home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Usenet 1994 January / usenetsourcesnewsgroupsinfomagicjanuary1994.iso / answers / physics-faq / part1 next >
Internet Message Format  |  1993-12-02  |  80KB

  1. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!nic.hookup.net!news.kei.com!sol.ctr.columbia.edu!howland.reston.ans.net!agate!overload.lbl.gov!csa5.lbl.gov!sichase
  2. From: sichase@csa2.lbl.gov (SCOTT I CHASE)
  3. Newsgroups: sci.physics,alt.sci.physics.new-theories,news.answers,sci.answers,alt.answers
  4. Subject: Sci.physics Frequently Asked Questions - December 1993  - Part 1/2
  5. Followup-To: sci.physics
  6. Date: 2 Dec 1993 14:10 PST
  7. Organization: Lawrence Berkeley Laboratory - Berkeley, CA, USA
  8. Lines: 1488
  9. Sender: sichase@csa5.lbl.gov (SCOTT I CHASE)
  10. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  11. Distribution: world
  12. Expires: Sat, 1 January 1994 00:00:00 GMT
  13. Message-ID: <2DEC199314101964@csa5.lbl.gov>
  14. Reply-To: sichase@csa2.lbl.gov
  15. NNTP-Posting-Host: csa5.lbl.gov
  16. Summary: This posting contains a list of Frequently Asked Questions 
  17.     (and their answers) about physics, and should be read by anyone who
  18.     wishes to post to the sci.physics.* newsgroups.
  19. Keywords: Sci.physics FAQ December 1993 Part 1/2
  20. News-Software: VAX/VMS VNEWS 1.41    
  21. Xref: senator-bedfellow.mit.edu sci.physics:68126 alt.sci.physics.new-theories:4662 news.answers:15407 sci.answers:697 alt.answers:1329
  22.  
  23. Archive-name: physics-faq/part1
  24. Last-modified: 1993/11/17
  25.  
  26. --------------------------------------------------------------------------------
  27.               FREQUENTLY ASKED QUESTIONS ON SCI.PHYSICS - Part 1/2
  28. --------------------------------------------------------------------------------
  29.  
  30.     This Frequently Asked Questions List is posted monthly, on or near 
  31. the first of the month, to the USENET newsgroups sci.physics.research,
  32. sci.physics and alt.sci.physics.new-theories in an attempt to provide good 
  33. answers to frequently asked questions and other reference material which is 
  34. worth preserving. If you have corrections or answers to other frequently 
  35. asked questions that you would like included in this posting, send E-mail 
  36. to sichase@csa2.lbl.gov (Scott I. Chase).
  37.  
  38.     The FAQ is distributed to all interested parties whenever sufficient
  39. changes have accumulated to  warrant such a mailing.  To request that your
  40. address be added to the list, send mail to my address, above, and include 
  41. the words "FAQ Mailing List" in  the subject header of your message.  Please
  42. send your request from the exact address you would like to use for receipt 
  43. of the FAQ.  To faciliate mailing, the FAQ is now being distributed as a 
  44. multi-part posting.
  45.  
  46.     If you are a new reader of the Physics newsgroups, please read 
  47. item #1, below.   If you do not wish to read the FAQ at all, add 
  48. "Frequently Asked Questions" to your .KILL file.  
  49.  
  50.     A listing of new items can be found above the subject index, so 
  51. that you can quickly identify new subjects of interest.  To locate old
  52. items which have been updated since the last posting, look for the stars (*)
  53. in the subject index, which indicate new material.
  54.  
  55.     Items which have been submitted by a single individual are 
  56. attributed to the original author.  All other contributors have been thanked
  57. privately.  
  58.  
  59. New Items: None
  60.  
  61. Index of Subjects
  62. -----------------
  63.  1. An Introduction to the Physics Newsgroups on USENET
  64.  2. The Care and Feeding of Kill Files
  65.  3. Gravitational Radiation
  66.  4. Energy Conservation in Cosmology and Red Shift 
  67.  5. Effects Due to the Finite Speed of Light
  68.  6. The Top Quark 
  69.  7. Tachyons
  70.  8. Special Relativistic Paradoxes and Puzzles
  71.     (a) The Barn and the Pole
  72.     (b) The Twin Paradox
  73.     (c) The Superluminal Scissors
  74.  9. The Particle Zoo
  75. 10. Olbers' Paradox
  76. 11. What is Dark Matter?
  77. 12. Hot Water Freezes Faster than Cold!
  78. 13.*Why are Golf Balls Dimpled?
  79. 14. How to Change Nuclear Decay Rates
  80. 15. Some Frequently Asked Questions About Black Holes
  81. 16. Below Absolute Zero - What Does Negative Temperature Mean?
  82. 17. Which Way Will my Bathtub Drain?
  83. 18. Why do Mirrors Reverse Left and Right?
  84. 19. What is the Mass of a Photon?
  85. 20. Why Do Stars Twinkle While Planets Do Not? 
  86. 21. Baryogenesis - Why Are There More Protons Than Antiprotons?
  87. 22.*Time Travel - Fact or Fiction?
  88. 23. The EPR Paradox and Bell's Inequality Principle
  89. 24. The Nobel Prize for Physics
  90. 25. Open Questions
  91. 26. Accessing and Using Online Physics Resources
  92.  
  93. ********************************************************************************
  94. Item 1.                                         updated 17-JUN-1993 by SIC
  95.  
  96. An Introduction to the Physics Newsgroups on USENET
  97. ---------------------------------------------------
  98.  
  99.     The USENET hierarchy contains three newsgroups dedicated to the
  100. discussion of physics and physics-related topics.  These are sci.physics,
  101. sci.physics.research, and alt.sci.physics.new-theories.  
  102.  
  103.     Sci.Physics is an unmoderated newsgroup dedicated to the discussion
  104. of physics, news from the physics community, and physics-related social
  105. issues.  Sci.Physics.Research is a moderated newgroup designed to offer an
  106. environment with less traffic and more opportunity for discussion of
  107. serious topics in physics among experts and beginners alike.  The current
  108. moderators of sci.physics.research are John Baez (jbaez@math.mit.edu), 
  109. William Johnson(mwj@beta.lanl.gov), Cameron Randale (Dale) Bass 
  110. (crb7q@kelvin.seas.Virginia.edu), and Lee Sawyer (sawyer@utahep.uta.edu).
  111. Alt.sci.physics.new-theories is an open forum for discussion of any
  112. topics related to conventional or unconventional physics.  In this 
  113. context, "unconventional physics" includes any ideas on physical science,
  114. whether or not they are widely accepted by the mainstream physics community.
  115.  
  116.     People from a wide variety of non-physics backgrounds, as well
  117. as students and experts in all areas of physics participate in the ongoing
  118. discussions on sci.physics and sci.physics.research.  Professors, industrial 
  119. scientists, graduate students, etc., are all on hand to bring physics 
  120. expertise to bear on almost any question.   But the only requirement for 
  121. participation is interest in physics, so feel free to post -- but before 
  122. you do, please do the following: 
  123.  
  124. (1) Read this posting, a.k.a., the FAQ.  It contains good answers,
  125. contributed by the readership,  to some of the most frequently asked
  126. questions. 
  127.  
  128. (2) Understand "netiquette."  If you are not sure what this means,
  129. subscribe to news.announce.newusers and read the excellent discussion of
  130. proper net behavior that is posted there periodically.  
  131.  
  132. (3) Be aware that there is another newsgroup dedicated to the discussion of
  133. "alternative" physics.  It is alt.sci.physics.new-theories, and is the
  134. appropriate forum for discussion of physics ideas which are not widely
  135. accepted by the physics community.  Sci.Physics is not the group for such
  136. discussions.  A quick look at items posted to both groups will make the
  137. distinction apparent. 
  138.  
  139. (4) Read the responses already posted in the thread to which you want to
  140. contribute.  If a good answer is already posted, or the point you wanted
  141. to make has already been made, let it be.  Old questions have probably been
  142. thoroughly discussed by the time you get there - save bandwidth by posting
  143. only new information.  Post to as narrow a geographic region as is 
  144. appropriate.  If your comments are directed at only one person, try E-mail.
  145.  
  146. (5) Get the facts right!  Opinions may differ, but facts should not.  It is
  147. very tempting for new participants to jump in with quick answers to physics
  148. questions posed to the group.  But it is very easy to end up feeling silly
  149. when people barrage you with corrections.  So before you give us all a
  150. physics lesson you'll regret - look it up. 
