay by gamma emission with internal conversion. 
  1427. With all of these other cases the magnitude of the effect is less than is
  1428. typically the case with Be-7. 
  1429.  
  1430.     What makes these cases special?  The answer is that one or another
  1431. of the usual starting assumptions -- insensitivity of electron wave
  1432. function near the nucleus to external forces, or availability of the
  1433. innermost electrons for capture/conversion -- are not completely valid. 
  1434. Atomic beryllium only has 4 electrons to begin with, so that the "innermost
  1435. electrons" are also practically the *outermost* ones and therefore much
  1436. more sensitive to chemical effects than usual.  With most of the other
  1437. cases, there is so little energy available from the decay (as little as a
  1438. few electron volts; compare most radioactive decays, where hundreds or
  1439. thousands of *kilo*volts are released), courtesy of accidents of nuclear
  1440. structure, that the innermost electrons can't undergo internal conversion. 
  1441. Remember that converting an electron requires dumping enough energy into it
  1442. to expel it from the atom (more or less); "enough energy," in context, is
  1443. typically some tens of keV, so they don't get converted at all in these
  1444. cases.  Conversion therefore works only on some of the outer electrons,
  1445. which again are more sensitive to the environment. 
  1446.  
  1447.     A real anomaly is the beta emitter Re-187.  Its decay energy is
  1448. only about 2.6 keV, practically nothing by nuclear standards.  "That this
  1449. decay occurs at all is an example of the effects of the atomic environment
  1450. on nuclear decay: the bare nucleus Re-187 [i.e., stripped of all orbital
  1451. electrons -- MWJ] is stable against beta decay and it is the difference of
  1452. 15 keV in the total electronic binding energy of osmium [to which it decays
  1453. -- MWJ] and rhenium ... which makes the decay possible" (Emery).  The
  1454. practical significance of this little peculiarity, of course, is low, as
  1455. Re-187 already has a half life of over 10^10 years. 
  1456.  
  1457.     Alpha decay and spontaneous fission might also be affected by
  1458. changes in the electron density near the nucleus, for a different reason. 
  1459. These processes occur as a result of penetration of the "Coulomb barrier"
  1460. that inhibits emission of charged particles from the nucleus, and their
  1461. rate is *very* sensitive to the height of the barrier.  Changes in the
  1462. electron density could, in principle, affect the barrier by some tiny
  1463. amount.  However, the magnitude of the effect is *very* small, according to
  1464. theoretical calculations; for a few alpha emitters, the change has been
  1465. estimated to be of the order of 1 part in 10^7 (!) or less, which would be
  1466. unmeasurable in view of the fact that the alpha emitters' half lives aren't
  1467. known to that degree of accuracy to begin with. 
  1468.  
  1469.     All told, the existence of changes in radioactive decay rates due
  1470. to the environment of the decaying nuclei is on solid grounds both
  1471. experimentally and theoretically.  But the magnitude of the changes is
  1472. nothing to get very excited about. 
  1473.  
  1474. Reference: The best review article on this subject is now 20 years old: G.
  1475. T. Emery, "Perturbation of Nuclear Decay Rates," Annual Review of Nuclear
  1476. Science vol. 22, p. 165 (1972).  Papers describing specific experiments are
  1477. cited in that article, which contains considerable arcane math but also
  1478. gives a reasonable qualitative "feel" for what is involved. 
  1479.  
  1480. ********************************************************************************
  1481. Item 17.                    original by David Brahm
  1482.  
  1483. Baryogenesis - Why Are There More Protons Than Antiprotons?
  1484. -----------------------------------------------------------
  1485.  
  1486. (I) How do we really *know* that the universe is not matter-antimatter 
  1487. symmetric?  
  1488.  
  1489. (a) The Moon:  Neil Armstrong did not annihilate, therefore the moon
  1490. is made of matter.
  1491. (b) The Sun:  Solar cosmic rays are matter, not antimatter.
  1492. (c) The other Planets:  We have sent probes to almost all.  Their survival 
  1493. demonstrates that the solar system is made of matter.
  1494. (d) The Milky Way:  Cosmic rays sample material from the entire galaxy.
  1495. In cosmic rays, protons outnumber antiprotons 10^4 to 1.
  1496. (e) The Universe at large: This is tougher.  If there were antimatter
  1497. galaxies then we should see gamma emissions from annihilation.  Its absence
  1498. is strong evidence that at least the nearby clusters of galaxies (e.g., Virgo)
  1499. are matter-dominated.    At larger scales there is little proof.
  1500.     However,  there is a problem, called the "annihilation catastrophe"
  1501. which probably eliminates the possibility of a matter-antimatter symmetric
  1502. universe.  Essentially, causality prevents the separation of large chucks
  1503. of antimatter from matter fast enough to prevent their mutual annihilation
  1504. in in the early universe.  So the Universe is most likely matter dominated.
  1505.  
  1506. (II) How did it get that way?  
  1507.  
  1508.     Annihilation has made the asymmetry much greater today than in the
  1509. early universe.  At the high temperature of the first microsecond, there 
  1510. were large numbers of thermal quark-antiquark pairs.  K&T estimate 30 
  1511. million antiquarks for every 30 million and 1 quarks during this epoch.  
  1512. That's a tiny asymmetry.  Over time most of the antimatter has annihilated 
  1513. with matter, leaving the very small initial excess of matter to dominate 
  1514. the Universe.
  1515.     
  1516.     Here are a few possibilities for why we are matter dominated today:
  1517.  