  151.  
  152. (6) Don't post textbook problems in the hope that someone will do your 
  153. homework for you.  Do you own homework; it's good for you.   On the other 
  154. hand, questions, even about elementary physics, are always welcome.  So 
  155. if you want to discuss the physics which is relevent to your homework,
  156. feel free to do so.  Be warned that you may still have plenty of 
  157. work to do, trying to figure out which of the many answers you get are 
  158. correct.
  159.  
  160. (7) Be prepared for heated discussion.  People have strong opinions about
  161. the issues, and discussions can get a little "loud" at times. Don't take it
  162. personally if someone seems to always jump all over everything you say. 
  163. Everyone was jumping all over everybody long before you got there!  You
  164. can keep the discussion at a low boil by trying to stick to the facts. 
  165. Clearly separate facts from opinion - don't let people think you are
  166. confusing your opinions with scientific truth.  And keep the focus of
  167. discussion on the ideas, not the people who post them. 
  168.  
  169. (8) Tolerate everyone.  People of many different points of view, and widely
  170. varying educational backgrounds from around the world participate in this
  171. newsgroup.  Respect for others will be returned in kind.  Personal
  172. criticism is usually not welcome. 
  173.  
  174. ********************************************************************************
  175. Item 2.
  176.  
  177. The Care and Feeding of Kill Files              updated 28-SEP-1993 by SIC
  178. ----------------------------------
  179.  
  180.     With most newsreaders, it is possible for you to selectively ignore
  181. articles with certain title words, or by a certain author.  This feature is
  182. implemented as a "kill file," which contains instructions to your
  183. newsreader about how to filter out unwanted articles.  The exact details on
  184. how to specify articles you want to ignore varies from program to program,
  185. so you should check the documentation for your particular newsreader. Some
  186. examples are given below for a few common newsreaders.  If your newsreader
  187. does not support kill files, you may want to consider upgrading to one that
  188. does.  Some of the more popular newsreaders that support kill files are rn,
  189. trn, nn, xrn, gnews, and gnus. 
  190.  
  191.     Let's say that you wish to `kill' all posts made by a certain user.
  192. Using the `rn' or `trn' newsreader, you would type a [CTRL]-K while in read
  193. mode to begin editing the kill file, and then type the following: 
  194.  
  195.      /From: username@sitename.com/h:j
  196.  
  197. This will look for articles that come with "From: username@sitename.com" in
  198. the header, junk them, and then display the subject lines of titles that
  199. just got zapped. 
  200.  
  201. For names of Subject titles, you would type something like this:
  202.  
  203.      /: *The Big Bang Never Happened/:j
  204.      /: *Space Potatoes Have Inertia/:j
  205.  
  206. When finished, save the kill file in the normal manner for the editor
  207. you're using. 
  208.  
  209. In trn 3.0 and higher you can use the faster command
  210.  
  211.      /username@sitename\.com/f:j
  212.  
  213. to kill all of username's postings. In trn change the 'j' to ',' to kill
  214. all the replies as well.  Note the '\' to escape the '.'. This is needed in
  215. any search string in a kill file (although they usually work if you
  216. forget). Also in [t]rn you can simply hit K to automatically killfile the
  217. current subject without directly editing the file. 
  218.  
  219.     For the `nn' newsreader, type a capital K when viewing the contents
  220. of a newsgroup.  nn will then ask you a few questions on whether it is a
  221. Subject or a Name, duration of time that the posts are to be killed, etc. 
  222. Simply answer the questions accordingly. 
  223.  
  224.     There's a lot more to it, of course, when you become proficient.
  225. You can kill all articles cross-posted to specific groups, for example, or
  226. kill any article with a particular name or phrase appearing anywhere in the
  227. header.  A good primer is in the "rn KILL file FAQ" which appears
  228. periodically in news.answers.  You should also check the man pages for your
  229. particular newsreader. 
  230.  
  231. ********************************************************************************
  232. Item 3.
  233.  
  234. Gravitational Radiation                         updated 4-May-1992 by SIC
  235. -----------------------
  236.  
  237.     Gravitational Radiation is to gravity what light is to
  238. electromagnetism. It is produced when massive bodies accelerate.  You can
  239. accelerate any body so as to produce such radiation, but due to the feeble
  240. strength of gravity, it is entirely undetectable except when produced by
  241. intense astrophysical sources such as supernovae, collisions of black
  242. holes, etc.  These are quite far from us, typically, but they are so
  243. intense that they dwarf all possible laboratory sources of such radiation. 
  244.  
  245.     Gravitational waves have a polarization pattern that causes objects
  246. to expand in one direction, while contracting in the perpendicular
  247. direction. That is, they have spin two.  This is because gravity waves are
  248. fluctuations in the tensorial metric of space-time. 
  249.  
  250.     All oscillating radiation fields can be quantized, and in the case
  251. of gravity,  the intermediate boson is called the "graviton" in analogy
  252. with the photon. But quantum gravity is hard, for several reasons: 
  253.         (1) The quantum field theory of gravity is hard, because gauge 
  254. interactions of spin-two fields are not renormalizable.  See Cheng and Li,
  255. Gauge Theory of Elementary Particle Physics (search for "power counting").
  256.         (2) There are conceptual problems - what does it mean to quantize
  257. geometry, or space-time?
  258.  
  259.     It is possible to quantize weak fluctuations in the gravitational
  260. field.  This gives rise to the spin-2 graviton.  But full quantum gravity
  261. has so far escaped formulation.  It is not likely to look much like the
  262. other quantum field theories.  In addition, there are models of gravity
  263. which include additional bosons with different spins.  Some are the
  264. consequence of non-Einsteinian models, such as Brans-Dicke which has a
  265. spin-0 component. Others are included by hand, to give "fifth force"
  266. components to gravity. For example, if you want to add a weak repulsive
  267. short range component, you will need a massive spin-1 boson.  (Even-spin
  268. bosons always attract.  Odd-spin bosons can attract or repel.)  If
  269. antigravity is real, then this has implications for the boson spectrum as
  270. well. 
  271.  
  272.     The spin-two polarization provides the method of detection.  Most
  273. experiments to date use a "Weber bar."  This is a cylindrical, very
  274. massive, bar suspended  by fine wire, free to oscillate in response to a
  275. passing graviton.   A high-sensitivity, low noise, capacitive transducer
  276. can turn the oscillations of the bar into an electric signal for analysis. 
  277. So far such searches have failed.  But they are expected to be
  278. insufficiently sensitive for typical  radiation intensity from known types
  279. of sources. 
  280.  
  281.     A more sensitive technique uses very long baseline laser
  282. interferometry.  This is the principle of LIGO (Laser Interferometric
  283. Gravity wave Observatory).  This is a two-armed detector, with
  284. perpendicular laser beams each travelling several km before meeting to
  285. produce an interference pattern which fluctuates if a gravity wave distorts
  286. the geometry of the detector.  To eliminate noise from seismic effects as
  287. well as human noise sources, two detectors separated by hundreds to
  288. thousands of miles are necessary.  A coincidence measurement then provides
  289. evidence of gravitational radiation.  In order to determine the source of
  290. the signal, a third detector, far from either of the first two, would be
  291. necessary.  Timing differences in the arrival of the signal to the three
  292. detectors would allow triangulation of the angular position in the sky of
  293. the signal. 
  294.  
  295.     The first stage of LIGO, a two detector setup in the U.S., has been
  296. approved by Congress in 1992.  LIGO researchers have started designing a
  297. prototype detector, and are hoping to enroll another nation, probably in
  298. Europe, to fund and be host to the third detector. 
  299.  
  300.     The speed of gravitational radiation (C_gw) depends upon the
  301. specific model of Gravitation that you use.  There are quite a few
  302. competing models (all consistent with all experiments to date) including of
  303. course Einstein's but also Brans-Dicke and several families of others.  
  304. All metric models can support gravity waves.  But not all predict radiation
  305. travelling at C_gw = C_em.  (C_em is the speed of electromagnetic waves.)
  306.  
  307.     There is a class of theories with "prior geometry", in which, as I
  308. understand it, there is an additional metric which does not depend only on
  309. the local matter density.  In such theories, C_gw != C_em in general. 
  310.  
  311.     However, there is good evidence that C_gw is in fact at least
  312. almost C_em. We observe high energy cosmic rays in the 10^20-10^21 eV
  313. region.  Such particles are travelling at up to (1-10^-18)*C_em.  If C_gw <
  314. C_em, then particles with C_gw < v < C_em will radiate Cerenkov
  315. gravitational radiation into the vacuum, and decelerate from the back
  316. reaction.  So evidence of these very fast cosmic rays good evidence that
  317. C_gw >= (1-10^-18)*C_em, very close indeed to C_em.  Bottom line: in a
  318. purely Einsteinian universe, C_gw = C_em. However, a class of models not
  319. yet ruled out experimentally does make other predictions.  
  320.  
  321.     A definitive test would be produced by LIGO in coincidence with
  322. optical measurements of some catastrophic event which generates enough
  323. gravitational radiation to be detected.  Then the "time of flight" of both
  324. gravitons and photons from the source to the Earth could be measured, and
  325. strict direct limits could be set on C_gw. 
  326.  
  327.     For more information, see Gravitational Radiation (NATO ASI - 
  328. Les Houches 1982), specifically the introductory essay by Kip Thorne.
  329.  
  330. ********************************************************************************
  331. Item 4.
  332.  
  333. ENERGY CONSERVATION IN COSMOLOGY AND RED SHIFT  updated: 10-May-1992 by SIC
  334. ----------------------------------------------
  335.  
  336. IS ENERGY CONSERVED IN OUR UNIVERSE? NO
  337.  
  338.     Why?  Every conserved quantity is the result of some symmetry of
  339. nature. This is known as Noether's theorem.  For example, momentum 
  340. conservation is the result of translation invariance, because position  is
  341. the variable conjugate to momentum.  Energy would be conserved due to
  342. time-translation invariance. However, in an expanding or contracting 
  343. universe, there is no time-translation invariance.  Hence energy is not 
  344. conserved.  If you want to learn more about this, read Goldstein's 
  345. Classical Mechanics, and look up Noether's theorem. 
  346.  
  347. DOES RED-SHIFT LEAD TO ENERGY NON-CONSERVATION:  SOMETIMES
  348.  
  349. There are three basic cosmological sources of red-shifted light:
  350. (1) Very massive objects emitting light
  351. (2) Very fast objects emitting light
  352. (3) Expansion of the universe leading to CBR (Cosmic Background 
  353.     Radiation) red-shift
  354.  
  355. About each:
  356. (1) Light has to climb out the gravitational well of a very massive object.
  357.  It gets red-shifted as a result.  As several people have commented, this
  358. does not lead to energy non-conservation, because the photon had negative
  359. gravitational potential energy when it was deep in the well.  No problems
  360. here.  If you want to learn more about this read Misner, Thorne, and
  361. Wheeler's Gravitation, if you dare. 
  362.  
  363. (2) Fast objects moving away from you emit Doppler shifted light.  No 
  364. problems here either.  Energy is only one part a four-vector, so it 
  365. changes from frame to frame.  However, when looked at in a Lorentz 
  366. invariant way, you can convince yourself that everything is OK here too.
  367. If you want to learn more about this, read Taylor and Wheeler's 
  368. Spacetime Physics.
  369.  
  370. (3) CBR has red-shifted over billions of years.  Each photon gets redder
  371. and redder.  And the energy is lost.  This is the only case in which
  372. red-shift leads to energy non-conservation.  Several people have speculated
  373. that radiation pressure "on the universe" causes it to expand more quickly,
  374. and attempt to identify the missing energy with the speed at which the
  375. universe is expanding due to radiation pressure.  This argument is
  376. completely specious.  If you add more radiation to the universe you add
  377. more energy, and the universe is now more closed than ever, and the
  378. expansion rate slows. 
  379.  
  380.     If you really MUST construct a theory in which something like
  381. energy is conserved (which is dubious in a universe without
  382. time-translation invariance), it is possible to arbitrarily define things
  383. so that energy has an extra term which compensates for the loss.  However,
  384. although the resultant quantity may be a constant, it is of questionable
  385. value, and certainly is not an integral associated with time-invariance, so
  386. it is not what everyone calls energy. 
  387.  
  388. ********************************************************************************
  389. Item 5.
  390.  
  391. EFFECTS DUE TO THE FINITE SPEED OF LIGHT       updated 28-May-1992 by SIC
  392. ----------------------------------------
  393.  
  394.     There are two well known phenomena which are due to the finite
  395. speed of electromagnetic radiation, but are essentially classical in
  396. nature, requiring no other facts of special relativity for their
  397. understanding. 
  398.  
  399. (1) Apparent Superluminal Velocity of Galaxies
  400.  
  401.     A distant object can appear to travel faster than the speed of
  402. light relative to us, provided that it has some component of motion towards
  403. us as well as perpendicular to our line of sight.  Say that on Jan. 1 you
  404. make a position measurement of galaxy X.  One month later, you measure it
  405. again. Assuming you know it's distance from us by some independent
  406. measurement, you derive its linear speed, and conclude that it is moving
  407. faster than the speed of light. 
  408.  
  409.     What have you forgotten?  Let's say that on Jan. 1, the object is D
  410. km from us, and that between Jan. 1 and Feb. 1, the object has moved d km
  411. closer to us.  You have assumed that the light you measured on Jan. 1 and
  412. Feb. 1 were emitted exactly one month apart.  Not so.  The first light beam
  413. had further to travel, and was actually emitted (1 + d/c) months before the
  414. second measurement, if we measure c in km/month.  The object has traveled
  415. the given angular distance in more time than you thought.  Similarly, if
  416. the object is moving away from us, the apparent angular velocity will be
  417. too slow, if you do not correct for this effect, which becomes significant
  418. when the object is moving along a line close to our line of sight. 
  419.  
  420.     Note that most extragalactic objects are moving away from us due to
  421. the Hubble expansion.  So for most objects, you don't get superluminal
  422. apparent velocities.  But the effect is still there, and you need to take
  423. it into account if you want to measure velocities by this technique. 
  424.  
  425. References: 
  426.  
  427. Considerations about the Apparent 'Superluminal Expansions' in 
  428. Astrophysics, E. Recami, A. Castellino, G.D. Maccarrone, M. Rodono,
  429. Nuovo Cimento 93B, 119 (1986).
  430.  
  431. Apparent Superluminal Sources, Comparative Cosmology and the Cosmic 
  432. Distance Scale, Mon. Not. R. Astr. Soc. 242, 423-427 (1990).
  433.  
  434. (2) Terrell Rotation
  435.  
  436.     Consider a cube moving across your field of view with speed near
  437. the speed of light.  The trailing face of the cube is edge on to your line
  438. of sight as it passes you.  However, the light from the back edge of that
  439. face (the edge of the square farthest from you) takes longer to get to your
  440. eye than the light from the front edge.  At any given instant you are
  441. seeing light from the front edge at time t and the back edge at time
  442. t-(L/c), where L is the length of an edge.  This means you see the back
  443. edge where it was some time earlier. This has the effect of *rotating* the
  444. *image* of the cube on your retina. 
  445.  
  446.     This does not mean that the cube itself rotates.  The *image* is
  447. rotated. And this depends only on the finite speed of light, not any other
  448. postulate or special relativity.  You can calculate the rotation angle by
  449. noting that the side face of the cube is Lorentz contracted to L' =
  450. L/gamma. This will correspond to a rotation angle of arccos(1/gamma). 
  451.  
  452.     It turns out, if you do the math for a sphere, that the amount of
  453. apparent rotation exactly cancels the Lorentz contraction.  The object
  454. itself is flattened, but then you see *behind* it as it flies by just
  455. enough to restore it to its original size.  So the image of a sphere is
  456. unaffected by the Lorentz flattening that it experiences. 
  457.  
  458.     Another implication of this is that if the object is moving at
  459. nearly the speed of light, although it is contracted into an
  460. infinitesimally thin pancake, you see it rotated by almost a full 90
  461. degrees, so you see the complete backside of the object, and it doesn't
  462. disappear from view.  In the case of the sphere, you see the transverse
  463. cross-section (which suffers no contraction), so that it still appears to
  464. be exactly a sphere. 
  465.  