  1518. a) The Universe just started that way.
  1519.    Not only is this a rather sterile hypothesis, but it doesn't work under
  1520.    the popular "inflation" theories, which dilute any initial abundances.
  1521. b) Baryogenesis occurred around the Grand Unified (GUT) scale (very early).
  1522.    Long thought to be the only viable candidate, GUT's generically have
  1523.    baryon-violating reactions, such as proton decay (not yet observed).
  1524. c) Baryogenesis occurred at the Electroweak Phase Transition (EWPT).
  1525.    This is the era when the Higgs first acquired a vacuum expectation value
  1526.    (vev), so other particles acquired masses.  Pure Standard Model physics.
  1527.  
  1528.     Sakharov enumerated 3 necessary conditions for baryogenesis:
  1529.  
  1530.     (1)  Baryon number violation.  If baryon number is conserved in all
  1531. reactions, then the present baryon asymmetry can only reflect asymmetric
  1532. initial conditions, and we are back to case (a), above.
  1533.     (2) C and CP violation.  Even in the presence of B-violating
  1534. reactions, without a preference for matter over antimatter the B-violation
  1535. will take place at the same rate in both directions, leaving no excess.
  1536.     (3) Thermodynamic Nonequilibrium.  Because CPT guarantees equal
  1537. masses for baryons and antibaryons, chemical equilibrium would drive the 
  1538. necessary reactions to correct for any developing asymmetry.  
  1539.  
  1540.     It turns out the Standard Model satisfies all 3 conditions:
  1541.  
  1542.     (1) Though the Standard Model conserves B classically (no terms in
  1543. the Lagrangian violate B), quantum effects allow the universe to tunnel
  1544. between vacua with different values of B.  This tunneling is _very_
  1545. suppressed at energies/temperatures below 10 TeV (the "sphaleron mass"),
  1546. _may_ occur at e.g. SSC energies (controversial), and _certainly_ occurs at
  1547. higher temperatures.
  1548.  
  1549.     (2) C-violation is commonplace.  CP-violation (that's "charge
  1550. conjugation" and "parity") has been experimentally observed in kaon
  1551. decays, though strictly speaking the Standard Model probably has
  1552. insufficient CP-violation to give the observed baryon asymmetry.
  1553.  
  1554.     (3) Thermal nonequilibrium is achieved during first-order phase
  1555. transitions in the cooling early universe, such as the EWPT (at T = 100 GeV
  1556. or so).  As bubbles of the "true vacuum" (with a nonzero Higgs vev)
  1557. percolate and grow, baryogenesis can occur at or near the bubble walls.
  1558.  
  1559.     A major theoretical problem, in fact, is that there may be _too_
  1560. _much_ B-violation in the Standard Model, so that after the EWPT is
  1561. complete (and condition 3 above is no longer satisfied) any previously
  1562. generated baryon asymmetry would be washed out.
  1563.  
  1564. References: Kolb and Turner, _The Early Universe_;
  1565.   Dine, Huet, Singleton & Susskind, Phys.Lett.B257:351 (1991);
  1566.   Dine, Leigh, Huet, Linde & Linde, Phys.Rev.D46:550 (1992).
  1567.  
  1568. ********************************************************************************
  1569. Item 18.
  1570.  
  1571. TIME TRAVEL - FACT OR FICTION?                  updated 25-Nov-1992
  1572. ------------------------------            original by Jon J. Thaler
  1573.  
  1574.     We define time travel to mean departure from a certain place and
  1575. time followed (from the traveller's point of view) by arrival at the same
  1576. place at an earlier (from the sedentary observer's point of view) time.
  1577. Time travel paradoxes arise from the fact that departure occurs after
  1578. arrival according to one observer and before arrival according to another. 
  1579. In the terminology of special relativity time travel implies that the
  1580. timelike ordering of events is not invariant.  This violates our intuitive
  1581. notions of causality.  However, intuition is not an infallible guide, so we
  1582. must be careful.  Is time travel really impossible, or is it merely another
  1583. phenomenon where "impossible" means "nature is weirder than we think?"  The
  1584. answer is more interesting than you might think. 
  1585.  
  1586. THE SCIENCE FICTION PARADIGM:
  1587.  
  1588.     The B-movie image of the intrepid chrononaut climbing into his time
  1589. machine and watching the clock outside spin backwards while those outside
  1590. the time machine watch the him revert to callow youth is, according to
  1591. current theory, impossible.  In current theory, the arrow of time flows in
  1592. only one direction at any particular place.  If this were not true, then
  1593. one could not impose a 4-dimensional coordinate system on space-time, and
  1594. many nasty consequences would result. Nevertheless, there is a scenario
  1595. which is not ruled out by present knowledge.  It requires an unusual
  1596. spacetime topology (due to wormholes or strings in general relativity)
  1597. which has not not yet seen, but which may be possible.  In this scenario
  1598. the universe is well behaved in every local region; only by exploring the
  1599. global properties does one discover time travel. 
  1600.  
  1601. CONSERVATION LAWS:
  1602.  
  1603.     It is sometimes argued that time travel violates conservation laws.
  1604. For example, sending mass back in time increases the amount of energy that
  1605. exists at that time.  Doesn't this violate conservation of energy?  This
  1606. argument uses the concept of a global conservation law, whereas
  1607. relativistically invariant formulations of the equations of physics only
  1608. imply local conservation.  A local conservation law tells us that the
  1609. amount of stuff inside a small volume changes only when stuff flows in or
  1610. out through the surface.  A global conservation law is derived from this by
  1611. integrating over all space and assuming that there is no flow in or out at
  1612. infinity.  If this integral cannot be performed, then global conservation
  1613. does not follow.  So, sending mass back in time might be alright, but it
  1614. implies that something strange is happening.  (Why shouldn't we be able to
  1615. do the integral?) 
  1616.  
  1617. GENERAL RELATIVITY:
  1618.  
  1619.     One case where global conservation breaks down is in general
  1620. relativity. It is well known that global conservation of energy does not
  1621. make sense in an expanding universe.  For example, the universe cools as it
  1622. expands; where does the energy go?  See FAQ article #1 - Energy
  1623. Conservation in Cosmology, for details. 
  1624.  
  1625.     It is interesting to note that the possibility of time travel in GR
  1626. has been known at least since 1949 (by Kurt Godel, discussed in [1], page
  1627. 168). The GR spacetime found by Godel has what are now called "closed
  1628. timelike curves" (CTCs).  A CTC is a worldline that a particle or a person
  1629. can follow which ends at the same spacetime point (the same position and
  1630. time) as it started.   A solution to GR which contains CTCs cannot have a
  1631. spacelike embedding - space must have "holes" (as in donut holes, not holes
  1632. punched in a sheet of paper).  A would-be time traveller must go around or
  1633. through the holes in a clever way. 
  1634.  
  1635.     The Godel solution is a curiosity, not useful for constructing a
  1636. time machine.  Two recent proposals, one by Morris, et al. [2] and one by
  1637. Gott [3], have the possibility of actually leading to practical devices (if
  1638. you believe this, I have a bridge to sell you).   As with Godel, in these
  1639. schemes nothing is locally strange; time travel results from the unusual
  1640. topology of spacetime.  The first uses a wormhole (the inner part of a
  1641. black hole, see fig. 1 of [2]) which is held open and manipulated by
  1642. electromagnetic forces.  The second uses the conical geometry generated by
  1643. an infinitely long string of mass.  If two strings pass by each other, a
  1644. clever person can go into the past by traveling a figure-eight path around
  1645. the strings. 
  1646.  
  1647. GRANDFATHER PARADOXES:
  1648.  
  1649.     With the demonstration that general relativity contains CTCs,
  1650. people began studying the problem of self-consistency.  Basically, the
  1651. problem is that of the "grandfather paradox:"  What happens if our time
  1652. traveller kills her grandmother before her mother was born?  In more
  1653. readily analyzable terms, one can ask what are the implications of the
  1654. quantum mechanical interference of the particle with its future self.
  1655. Boulware [5] shows that there is a problem - unitarity is violated. This is
  1656. related to the question of when one can do the global conservation integral
  1657. discussed above.  It is an example of the "Cauchy problem" [1, chapter 7]. 
  1658.  
  1659. OTHER PROBLEMS (and an escape hatch?):
  1660.  
  1661.     How does one avoid the paradox that a simple solution to GR has
  1662. CTCs which QM does not like?  This is not a matter of applying a theory in
  1663. a domain where it is expected to fail.  One relevant issue is the
  1664. construction of the time machine.  After all, infinite strings aren't
  1665. easily obtained.  In fact, it has been shown [4] that Gott's scenario
  1666. implies that the total 4-momentum of spacetime must be spacelike.  This
  1667. seems to imply that one cannot build a time machine from any collection of
  1668. physical objects, whose 4-momentum must be timelike unless tachyons exist. 
  1669. Similar objections apply to the wormhole method. 
  1670.  
  1671. TACHYONS:
  1672.  
  1673. Finally, a diversion on a possibly related topic.
  1674.  
  1675.     If tachyons exist as physical objects, causality is no longer
  1676. invariant. Different observers will see different causal sequences.  This
  1677. effect requires only special relativity (not GR), and follows from the fact
  1678. that for any spacelike trajectory, reference frames can be found in which
  1679. the particle moves backward or forward in time.  This is illustrated by the
  1680. pair of spacetime diagrams below.  One must be careful about what is
  1681. actually observed; a particle moving backward in time is observed to be a
  1682. forward moving anti-particle, so no observer interprets this as time
  1683. travel. 
  1684.  
  1685.                 t
  1686. One reference   |                    Events A and C are at the same
  1687. frame:          |                    place.  C occurs first.
  1688.                 |
  1689.                 |                    Event B lies outside the causal
  1690.                 |          B         domain of events A and C.
  1691.      -----------A----------- x       (The intervals are spacelike).
  1692.                 |
  1693.                 C                    In this frame, tachyon signals
  1694.                 |                    travel from A-->B and from C-->B.
  1695.                 |                    That is, A and C are possible causes
  1696.                                      of event B.
  1697.  
  1698. Another         t
  1699. reference       |                    Events A and C are not at the same
  1700. frame:          |                    place.  C occurs first.
  1701.                 |
  1702.                 |                    Event B lies outside the causal
  1703.      -----------A----------- x       domain of events A and C. (The
  1704.                 |                    intervals are spacelike)
  1705.                 |
  1706.                 |   C                In this frame, signals travel from
  1707.                 |                    B-->A and from B-->C.  B is the cause
  1708.                 |             B      of both of the other two events.
  1709.  
  1710.     The unusual situation here arises because conventional causality
  1711. assumes no superluminal motion.  This tachyon example is presented to
  1712. demonstrate that our intuitive notion of causality may be flawed, so one
  1713. must be careful when appealing to common sense.  See FAQ article # 6 -
  1714. Tachyons, for more about these weird hypothetical particles. 
  1715.  