  466.     That it took so long historically to realize this is undoubtedly
  467. due to the fact that although we were regularly accelerating particle beams
  468. in 1959 to relativistic speeds, we still do not have the technology to
  469. accelerate any macroscopic objects to speeds necessary to reveal the
  470. effect. 
  471.  
  472. References: J. Terrell, Phys Rev. _116_, 1041 (1959).  For a textbook
  473. discussion, see Marion's _Classical Dynamics_, Section 10.5.
  474.  
  475. ********************************************************************************
  476. Item 6.
  477.  
  478. TOP QUARK                                      updated: 18-APR-1993 by SIC
  479. ---------
  480.  
  481.     The top quark is the hypothetical sixth fundamental strongly
  482. interacting particle (quark).  The known quarks are up (u), down (d),
  483. strange (s), charm (c) and  bottom (b).  The Standard Model requires quarks
  484. to come in pairs in order to prevent mathematical inconsistency due to
  485. certain "anomalous" Feynman diagrams, which cancel if and only if the
  486. quarks are paired.  The pairs are (d,u),(s,c) and (b,?).  The missing
  487. partner of the b is called "top". 
  488.  
  489.     In addition, there is experimental evidence that the b quark has an
  490. "isodoublet" partner, which is so far unseen.  The forward-backward
  491. asymmetry in the reaction e+ + e- -> b + b-bar and the absence of
  492. flavor-changing neutral currents in b decays imply the existence of the
  493. isodoublet partner of the b. ("b-bar", pronounced "bee bar", signifies the
  494. b antiquark.) 
  495.  
  496.     The mass of the top quark is restricted by a variety of
  497. measurements. Due to radiative corrections which depend on the top quark
  498. circulating as a virtual particle inside the loop in the Feynman diagram,
  499. a number of experimentally accessible processes depend on the top quark 
  500. mass.  There are about a dozen such measurements which have been made so 
  501. far, including the width of the Z, b-b-bar mixing (which historically gave 
  502. the first hints that the top quark was very massive), and certain aspects 
  503. of muon decay.  These results collectively limit the top mass to roughly 
  504. 140 +/- 30 GeV.  This uncertainty is a "1-sigma" error bar. 
  505.  
  506.     Direct searches for the top quark have been performed, looking for
  507. the expected decay products in both p-p-bar and e+e- collisions.  The best
  508. current limits on the top mass are: 
  509.         (1) From the absence of Z -> t + t-bar, M(t) > M(Z)/2 = 45 GeV. 
  510. This is a "model independent" result, depending only on the fact that the
  511. top quark should be weakly interacting, coupling to the Z with sufficient
  512. strength to have been detected at the current resolution of the LEP
  513. experiments which have cornered the market on Z physics in the last several
  514. years. 
  515.         (2) From the absence of top quark decay products in the reaction p
  516. + p-bar -> t + t-bar -> hard leptons + X at Fermilab's Tevatron collider,
  517. the CDF (Collider Detector at Fermilab) and D0 experiments.  Each top quark 
  518. is expect to decay into a W boson and a b quark.  Each W subsequently decays
  519. into either a charged lepton and a neutrino or two quarks.  The cleanest
  520. signature for the production and decay of the t-t-bar pair is the presence
  521. of two high-transverse-momentum (high Pt) leptons (electron or muon) in the 
  522. final state.  Other decay modes have higher branching ratios, but have 
  523. serious experimental backgrounds from W bosons produced in association with 
  524. jets.  The current published lower limit on M(t) from such measurements is 
  525. 91 GeV (95% confidence), 95 GeV (90% confidence).  However, these limits assume 
  526. that the top quark has the expected decay products in the expected branching 
  527. ratios, making these limits "model dependent," and consequently not as 
  528. "hard" as the considerably lower LEP limit of ~45 GeV.  Unpublished results
  529. from CDF and D0 now claim lower top mass limits of 113 GeV and 103 GeV for 
  530. the respective detectors, presumably at 95% confidence.  These numbers
  531. will probably change by the time they make it into print.
  532.  
  533.     The future is very bright for detecting the top quark.  LEP II, the
  534. upgrade of CERN's e+e- collider to E >= 2*Mw = 160 GeV by 1994, will allow
  535. a hard lower limit of roughly 90 GeV to be set.  Meanwhile, upgrades to
  536. CDF, start of a new experiment, D0,  and upgrades to the accelerator
  537. complex at Fermilab have recently allowed higher event rates and better 
  538. detector resolution, should allow production of standard model top quarks of 
  539. mass < 150 GeV in the next two years, and even higher mass further in the 
  540. future, at high enough event rate to identify the decays and give rough mass
  541. measurements.  There have already been a few unpublished "candidate" events 
  542. from CDF and D0, which, if verified, would be the first direct evidence of 
  543. the top quark, with mass in the vacinity of 150 GeV.
  544.  
  545. References: Phys. Rev. Lett. _68_, 447 (1992) and the references therein. 
  546.  
  547. ********************************************************************************
  548. Item 7.
  549.  
  550. Tachyons                                        updated: 22-MAR-1993 by SIC
  551. --------
  552.  
  553.                 There was a young lady named Bright,
  554.                 Whose speed was far faster than light.
  555.                 She went out one day,
  556.                 In a relative way,
  557.                 And returned the previous night!
  558.  
  559.                         -Reginald Buller
  560.  
  561.  
  562.     It is a well known fact that nothing can travel faster than the
  563. speed of light. At best, a massless particle travels at the speed of light.
  564. But is this really true?  In 1962, Bilaniuk, Deshpande, and Sudarshan, Am.
  565. J. Phys. _30_, 718 (1962), said "no".  A very readable paper is Bilaniuk
  566. and Sudarshan, Phys. Today _22_,43 (1969).  I give here a brief overview. 
  567.  
  568.     Draw a graph, with momentum (p) on the x-axis, and energy (E) on
  569. the y-axis.  Then draw the "light cone", two lines with the equations E =
  570. +/- p. This divides our 1+1 dimensional space-time into two regions.  Above
  571. and below are the "timelike" quadrants, and to the left and right are the
  572. "spacelike" quadrants. 
  573.  
  574.     Now the fundamental fact of relativity is that E^2 - p^2 = m^2. 
  575. (Let's take c=1 for the rest of the discussion.)  For any non-zero value of 
  576. m (mass), this is an hyperbola with branches in the timelike regions.  It 
  577. passes through the point (p,E) = (0,m), where the particle is at rest.  Any 
  578. particle with mass m is constrained to move on the upper branch of this 
  579. hyperbola.  (Otherwise, it is "off-shell", a term you hear in association
  580. with virtual particles - but that's another topic.) For massless particles, 
  581. E^2 = p^2, and the particle moves on the light-cone. 
  582.  
  583.     These two cases are given the names tardyon (or bradyon in more
  584. modern usage) and luxon, for "slow particle" and "light particle".  Tachyon
  585. is the name given to the supposed "fast particle" which would move with v>c. 
  586.  
  587.     Now another familiar relativistic equation is E =
  588. m*[1-(v/c)^2]^(-.5).  Tachyons (if they exist) have v > c.  This means that 
  589. E is imaginary!  Well, what if we take the rest mass m, and take it to be
  590. imaginary?  Then E is negative real, and E^2 - p^2 = m^2 < 0.  Or, p^2 -
  591. E^2 = M^2, where M is real.  This is a hyperbola with branches in the
  592. spacelike region of spacetime.  The energy and momentum of a tachyon must
  593. satisfy this relation.
  594.  
  595.     You can now deduce many interesting properties of tachyons.  For
  596. example, they accelerate (p goes up) if they lose energy (E goes down).
  597. Futhermore, a zero-energy tachyon is "transcendent," or infinitely fast.
  598. This has profound consequences.  For example, let's say that there were
  599. electrically charged tachyons.  Since they would move faster than the speed 
  600. of light in the vacuum, they should produce Cerenkov radiation. This would 
  601. *lower* their energy, causing them to accelerate more!  In other words, 
  602. charged tachyons would probably lead to a runaway reaction releasing an 
  603. arbitrarily large amount of energy.  This suggests that coming up with a 
  604. sensible theory of anything except free (noninteracting) tachyons is likely 
  605. to be difficult.  Heuristically, the problem is that we can get spontaneous 
  606. creation of tachyon-antitachyon pairs, then do a runaway reaction, making 
  607. the vacuum unstable.  To treat this precisely requires quantum field theory, 
  608. which gets complicated.  It is not easy to summarize results here.  However,
  609. one reasonably modern reference is _Tachyons, Monopoles, and Related
  610. Topics_, E. Recami, ed. (North-Holland, Amsterdam, 1978).
  611.  