  1716. CONCLUSION:
  1717.  
  1718.     The possible existence of time machines remains an open question. 
  1719. None of the papers criticizing the two proposals are willing to
  1720. categorically rule out the possibility.  Nevertheless, the notion of time
  1721. machines seems to carry with it a serious set of problems. 
  1722.  
  1723. REFERENCES:
  1724.  
  1725. 1: S.W. Hawking, and G.F.R. Ellis, "The Large Scale Structure of Space-Time,"
  1726.    Cambridge University Press, 1973.
  1727. 2: M.S. Morris, K.S. Thorne, and U. Yurtsever, PRL, v.61, p.1446 (1989).
  1728.    --> How wormholes can act as time machines.
  1729. 3: J.R. Gott, III, PRL, v.66, p.1126 (1991).
  1730.    --> How pairs of cosmic strings can act as time machines.
  1731. 4: S. Deser, R. Jackiw, and G. 't Hooft, PRL, v.66, p.267 (1992).
  1732.    --> A critique of Gott.  You can't construct his machine.
  1733. 5: D.G. Boulware, University of Washington preprint UW/PT-92-04.
  1734.    Available on the hep-th@xxx.lanl.gov bulletin board: item number 9207054.
  1735.    --> Unitarity problems in QM with closed timelike curves.
  1736.  
  1737. ********************************************************************************
  1738. Item 19.
  1739.  
  1740. Gravity and the Radiation of Charged Particles  updated 26-DEC-1992 by SIC
  1741. ----------------------------------------------    original by Kurt Sonnenmoser
  1742.  
  1743. Three oft-asked questions about the Equivalence Principle and the
  1744. radiation of charged particles in a gravitational field according to GR:
  1745.  
  1746. A)  DOES THE GRAVITATIONAL FIELD OF A STATIC MASSIVE BODY CAUSE
  1747.     RADIATION FROM A CHARGED PARTICLE AT REST ON ITS SURFACE?
  1748.     (Or: "According to the Equivalence Principle, the electron on my
  1749.     desk should radiate!")
  1750.  
  1751.     Answer: No, it doesn't. Reason: Static situation --> no magnetic
  1752. fields --> vanishing field energy current, i.e. no radiation. The
  1753. Equivalence Principle only leads you to the conclusion that if you
  1754. put the particle on the bottom of an accelerated elevator in gravity
  1755. free space, you will observe no radiation (in the reference frame of
  1756. the elevator).
  1757.  
  1758. B ) DOES A CHARGED STABLE PARTICLE IN FREE FALL IN THE GRAVITATIONAL
  1759.     FIELD OF A MASSIVE BODY RADIATE? (Or: "According to the Equivalence
  1760.     Principle, my electron should not radiate if it falls to the
  1761.     ground!")
  1762.  
  1763.     Answer: Yes, it does. Reason: It's like with any accelerated motion
  1764. of a charged particle: The acceleration causes "kinks" in the field
  1765. lines that propagate with the velocity of light and carry off
  1766. energy. This energy comes from the orbital energy of the particle
  1767. and not from its mass. As before, trying to apply the Equivalence
  1768. Principle is misleading: the free falling particle is only _locally_
  1769. equivalent to one at rest in gravity free space, but in order to
  1770. calculate the energy radiated off, you have to integrate the energy
  1771. flux of the electromagnetic field over a sphere going to infinity
  1772. (in a fixed reference frame), which is, of course, not a local
  1773. procedure. The Equivalence Principle only tells you that if you go
  1774. very close to the particle, you see no radiation.
  1775.  
  1776. C)  DOES A UNIFORMLY ACCELERATED CHARGE RADIATE? (Or: "Ok, let's forget
  1777.     about the Equivalence Principle! What happens globally?")
  1778.  
  1779.     Answer: David Boulware [Ann.Phys. 124, 169-188 (1980) ("Radiation
  1780. from a Uniformly Accelerated Charge")] has shown that a uniformly
  1781. accelerated charge in gravity-free space does in fact radiate
  1782. (contrary to earlier beliefs, e.g. of Pauli), but also that it is
  1783. _not_ globally equivalent to a charge at rest in a static
  1784. gravitational field. More specifically, there are regions of
  1785. space-time where there is no coordinate frame in which the
  1786. accelerated charge is at rest and the gravitational field static. So
  1787. there is no contradiction to the fact that charges at rest in a
  1788. gravitational field do not radiate.
  1789.  
  1790. ********************************************************************************
  1791. Item 20.
  1792.  
  1793. The Nobel Prize for Physics (1901-1992)        updated 29-Nov-1992 by SIC
  1794. ---------------------------------------
  1795.  
  1796. The following is a complete listing of Nobel Prize awards, from the first
  1797. award in 1901.  Prizes were not awarded in every year.  The description 
  1798. following the names is an abbreviation of the official citation.  
  1799.  
  1800. 1901     Wilhelm Konrad Rontgen         X-rays
  1801. 1902     Hendrik Antoon Lorentz        Magnetism in radiation phenomena
  1802.     Pieter Zeeman        
  1803. 1903    Antoine Henri Bequerel        Spontaneous radioactivity
  1804.     Pierre Curie            
  1805.     Marie Sklowdowska-Curie 
  1806. 1904    Lord Rayleigh             Density of gases and 
  1807.     (a.k.a. John William Strutt)      discovery of argon
  1808. 1905    Pilipp Eduard Anton von Lenard    Cathode rays
  1809. 1906    Joseph John Thomson        Conduction of electricity by gases
  1810. 1907    Albert Abraham Michelson    Precision metrological investigations
  1811. 1908    Gabriel Lippman            Reproducing colors photographically
  1812.                      based on the phenomenon of interference
  1813. 1909    Guglielmo Marconi        Wireless telegraphy
  1814.     Carl Ferdinand Braun
  1815. 1910    Johannes Diderik van der Waals    Equation of state of fluids
  1816. 1911    Wilhelm Wien            Laws of radiation of heat
  1817. 1912    Nils Gustaf Dalen        Automatic gas flow regulators 
  1818. 1913    Heike Kamerlingh Onnes        Matter at low temperature
  1819. 1914    Max von Laue            Crystal diffraction of X-rays
  1820. 1915    William Henry Bragg        X-ray analysis of crystal structure
  1821.     William Lawrence Bragg
  1822. 1917    Charles Glover Barkla        Characteristic X-ray spectra of elements
  1823. 1918    Max Planck            Energy quanta
  1824. 1919    Johannes Stark            Splitting of spectral lines in E fields
  1825. 1920    Charles-Edouard Guillaume     Anomalies in nickel steel alloys
  1826. 1921    Albert Einstein            Photoelectric Effect
  1827. 1922    Niels Bohr            Structure of atoms
  1828. 1923    Robert Andrew Millikan        Elementary charge of electricity
  1829. 1924    Karl Manne Georg Siegbahn    X-ray spectroscopy
  1830. 1925    James Franck            Impact of an electron upon an atom
  1831.     Gustav Hertz
  1832. 1926    Jean Baptiste Perrin         Sedimentation equilibrium
  1833. 1927    Arthur Holly Compton        Compton effect
  1834.     Charles Thomson Rees Wilson    Invention of the Cloud chamber
  1835. 1928    Owen Willans Richardson        Thermionic phenomena, Richardson's Law
  1836. 1929    Prince Louis-Victor de Broglie    Wave nature of electrons
  1837. 1930    Sir Chandrasekhara Venkata Raman Scattering of light, Raman effect
  1838. 1932    Werner Heisenberg        Quantum Mechanics 
  1839. 1933     Erwin Schrodinger        Atomic theory
  1840.     Paul Adrien Maurice Dirac
  1841. 1935    James Chadwick            The neutron
  1842. 1936    Victor Franz Hess        Cosmic rays
  1843. 1937    Clinton Joseph Davisson        Crystal diffraction of electrons
  1844.     George Paget Thomson
  1845. 1938    Enrico Fermi            New radioactive elements 
  1846. 1939    Ernest Orlando Lawrence        Invention of the Cyclotron
  1847. 1943    Otto Stern            Proton magnetic moment
  1848. 1944    Isador Isaac Rabi        Magnetic resonance in atomic nuclei
  1849. 1945    Wolfgang Pauli            The Exclusion principle
  1850. 1946    Percy Williams Bridgman     Production of extremely high pressures
  1851. 1947    Sir Edward Victor Appleton    Physics of the upper atmosphere
  1852. 1948    Patrick Maynard Stuart Blackett Cosmic ray showers in cloud chambers
  1853. 1949    Hideki Yukawa            Prediction of Mesons 
  1854. 1950    Cecil Frank Powell        Photographic emulsion for meson studies
  1855. 1951     Sir John Douglas Cockroft    Artificial acceleration of atomic 
  1856.     Ernest Thomas Sinton Walton        particles and transmutation of nuclei
  1857. 1952    Felix Bloch            Nuclear magnetic precision methods 
  1858.     Edward Mills Purcell
  1859. 1953    Frits Zernike             Phase-contrast microscope
  1860. 1954    Max Born            Fundamental research in QM
  1861.     Walther Bothe            Coincidence counters
  1862. 1955    Willis Eugene Lamb        Hydrogen fine structure
  1863.     Polykarp Kusch            Electron magnetic moment
  1864. 1956    William Shockley        Transistors
  1865.     John Bardeen
  1866.     Walter Houser Brattain
  1867. 1957    Chen Ning Yang            Parity violation 
  1868.     Tsung Dao Lee
  1869. 1958    Pavel Aleksejevic Cerenkov    Interpretation of the Cerenkov effect
  1870.     Il'ja Mickajlovic Frank
  1871.     Igor' Evgen'evic Tamm
  1872. 1959    Emilio Gino Segre        The Antiproton
  1873.     Owen Chamberlain    
  1874. 1960    Donald Arthur Glaser        The Bubble Chamber
  1875. 1961    Robert Hofstadter        Electron scattering on nucleons
  1876.     Rudolf Ludwig Mossbauer     Resonant absorption of photons
  1877. 1962    Lev Davidovic Landau        Theory of liquid helium
  1878. 1963    Eugene P. Wigner         Fundamental symmetry principles
  1879.     Maria Goeppert Mayer        Nuclear shell structure
  1880.     J. Hans D. Jensen 
  1881. 1964    Charles H. Townes               Maser-Laser principle
  1882.         Nikolai G. Basov
  1883.         Alexander M. Prochorov
  1884. 1965    Sin-Itiro Tomonaga              Quantum electrodynamics
  1885.         Julian Schwinger
  1886.         Richard P. Feynman
  1887. 1966    Alfred Kastler                  Study of Hertzian resonance in atoms
  1888. 1967    Hans Albrecht Bethe             Energy production in stars 
  1889. 1968    Luis W. Alvarez                 Discovery of many particle resonances
  1890. 1969    Murray Gell-Mann                Quark model for particle classification
  1891. 1970    Hannes Alven                    Magneto-hydrodynamics in plasma physics