  612.     However, tachyons are not entirely invisible.  You can imagine that
  613. you might produce them in some exotic nuclear reaction.  If they are
  614. charged, you could "see" them by detecting the Cerenkov light they produce
  615. as they speed away faster and faster.  Such experiments have been done.  So
  616. far, no tachyons have been found.  Even neutral tachyons can scatter off
  617. normal matter with experimentally observable consequences.  Again, no such
  618. tachyons have been found. 
  619.  
  620.     How about using tachyons to transmit information faster than the
  621. speed of light, in violation of Special Relativity?  It's worth noting 
  622. that when one considers the relativistic quantum mechanics of tachyons, the 
  623. question of whether they "really" go faster than the speed of light becomes 
  624. much more touchy!  In this framework, tachyons are *waves* that satisfy a
  625. wave equation.  Let's treat free tachyons of spin zero, for simplicity.   
  626. We'll set c = 1 to keep things less messy.  The wavefunction of a single 
  627. such tachyon can be expected to satisfy the usual equation for spin-zero 
  628. particles, the Klein-Gordon equation:
  629.  
  630.                 (BOX + m^2)phi = 0
  631.  
  632. where BOX is the D'Alembertian, which in 3+1 dimensions is just
  633.  
  634.                 BOX = (d/dt)^2 - (d/dx)^2 - (d/dy)^2 - (d/dz)^2.
  635.  
  636. The difference with tachyons is that m^2 is *negative*, and m is
  637. imaginary.
  638.  
  639. To simplify the math a bit, let's work in 1+1 dimensions, with
  640. coordinates x and t, so that
  641.  
  642.                 BOX = (d/dt)^2 - (d/dx)^2
  643.  
  644. Everything we'll say generalizes to the real-world 3+1-dimensional case.
  645. Now - regardless of m, any solution is a linear combination, or
  646. superposition, of solutions of the form
  647.  
  648.                 phi(t,x) = exp(-iEt + ipx)
  649.  
  650. where E^2 - p^2 = m^2.  When m^2 is negative there are two essentially
  651. different cases.  Either |p| >= |E|, in which case E is real and
  652. we get solutions that look like waves whose crests move along at the
  653. rate |p|/|E| >= 1, i.e., no slower than the speed of light.  Or |p| <
  654. |E|, in which case E is imaginary and we get solutions that look waves
  655. that amplify exponentially as time passes!
  656.  
  657. We can decide as we please whether or not we want to consider the second
  658. sort of solutions.   They seem weird, but then the whole business is
  659. weird, after all.
  660.  
  661. 1)    If we *do* permit the second sort of solution, we can solve the
  662. Klein-Gordon equation with any reasonable initial data - that is, any
  663. reasonable values of phi and its first time derivative at t = 0.  (For
  664. the precise definition of "reasonable," consult your local
  665. mathematician.)  This is typical of wave equations.  And, also typical
  666. of wave equations, we can prove the following thing: If the solution phi
  667. and its time derivative are zero outside the interval [-L,L] when t = 0,
  668. they will be zero outside the interval [-L-|t|, L+|t|] at any time t.
  669. In other words, localized disturbances do not spread with speed faster
  670. than the speed of light!  This seems to go against our notion that
  671. tachyons move faster than the speed of light, but it's a mathematical
  672. fact, known as "unit propagation velocity".
  673.  
  674. 2)    If we *don't* permit the second sort of solution, we can't solve the
  675. Klein-Gordon equation for all reasonable initial data, but only for initial
  676. data whose Fourier transforms vanish in the interval [-|m|,|m|].  By the
  677. Paley-Wiener theorem this has an odd consequence: it becomes
  678. impossible to solve the equation for initial data that vanish outside
  679. some interval [-L,L]!  In other words, we can no longer "localize" our
  680. tachyon in any bounded region in the first place, so it becomes
  681. impossible to decide whether or not there is "unit propagation
  682. velocity" in the precise sense of part 1).    Of course, the crests of
  683. the waves exp(-iEt + ipx) move faster than the speed of light, but these
  684. waves were never localized in the first place!
  685.  
  686.     The bottom line is that you can't use tachyons to send information 
  687. faster than the speed of light from one place to another.  Doing so would 
  688. require creating a message encoded some way in a localized tachyon field,
  689. and sending it off at superluminal speed toward the intended receiver. But 
  690. as we have seen you can't have it both ways - localized tachyon disturbances 
  691. are subluminal and superluminal disturbances are nonlocal.
  692.  
  693. ********************************************************************************
  694. Item 8. Special Relativistic Paradoxes - part (a) 
  695.  
  696. The Barn and the Pole                   updated 4-AUG-1992 by SIC
  697. ---------------------                   original by Robert Firth
  698.  
  699.     These are the props.  You own a barn, 40m long, with automatic
  700. doors at either end, that can be opened and closed simultaneously by a
  701. switch. You also have a pole, 80m long, which of course won't fit in the
  702. barn. 
  703.  
  704.     Now someone takes the pole and tries to run (at nearly the speed of
  705. light) through the barn with the pole horizontal.  Special Relativity (SR)
  706. says that a moving object is contracted in the direction of motion: this is
  707. called the Lorentz Contraction.  So, if the pole is set in motion
  708. lengthwise, then it will contract in the reference frame of a stationary
  709. observer. 
  710.  
  711.     You are that observer, sitting on the barn roof.  You see the pole
  712. coming towards you, and it has contracted to a bit less than 40m. So, as
  713. the pole passes through the barn, there is an instant when it is completely
  714. within the barn.  At that instant, you close both doors.  Of course, you
  715. open them again pretty quickly, but at least momentarily you had the
  716. contracted pole shut up in your barn.  The runner emerges from the far door
  717. unscathed. 
  718.  
  719.     But consider the problem from the point of view of the runner.  She
  720. will regard the pole as stationary, and the barn as approaching at high
  721. speed. In this reference frame, the pole is still 80m long, and the barn
  722. is less than 20 meters long.  Surely the runner is in trouble if the doors 
  723. close while she is inside.  The pole is sure to get caught. 
  724.  
  725.     Well does the pole get caught in the door or doesn't it?  You can't
  726. have it both ways.  This is the "Barn-pole paradox."  The answer is buried
  727. in the misuse of the word "simultaneously" back in the first sentence of
  728. the story.  In SR, that events separated in space that appear simultaneous
  729. in one frame of reference need not appear simultaneous in another frame of
  730. reference. The closing doors are two such separate events. 
  731.  
  732.     SR explains that the two doors are never closed at the same time in
  733. the runner's frame of reference.  So there is always room for the pole.  In
  734. fact, the Lorentz transformation for time is t'=(t-v*x/c^2)/sqrt(1-v^2/c^2).
  735. It's the v*x term in the numerator that causes the mischief here.  In the
  736. runner's frame the further event (larger x) happens earlier.  The far door 
  737. is closed first.  It opens before she gets there, and the near door closes 
  738. behind her. Safe again - either way you look at it, provided you remember 
  739. that simultaneity is not a constant of physics. 
  740.  
  741. References:  Taylor and Wheeler's _Spacetime Physics_ is the classic. 
  742. Feynman's _Lectures_ are interesting as well.
  743.  
  744. ********************************************************************************
  745. Item 8. Special Relativistic Paradoxes - part (b) 
  746.  
  747. The Twin Paradox                                updated 17-AUG-1992 by SIC
  748. ----------------                                original by Kurt Sonnenmoser
  749.  
  750. A Short Story about Space Travel:
  751.  
  752.     Two twins, conveniently named A and B, both know the rules of
  753. Special Relativity.  One of them, B, decides to travel out into space with
  754. a velocity near the speed of light for a time T, after which she returns to
  755. Earth. Meanwhile, her boring sister A sits at home posting to Usenet all
  756. day.  When A finally comes home, what do the two sisters find?  Special
  757. Relativity (SR) tells A that time was slowed down for the relativistic
  758. sister, B, so that upon her return to Earth, she knows that B will be
  759. younger than she is, which she suspects was the the ulterior motive of the
  760. trip from the start. 
  761.  
  762.     But B sees things differently.  She took the trip just to get away 
  763. from the conspiracy theorists on Usenet, knowing full well that from her 
  764. point of view, sitting in the spaceship, it would be her sister, A, who 
  765. was travelling ultrarelativistically for the whole time, so that she would 
  766. arrive home to find that A was much younger than she was.  Unfortunate, but 
  767. worth it just to get away for a while. 
  768.  
  769.     What are we to conclude?  Which twin is really younger?  How can SR
  770. give two answers to the same question?  How do we avoid this apparent
  771. paradox? Maybe twinning is not allowed in SR?  Read on. 
  772.  
  773. Paradox Resolved:
  774.  
  775.     Much of the confusion surrounding the so-called Twin Paradox
  776. originates from the attempts to put the two twins into different frames ---
  777. without the useful concept of the proper time of a moving body. 
  778.  
  779.     SR offers a conceptually very clear treatment of this problem.
  780. First chose _one_ specific inertial frame of reference; let's call it S.
  781. Second define the paths that A and B take, their so-called world lines. As
  782. an example, take (ct,0,0,0) as representing the world line of A, and
  783. (ct,f(t),0,0) as representing the world line of B (assuming that the the
  784. rest frame of the Earth was inertial). The meaning of the above notation is
  785. that at time t, A is at the spatial location (x1,x2,x3)=(0,0,0) and B is at
  786. (x1,x2,x3)=(f(t),0,0) --- always with respect to S. 
  787.  
  788.     Let us now assume that A and B are at the same place at the time t1
  789. and again at a later time t2, and that they both carry high-quality clocks
  790. which indicate zero at time t1. High quality in this context means that the
  791. precision of the clock is independent of acceleration. [In principle, a
  792. bunch of muons provides such a device (unit of time: half-life of their
  793. decay).] 
  794.  
  795.     The correct expression for the time T such a clock will indicate at
  796. time t2 is the following [the second form is slightly less general than the
  797. first, but it's the good one for actual calculations]: 
  798.  
  799.             t2          t2      _______________ 
  800.             /           /      /             2 |
  801.       T  =  | d\tau  =  | dt \/  1 - [v(t)/c]              (1)
  802.             /           /
  803.           t1          t1
  804.  
  805. where d\tau is the so-called proper-time interval, defined by
  806.  
  807.               2         2      2      2      2
  808.      (c d\tau)  = (c dt)  - dx1  - dx2  - dx3 .
  809.  
  810. Furthermore,
  811.                    d                          d
  812.            v(t) = -- (x1(t), x2(t), x3(t)) = -- x(t)
  813.                   dt                         dt
  814.  
  815. is the velocity vector of the moving object. The physical interpretation
  816. of the proper-time interval, namely that it is the amount the clock time
  817. will advance if the clock moves by dx during dt, arises from considering
  818. the inertial frame in which the clock is at rest at time t --- its
  819. so-called momentary rest frame (see the literature cited below). [Notice
  820. that this argument is only of a heuristic value, since one has to assume
  821. that the absolute value of the acceleration has no effect. The ultimate
  822. justification of this interpretation must come from experiment.]
  823.  
  824.     The integral in (1) can be difficult to evaluate, but certain
  825. important facts are immediately obvious. If the object is at rest with
  826. respect to S, one trivially obtains T = t2-t1. In all other cases, T must
  827. be strictly smaller than t2-t1, since the integrand is always less than or
  828. equal to unity. Conclusion: the traveling twin is younger. Furthermore, if
  829. she moves with constant velocity v most of the time (periods of
  830. acceleration short compared to the duration of the whole trip), T will
  831. approximately be given by      ____________                              
  832.                               /          2 | 
  833.                     (t2-t1) \/  1 - [v/c]    .             (2)
  834.  
  835. The last expression is exact for a round trip (e.g. a circle) with constant
  836. velocity v. [At the times t1 and t2, twin B flies past twin A and they
  837. compare their clocks.] 
  838.  
  839.     Now the big deal with SR, in the present context, is that T (or
  840. d\tau, respectively) is a so-called Lorentz scalar. In other words, its
  841. value does not depend on the choice of S. If we Lorentz transform the
  842. coordinates of the world lines of the twins to another inertial frame S',
  843. we will get the same result for T in S' as in S. This is a mathematical
  844. fact. It shows that the situation of the traveling twins cannot possibly
  845. lead to a paradox _within_ the framework of SR. It could at most be in
  846. conflict with experimental results, which is also not the case. 
  847.  
  848.     Of course the situation of the two twins is not symmetric, although
  849. one might be tempted by expression (2) to think the opposite. Twin A is
  850. at rest in one and the same inertial frame for all times, whereas twin B
  851. is not.  [Formula (1) does not hold in an accelerated frame.]  This breaks 
  852. the apparent symmetry of the two situations, and provides the clearest
  853. nonmathematical hint that one twin will in fact be younger than the other
  854. at the end of the trip.  To figure out *which* twin is the younger one, use
  855. the formulae above in a frame in which they are valid, and you will find
  856. that B is in fact younger, despite her expectations. 
  857.  
  858.     It is sometimes claimed that one has to resort to General
  859. Relativity in order to "resolve" the Twin "Paradox". This is not true. In
  860. flat, or nearly flat space-time (no strong gravity), SR is completely
  861. sufficient, and it has also no problem with world lines corresponding to
  862. accelerated motion. 
  863.  
  864. References: 
  865.         Taylor and Wheeler, _Spacetime Physics_  (An *excellent* discussion)
  866.         Goldstein, _Classical Mechanics_, 2nd edition, Chap.7 (for a good 
  867.         general discussion of Lorentz transformations and other SR basics.) 
  868.  
  869. ********************************************************************************
  870. Item 8. Special Relativistic Paradoxes - part (c) 
  871.  
  872. The Superluminal Scissors                              updated 31-MAR-1993 
  873. -------------------------                        
  874.  
  875.     A Gedankenexperiment:
  876.  
  877.     Imagine a huge pair of scissors, with blades one light-year long.
  878. The handle is only about two feet long, creating a huge lever arm,
  879. initially open by a few degrees.  Then you suddenly close the scissors. 
  880. This action takes about a tenth of a second.  Doesn't the contact point
  881. where the two blades touch move down the blades *much* faster than the
  882. speed of light? After all, the scissors close in a tenth of a second, but
  883. the blades are a light-year long.  That seems to mean that the contact
  884. point has moved down the blades at the remarkable speed of 10 light-years
  885. per second.  This is more than 10^8 times the speed of light!  But this
  886. seems to violate the most important rule of Special Relativity - no signal
  887. can travel faster than the speed of light.  What's going on here? 
  888.  
  889.     Explanation:
  890.  
  891.     We have mistakenly assumed that the scissors do in fact close when
  892. you close the handle.  But, in fact, according to Special Relativity, this
  893. is not at all what happens.  What *does* happen is that the blades of the
  894. scissors flex.  No matter what material you use for the scissors, SR sets a
  895. theoretical upper limit to the rigidity of the material.  In short, when
  896. you close the scissors, they bend. 
  897.  
  898.     The point at which the blades bend propagates down the blade at
  899. some speed less than the speed of light.  On the near side of this point,
  900. the scissors are closed.  On the far side of this point, the scissors
  901. remain open.  You have, in fact, sent a kind of wave down the scissors,
  902. carrying the information that the scissors have been closed.  But this wave
  903. does not travel faster than the speed of light.  It will take at least one
  904. year for the tips of the blades, at the far end of the scissors, to feel
  905. any force whatsoever, and, ultimately, to come together to completely close
  906. the scissors. 
  907.  
  908.     As a practical matter, this theoretical upper limit to the rigidity
  909. of the metal in the scissors is *far* higher than the rigidity of any real
  910. material, so it would, in practice, take much much longer to close a real
  911. pair of metal scissors with blades as long as these. 
  912.  
  913.     One can analyze this problem microscopically as well.  The
  914. electromagnetic force which binds the atoms of the scissors together
  915. propagates at the speeds of light. So if you displace some set of atoms in
  916. the scissor (such as the entire handles), the force will not propagate down
  917. the scissor instantaneously, This means that a scissor this big *must*
  918. cease to act as a rigid body. You can move parts of it without other parts
  919. moving at the same time. It takes some finite time for the changing forces
  920. on the scissor to propagate from atom to atom, letting the far tip of the
  921. blades "know" that the scissors have been closed. 