  1892.         Louis Neel                      Antiferromagnetism and ferromagnetism
  1893. 1971    Dennis Gabor                    Principles of holography
  1894. 1972    John Bardeen                    Superconductivity
  1895.         Leon N. Cooper
  1896.         J. Robert Schrieffer
  1897. 1973    Leo Esaki                       Tunneling in superconductors
  1898.         Ivar Giaever 
  1899.         Brian D. Josephson              Super-current through tunnel barriers
  1900. 1974    Antony Hewish                   Discovery of pulsars
  1901.         Sir Martin Ryle                 Pioneering radioastronomy work
  1902. 1975    Aage Bohr                       Structure of the atomic nucleus
  1903.         Ben Mottelson
  1904.         James Rainwater
  1905. 1976    Burton Richter                  Discovery of the J/Psi particle
  1906.         Samual Chao Chung Ting
  1907. 1977    Philip Warren Anderson          Electronic structure of magnetic and 
  1908.         Nevill Francis Mott             disordered solids
  1909.         John Hasbrouck Van Vleck
  1910. 1978    Pyotr Kapitsa                   Liquifaction of helium
  1911.         Arno A. Penzias                 Cosmic Microwave Background Radiation
  1912.         Robert W. Wilson
  1913. 1979    Sheldon Glashow                 Electroweak Theory, especially
  1914.         Steven Weinberg                  weak neutral currents
  1915.         Abdus Salam                     
  1916. 1980    James Cronin                    Discovery of CP violation in the 
  1917.         Val Fitch                        asymmetric decay of neutral K-mesons
  1918. 1981    Kai M. Seigbahn                 High resolution electron spectroscopy
  1919.         Nicolaas Bleombergen            Laser spectroscopy
  1920.         Arthur L. Schawlow
  1921. 1982    Kenneth G. Wilson               Critical phenomena in phase transitions 
  1922. 1983    Subrahmanyan Chandrasekhar      Evolution of stars
  1923.         William A. Fowler
  1924. 1984    Carlo Rubbia                    Discovery of W,Z
  1925.         Simon van der Meer              Stochastic cooling for colliders
  1926. 1985    Klaus von Klitzing              Discovery of quantum Hall effect
  1927. 1986    Gerd Binning            Scanning Tunneling Microscopy
  1928.         Heinrich Rohrer
  1929.         Ernst August Friedrich Ruska    Electron microscopy
  1930. 1987    Georg Bednorz                   High-temperature superconductivity
  1931.         Alex K. Muller 
  1932. 1988    Leon Max Lederman               Discovery of the muon neutrino leading
  1933.         Melvin Schwartz                  to classification of particles in 
  1934.         Jack Steinberger                 families
  1935. 1989    Hans Georg Dehmelt              Penning Trap for charged particles
  1936.         Wolfgang Paul                   Paul Trap for charged particles
  1937.         Norman F. Ramsey                Control of atomic transitions by the
  1938.                                          separated oscillatory fields method
  1939. 1990    Jerome Isaac Friedman           Deep inelastic scattering experiments
  1940.         Henry Way Kendall                leading to the discovery of quarks
  1941.         Richard Edward Taylor
  1942. 1991    Pierre-Gilles de Gennes         Order-disorder transitions in liquid 
  1943.                                          crystals and polymers
  1944. 1992    Georges Charpak                 Multiwire Proportional Chamber
  1945. ********************************************************************************
  1946. Item 21.
  1947.  
  1948. Open Questions                    updated 13-OCT-1992 by SIC
  1949. --------------                    original by John Baez
  1950.  
  1951.     While for the most part a FAQ covers the answers to frequently
  1952. asked questions whose answers are known, in physics there are also plenty
  1953. of simple and interesting questions whose answers are not known. Before you
  1954. set about answering these questions on your own, it's worth noting that
  1955. while nobody knows what the answers are, there has been at least a little,
  1956. and sometimes a great deal, of work already done on these subjects. People
  1957. have said a lot of very intelligent things about many of these questions. 
  1958. So do plenty of research and ask around before you try to cook up a theory
  1959. that'll answer one of these and win you the Nobel prize!  You can expect to
  1960. really know physics inside and out before you make any progress on these. 
  1961.  
  1962.     The following partial list of "open" questions is divided into two
  1963. groups, Cosmology and Astrophysics, and Particle and Quantum Physics. 
  1964. However, given the implications of particle physics on cosmology, the
  1965. division is somewhat artificial, and, consequently, the categorization is 
  1966. somewhat arbitrary.  
  1967.  
  1968.     (There are many other interesting and fundamental questions in 
  1969. fields such as condensed matter physics, nonlinear dynamics, etc., which 
  1970. are not part of the set of related questions in cosmology and quantum 
  1971. physics which are discussed below.  Their omission is not a judgement 
  1972. about importance, but merely a decision about the scope of this article.)
  1973.     
  1974. Cosmology and Astrophysics
  1975. --------------------------
  1976.  
  1977. 1.  What happened at, or before the Big Bang?  Was there really an initial
  1978. singularity?  Of course, this question might not make sense, but it might.
  1979. Does the history of universe go back in time forever, or only a finite
  1980. amount? 