  922.  
  923.     Caveat:
  924.  
  925.     The contact point where the two blades meet is not a physical
  926. object.  So there is no fundamental reason why it could not move faster
  927. than the speed of light, provided that you arrange your experiment correctly.
  928. In fact it can be done with scissors provided that your scissors are short
  929. enough and wide open to start, very different conditions than those spelled
  930. out in the gedankenexperiment above.  In this case it will take you quite
  931. a while to bring the blades together - more than enough time for light to
  932. travel to the tips of the scissors.  When the blades finally come together,
  933. if they have the right shape, the contact point can indeed move faster
  934. than light.  
  935.  
  936.     Think about the simpler case of two rulers pinned together at an 
  937. edge point at the ends.  Slam the two rulers together and the contact point
  938. will move infinitely fast to the far end of the rulers at the instant
  939. they touch.  So long as the rulers are short enough that contact does not
  940. happen until the signal propagates to the far ends of the rulers, the 
  941. rulers will indeed be straight when they meet.  Only if the rulers are
  942. too long will they be bent like our very long scissors, above, when they
  943. touch.  The contact point can move faster than the speed of light, but
  944. the energy (or signal) of the closing force can not.
  945.  
  946.     An analogy, equivalent in terms of information content, is, say, a 
  947. line of strobe lights.  You want to light them up one at a time, so that 
  948. the `bright' spot travels faster than light.  To do so, you can send a 
  949. _luminal_ signal down the line, telling each strobe light to wait a 
  950. little while before flashing.  If you decrease the wait time with
  951. each successive strobe light, the apparent bright spot will travel faster
  952. than light, since the strobes on the end didn't wait as long after getting
  953. the go-ahead, as did the ones at the beginning.  But the bright spot
  954. can't pass the original signal, because then the strobe lights wouldn't
  955. know to flash.
  956.  
  957. ********************************************************************************
  958. Item 9.
  959.  
  960. The Particle Zoo                                updated 9-OCT-1992 by SIC
  961. ----------------                                original by Matt Austern
  962.  
  963.     If you look in the Particle Data Book, you will find more than 150
  964. particles listed there.  It isn't quite as bad as that, though... 
  965.  
  966.     The particles are in three categories: leptons, mesons, and
  967. baryons. Leptons are particle that are like the electron: they are
  968. spin-1/2, and they do not undergo the strong interaction.  There are three
  969. charged leptons, the electron, muon, and tau, and three neutral leptons, or
  970. neutrinos.  (The muon and the tau are both short-lived.) 
  971.  
  972.     Mesons and baryons both undergo strong interactions.  The
  973. difference is that mesons have integral spin (0, 1,...), while baryons have
  974. half-integral spin (1/2, 3/2,...).  The most familiar baryons are the
  975. proton and the neutron; all others are short-lived.  The most familiar
  976. meson is the pion; its lifetime is 26 nanoseconds, and all other mesons
  977. decay even faster. 
  978.  
  979.     Most of those 150+ particles are mesons and baryons, or,
  980. collectively, hadrons.  The situation was enormously simplified in the
  981. 1960s by the "quark model," which says that hadrons are made out of
  982. spin-1/2 particles called quarks.  A meson, in this model, is made out of a
  983. quark and an anti-quark, and a baryon is made out of three quarks.  We
  984. don't see free quarks (they are bound together too tightly), but only
  985. hadrons; nevertheless, the evidence for quarks is compelling. Quark masses 
  986. are not very well defined, since they are not free particles, but we can 
  987. give estimates.  The masses below are in GeV; the first is current mass 
  988. and the second constituent mass (which includes some of the effects of the 
  989. binding energy):
  990.  
  991.       Generation:       1             2            3
  992.       U-like:     u=.006/.311   c=1.50/1.65   t=91-200/91-200
  993.       D-like:     d=.010/.315   s=.200/.500   b=5.10/5.10
  994.  
  995.     In the quark model, there are only 12 elementary particles, which
  996. appear in three "generations."  The first generation consists of the up
  997. quark, the down quark, the electron, and the electron neutrino. (Each of
  998. these also has an associated antiparticle.)  These particles make up all of
  999. the ordinary matter we see around us.  There are two other generations,
  1000. which are essentially the same, but with heavier particles.  The second
  1001. consists of the charm quark, the strange quark, the muon, and the muon
  1002. neutrino; and the third consists of the top quark, the bottom quark, the
  1003. tau, and the tau neutrino.  (The top has not been directly observed; see
  1004. the "Top Quark" FAQ entry for details.)  These three generations are 
  1005. sometimes called the "electron family", the "muon family", and the "tau 
  1006. family." 
  1007.  
  1008.     Finally, according to quantum field theory, particles interact by
  1009. exchanging "gauge bosons," which are also particles.  The most familiar on
  1010. is the photon, which is responsible for electromagnetic interactions. 
  1011. There are also eight gluons, which are responsible for strong interactions,
  1012. and the W+, W-, and Z, which are responsible for weak interactions. 
  1013.  
  1014. The picture, then, is this:
  1015.  
  1016.                 FUNDAMENTAL PARTICLES OF MATTER
  1017.   Charge        -------------------------
  1018.     -1          |  e    |  mu   |  tau  |
  1019.      0          | nu(e) |nu(mu) |nu(tau)|
  1020.                 -------------------------       + antiparticles
  1021.    -1/3         | down  |strange|bottom |
  1022.     2/3         |  up   | charm |  top  |
  1023.                 -------------------------
  1024.  
  1025.                         GAUGE BOSONS
  1026.   Charge                                                Force
  1027.      0                  photon                          electromagnetism
  1028.      0                  gluons (8 of them)              strong force
  1029.     +-1                 W+ and W-                       weak force
  1030.      0                  Z                               weak force
  1031.  
  1032.     The Standard Model of particle physics also predict the
  1033. existence of a "Higgs boson," which has to do with breaking a symmetry
  1034. involving these forces, and which is responsible for the masses of all the
  1035. other particles.  It has not yet been found.  More complicated theories
  1036. predict additional particles, including, for example, gauginos and sleptons
  1037. and squarks (from supersymmetry), W' and Z' (additional weak bosons), X and
  1038. Y bosons (from GUT theories), Majorons, familons, axions, paraleptons,
  1039. ortholeptons, technipions (from technicolor models), B' (hadrons with
  1040. fourth generation quarks), magnetic monopoles, e* (excited leptons), etc. 
  1041. None of these "exotica" have yet been seen.  The search is on! 
  1042.  
  1043. REFERENCES:
  1044.  
  1045.     The best reference for information on which particles exist, their
  1046. masses, etc., is the Particle Data Book.  It is published every two years;
  1047. the most recent edition is Physical Review D Vol.45 No.11 (1992). 
  1048.  
  1049.     There are several good books that discuss particle physics on a
  1050. level accessible to anyone who knows a bit of quantum mechanics.  One is
  1051. _Introduction to High Energy Physics_, by Perkins.  Another, which takes a
  1052. more historical approach and includes many original papers, is
  1053. _Experimental Foundations of Particle Physics_, by Cahn and Goldhaber. 
  1054.  
  1055.     For a book that is accessible to non-physicists, you could try _The
  1056. Particle Explosion_ by Close, Sutton, and Marten.  This book has fantastic
  1057. photography. 
  1058.  
  1059. ********************************************************************************
  1060. Item 10.
  1061.  
  1062. Olbers' Paradox                                updated: 24-JAN-1993 by SIC
  1063. ---------------
  1064.  
  1065.     Why isn't the night sky as uniformly bright as the surface of the
  1066. Sun? If the Universe has infinitely many stars, then it should be.  After
  1067. all, if you move the Sun twice as far away from us, we will intercept
  1068. one-fourth as many  photons, but the Sun will subtend one-fourth of the
  1069. angular area.  So the areal intensity remains constant.  With infinitely
  1070. many stars, every angular element of the sky should have a star, and the
  1071. entire heavens should be a bright as the sun.  We should have the
  1072. impression that we live in the center of a hollow black body whose
  1073. temperature is about 6000 degrees Centigrade.   This is Olbers' paradox.  
  1074. It can be traced as far back as Kepler in 1610.  It was rediscussed by 
  1075. Halley and Cheseaux in the eighteen century, but was not popularized as 
  1076. a paradox until Olbers took up the issue in the nineteenth century.