  1981.  
  1982. 2.  Will the future of the universe go on forever or not?  Will there be a
  1983. "big crunch" in the future?  Is the Universe infinite in spatial extent? 
  1984.  
  1985. 3.  Why is there an arrow of time; that is, why is the future so much
  1986. different from the past?
  1987.  
  1988. 4.  Is spacetime really four-dimensional?   If so, why - or is that just a
  1989. silly question?  Or is spacetime not really a manifold at all if examined
  1990. on a short enough distance scale? 
  1991.  
  1992. 5.  Do black holes really exist?  (It sure seems like it.)  Do they really
  1993. radiate energy and evaporate the way Hawking predicts?  If so, what happens
  1994. when, after a finite amount of time, they radiate completely away?  What's
  1995. left?  Do black holes really violate all conservation laws except
  1996. conservation of energy, momentum, angular momentum and electric charge? 
  1997.  
  1998. 6.  Is the Cosmic Censorship Hypothesis true?  Roughly, for generic
  1999. collapsing isolated gravitational systems are the singularities that might
  2000. develop guaranteed to be hidden beyond a smooth event horizon?  If Cosmic
  2001. Censorship fails, what are these naked singularities like?  That is, what 
  2002. weird physical consequences would they have? 
  2003.  
  2004. 7.  Why are the galaxies distributed in clumps and filaments?  Is most of
  2005. the matter in the universe baryonic?  Is this a matter to be resolved by
  2006. new physics? 
  2007.  
  2008. 8.  What is the nature of the missing "Dark Matter"?  Is it baryonic, 
  2009. neutrinos, or something more exotic?  
  2010.  
  2011. Particle and Quantum Physics
  2012. ----------------------------
  2013.  
  2014. 1.  Why are the laws of physics not symmetrical between left and right,
  2015. future and past, and between matter and antimatter?  I.e., what is the
  2016. mechanism of CP violation, and what is the origin of parity violation in
  2017. Weak interactions?  Are there right-handed Weak currents too weak to have
  2018. been detected so far?  If so, what broke the symmetry?  Is CP violation 
  2019. explicable entirely within the Standard Model, or is some new force or
  2020. mechanism required?
  2021.  
  2022. 2.  Why are the strengths of the fundamental forces (electromagnetism, weak
  2023. and strong forces, and gravity) what they are?  For example, why is the
  2024. fine structure constant, which measures the strength of electromagnetism,
  2025. about 1/137.036?  Where did this dimensionless constant of nature come from? 
  2026. Do the forces really become Grand Unified at sufficiently high energy?
  2027.  
  2028. 3.  Why are there 3 generations of leptons and quarks?  Why are there mass
  2029. ratios what they are?  For example, the muon is a particle almost exactly
  2030. like the electron except about 207 times heavier.  Why does it exist and
  2031. why precisely that much heavier?   Do the quarks or leptons have any 
  2032. substructure? 
  2033.  
  2034. 4.  Is there a consistent and acceptable relativistic quantum field theory
  2035. describing interacting (not free) fields in four spacetime dimensions?  For
  2036. example, is the Standard Model mathematically consistent?  How about
  2037. Quantum Electrodynamics? 
  2038.  
  2039. 5.  Is QCD a true description of quark dynamics?  Is it possible to
  2040. calculate masses of hadrons (such as the proton, neutron, pion, etc.)
  2041. correctly from the Standard Model?  Does QCD predict a quark/gluon
  2042. deconfinement phase transition at high temperature?  What is the nature of
  2043. the transition?  Does this really happen in Nature? 
  2044.  
  2045. 6.  Why is there more matter than antimatter, at least around here? Is
  2046. there really more matter than antimatter throughout the universe? 
  2047.  
  2048. 7.  What is meant by a "measurement" in quantum mechanics?  Does
  2049. "wavefunction collapse" actually happen as a physical process?  If so, how,
  2050. and under what conditions?  If not, what happens instead? 
  2051.  
  2052. 8.  What are the gravitational effects, if any, of the immense (possibly
  2053. infinite) vacuum energy density seemingly predicted by quantum field
  2054. theory?  Is it really that huge?  If so, why doesn't it act like an
  2055. enormous cosmological constant? 
  2056.   
  2057. 9.  Why doesn't the flux of solar neutrinos agree with predictions?  Is the
  2058. disagreement really significant?  If so, is the discrepancy in models of
  2059. the sun, theories of nuclear physics, or theories of neutrinos?  Are
  2060. neutrinos really massless? 
  2061.  
  2062. The Big Question (TM)
  2063. ---------------------
  2064.  
  2065. This last question sits on the fence between the two categories above:
  2066.  
  2067.     How to you merge Quantum Mechanics and General Relativity to create a
  2068. quantum theory of gravity?  Is Einstein's theory of gravity (classical GR)
  2069. also correct in the microscopic limit, or are there modifications
  2070. possible/required which coincide in the observed limit(s)?  Is gravity
  2071. really curvature, or what else -- and why does it then look like curvature? 
  2072. An answer to this question will necessarily rely upon, and at the same time
  2073. likely be a large part of, the answers to many of the other questions above.
  2074.  
  2075. ********************************************************************************
  2076. Item 22.                    updated 15-OCT-1992 by SIC
  2077.     
  2078. Accessing and Using Online Physics Resources
  2079. --------------------------------------------
  2080.  
  2081. (I) Particle Physics Databases
  2082.  
  2083.     The Full Listings of the Review of Particle Properties (RPP), as 
  2084. well as other particle physics databases, are accessible on-line.  Here is 
  2085. a summary of the major ones, as described in the RPP:
  2086.  
  2087. (A) SLAC Databases
  2088.  
  2089. PARTICLES   - Full listings of the RPP
  2090. HEP        - Guide to particle physics preprints, journal articles, reports,
  2091.           theses, conference papers, etc.
  2092. CONF        - Listing of past and future conferences in particle physics
  2093. HEPNAMES    - E-mail addresses of many HEP people
  2094. INST        - Addresses of HEP institutions
  2095. DATAGUIDE   - Adjunct to HEP, indexes papers
  2096. REACTIONS   - Numerical data on reactions (cross-sections, polarizations, etc)
  2097. EXPERIMENTS - Guide to current and past experiments
  2098.  
  2099. Anyone with a SLAC account can access these databases.  Alternately, most
  2100. of us can access them via QSPIRES.  You can access QSPIRES via BITNET with
  2101. the 'send' command ('tell','bsend', or other system-specific command) or by
  2102. using E-mail.  For example, send QSPIRES@SLACVM FIND TITLE Z0 will get you
  2103. a search of HEP for all papers which reference the Z0 in the title.  By
  2104. E-mail, you would send the one line message "FIND TITLE Z0" with a blank
  2105. subject line to QSPIRES@SLACVM.BITNET or QSPIRES@VM.SLAC.STANFORD.EDU.
  2106. QSPIRES is free.  Help can be obtained by mailing "HELP" to QSPIRES.
  2107.  
  2108. For more detailed information, see the RPP, p.I.12, or contact: Louise
  2109. Addis (ADDIS@SLACVM.BITNET) or Harvey Galic (GALIC@SLACVM.BITNET).
  2110.  
  2111. (B) CERN Databases on ALICE
  2112.  
  2113. LIB        - Library catalogue of books, preprints, reports, etc.
  2114. PREP        - Subset of LIB containing preprints, CERN publications, and 
  2115.           conference papers.
  2116. CONF        - Subset of LIB containing upcoming and past conferences since 1986
  2117. DIR        - Directory of Research Institutes in HEP, with addresses, fax,
  2118.           telex, e-mail addresses, and info on research programs
  2119.  
  2120. ALICE can be accessed via DECNET or INTERNET.  It runs on the CERN library's
  2121. VXLIB, alias ALICE.CERN.CH (IP# 128.141.201.44).  Use Username ALICE (no 
  2122. password required.)  Remote users with no access to the CERN Ethernet can
  2123. use QALICE, similar to QSPIRES.  Send E-mail to QALICE@VXLIB.CERN.CH, put
  2124. the query in the subject field and leave the message field black.  For 
  2125. more information, send the subject "HELP" to QALICE or contact CERN 
  2126. Scientific Information Service, CERN, CH-1211 Geneva 23, Switzerland,
  2127. or E-mail MALICE@VXLIB.CERN.CH.
  2128.  
  2129. Regular weekly or monthly searches of the CERN databases can be arranged
  2130. according to a personal search profile.  Contact David Dallman, CERN SIS
  2131. (address above) or E-mail CALLMAN@CERNVM.CERN.CH.
  2132.  
  2133. DIR is available in Filemaker PRO format for Macintosh.  Contact Wolfgang
  2134. Simon (ISI@CERNVM.CERN.CH).
  2135.  
  2136. (C) Other Databases
  2137.  
  2138. Durham-RAL and Serpukhov both maintain large databases containing Particle
  2139. Properties, reaction data, experiments, E-mail ID's, cross-section
  2140. compilations (CS), etc.  Except for the Serpukhov CS, these databases
  2141. overlap SPIRES at SLAC considerably, though they are not the same and may
  2142. be more up-to-date.  For details, see the RPP, p.I.14, or contact:
  2143. For Durham-RAL, Mike Whalley (MRW@UKACRL.BITNET,MRW@CERNVM.BITNET) or 
  2144. Dick Roberts (RGR@UKACRL.BITNET).  For Serpukhov, contact Sergey Alekhin 
  2145. (ALEKHIN@M9.IHEP.SU) or Vladimir Exhela (EZHELA@M9.IHEP.SU). 
  2146.  
  2147. (II) Online Preprint Sources
  2148.  
  2149. There are a number of online sources of preprints:
  2150.  
  2151. alg-geom@publications.math.duke.edu (algebraic geometry)
  2152. astro-ph@babbage.sissa.it           (astrophysics)
  2153. cond-mat@babbage.sissa.it           (condensed matter)
  2154. funct-an@babbage.sissa.it           (functional analysis)
  2155. hep-lat@ftp.scri.fsu.edu            (computational and lattice physics)
  2156. hep-ph@xxx.lanl.gov                 (high energy physics phenomenological)
  2157. hep-th@xxx.lanl.gov                 (high energy physics theoretical)
  2158. lc-om@alcom-p.cwru.edu              (liquid crystals, optical materials)
  2159. gr-qc@xxx.lanl.gov                  (general relativity, quantum cosmology)
  2160.  
  2161.     To get things if you know the preprint number, send a message to 
  2162. the appropriate address with subject header "get (preprint number)" and 
  2163. no message body. If you *don't* know the preprint number, or want to get 
  2164. preprints regularly, or want other information, send a message with 
  2165. subject header "help" and no message body. 
  2166.  
  2167. ********************************************************************************
  2168. END OF FAQ
  2169.