  1077.  
  1078.     There are many possible explanations which have been considered. 
  1079. Here are a few: 
  1080.         (1) There's too much dust to see the distant stars.
  1081.         (2) The Universe has only a finite number of stars.
  1082.         (3) The distribution of stars is not uniform.  So, for example,
  1083.             there could be an infinity of stars, but they hide behind one
  1084.             another so that only a finite angular area is subtended by them. 
  1085.         (4) The Universe is expanding, so distant stars are red-shifted into
  1086.             obscurity.
  1087.         (5) The Universe is young.  Distant light hasn't even reached us yet.
  1088.  
  1089.     The first explanation is just plain wrong.  In a black body, the
  1090. dust will  heat up too.  It does act like a radiation shield, exponentially
  1091. damping the  distant starlight.  But you can't put enough dust into the
  1092. universe to get rid of enough starlight without also obscuring our own Sun.
  1093. So this idea is bad. 
  1094.  
  1095.     The premise of the second explanation may technically be correct.
  1096. But the number of stars, finite as it might be, is still large enough to 
  1097. light up the entire sky, i.e., the total amount of luminous matter  in the 
  1098. Universe is too large to allow this escape.  The number of stars is close 
  1099. enough to infinite for the purpose of lighting up the sky.  The third 
  1100. explanation might be partially correct.  We just don't know.  If the stars 
  1101. are distributed fractally, then there could be large patches of empty space, 
  1102. and the sky could appear dark except in small areas. 
  1103.  
  1104.     But the final two possibilities are are surely each correct and
  1105. partly responsible.  There are numerical arguments that suggest that the
  1106. effect of the finite age of the Universe is the larger effect.  We live
  1107. inside a spherical shell of "Observable Universe" which has radius equal to
  1108. the lifetime of the Universe.  Objects more than about 15 billions years
  1109. old are too far away for their light ever to reach us. 
  1110.  
  1111.     Historically, after Hubble discovered that the Universe was
  1112. expanding, but before the Big Bang was firmly established by the discovery
  1113. of the cosmic background radiation, Olbers' paradox was presented as proof
  1114. of special relativity.  You needed the red-shift (an SR effect) to get rid
  1115. of the starlight.  This effect certainly contributes.  But the finite age
  1116. of the Universe is the most important effect. 
  1117.  
  1118. References:  Ap. J. _367_, 399 (1991). The author, Paul Wesson, is said to
  1119. be on a personal crusade to end the confusion surrounding Olbers' paradox. 
  1120.  
  1121. _Darkness at Night: A Riddle of the Universe_, Edward Harrison, Harvard
  1122. University Press, 1987
  1123.  
  1124. ********************************************************************************
  1125. Item 11.
  1126.  
  1127. What is Dark Matter?                            updated 11-MAY-1993 by SIC
  1128. --------------------
  1129.  
  1130.     The story of dark matter is best divided into two parts.  First we
  1131. have the reasons that we know that it exists.  Second is the collection of
  1132. possible explanations as to what it is. 
  1133.  
  1134. Why the Universe Needs Dark Matter
  1135. ----------------------------------
  1136.  
  1137.     We believe that that the Universe is critically balanced between
  1138. being open and closed.  We derive this fact from the observation of the
  1139. large scale structure of the Universe.  It requires a certain amount of
  1140. matter to accomplish this result.  Call it M. 
  1141.  
  1142.     We can estimate the total BARYONIC matter of the universe by
  1143. studying Big Bang nucleosynthesis.  This is done by connecting the observed
  1144. He/H ratio of the Universe today to the amount of baryonic matter present
  1145. during the early hot phase when most of the helium was produced.  Once the 
  1146. temperature of the Universe dropped below the neutron-proton mass difference, 
  1147. neutrons began decaying into protons.  If the early baryon density was low, 
  1148. then it was hard for a proton to find a neutron with which to make helium 
  1149. before too many of the neutrons decayed away to account for the amount of 
  1150. helium we see today.  So by measuring the He/H ratio today, we can estimate 
  1151. the necessary baryon density shortly after the Big Bang, and, consequently, 
  1152. the total number of baryons today.  It turns out that you need about 0.05 M 
  1153. total baryonic matter to account for the known ratio of light isotopes.  So 
  1154. only 1/20 of the total mass of they Universe is baryonic matter.
  1155.  
  1156.     Unfortunately, the best estimates of the total mass of everything
  1157. that we can see with our telescopes is roughly 0.01 M.  Where is the other
  1158. 99% of the stuff of the Universe?  Dark Matter!
  1159.  
  1160.     So there are two conclusions.  We only see 0.01 M out of 0.05 M 
  1161. baryonic matter in the Universe.  The rest must be in baryonic dark matter
  1162. halos surrounding galaxies.  And there must be some non-baryonic dark matter 
  1163. to account for the remaining 95% of the matter required to give omega, the 
  1164. mass of universe, in units of critical mass, equal to unity. 
  1165.  
  1166.     For those who distrust the conventional Big Bang models, and don't
  1167. want to rely upon fancy cosmology to derive the presence of dark matter,
  1168. there are other more direct means.   It has been observed in clusters of
  1169. galaxies that the motion of galaxies within a cluster suggests that they
  1170. are bound by a total gravitational force due to about 5-10 times as much
  1171. matter as can be accounted for from luminous matter in said galaxies.  And 
  1172. within an individual galaxy, you can measure the rate of rotation of the
  1173. stars about the galactic center of rotation.  The resultant "rotation
  1174. curve" is simply related to the distribution of matter in the galaxy.  The
  1175. outer stars in galaxies seem to rotate too fast for the amount of matter
  1176. that we see in the galaxy.  Again, we need about 5 times more matter than
  1177. we can see via electromagnetic radiation.  These results can be explained
  1178. by assuming that there is a "dark matter halo" surrounding every galaxy. 
  1179.  
  1180. What is Dark Matter
  1181. -------------------
  1182.  
  1183.     This is the open question.  There are many possibilities, and
  1184. nobody really knows much about this yet.  Here are a few of the many
  1185. published suggestions, which are being currently hunted for by
  1186. experimentalists all over the world.  Remember, you need at least one
  1187. baryonic candidate and one non-baryonic candidate to make everything
  1188. work out, so there there may be more than one correct choice among 
  1189. the possibilities given here. 
  1190.  
  1191. (1) Normal matter which has so far eluded our gaze, such as 
  1192.         (a) dark galaxies
  1193.         (b) brown dwarfs
  1194.         (c) planetary material (rock, dust, etc.)
  1195.  
  1196. (2) Massive Standard Model neutrinos.  If any of the neutrinos are massive,
  1197. then this could be the missing mass.  On the other hand, if they are 
  1198. too heavy, like the purported 17 KeV neutrino would have been, massive
  1199. neutrinos create almost as many problems as they solve in this regard. 
  1200.  
  1201. (3) Exotica (See the "Particle Zoo" FAQ entry for some details)
  1202.  
  1203.     Massive exotica would provide the missing mass.  For our purposes, 
  1204. these fall into two classes: those which have been proposed for other
  1205. reasons but happen to solve the dark matter problem, and those which have
  1206. been proposed specifically to provide the missing dark matter. 
  1207.  
  1208.     Examples of objects in the first class are axions, additional
  1209. neutrinos, supersymmetric particles, and a host of others. Their properties
  1210. are constrained by the theory which predicts them, but by virtue of their
  1211. mass, they solve the dark matter problem if they exist in the correct
  1212. abundance. 
  1213.  
  1214.     Particles in the second class are generally classed in loose groups. 
  1215. Their properties are not specified, but they are merely required to be
  1216. massive and have other properties such that they would so far have eluded
  1217. discovery in the many experiments which have looked for new particles. 
  1218. These include WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), CHAMPS, and a
  1219. host of others. 
  1220.  
  1221. References:  _Dark Matter in the Universe_ (Jerusalem Winter School for
  1222. Theoretical Physics, 1986-7), J.N. Bahcall, T. Piran, & S. Weinberg editors.
  1223. _Dark Matter_ (Proceedings of the XXIIIrd Recontre de Moriond) J. Audouze and 
  1224. J. Tran Thanh Van. editors.
  1225.  
  1226. ********************************************************************************
  1227. Item 12.
  1228.  
  1229. Hot Water Freezes Faster than Cold!             updated 11-May-1992 by SIC
  1230. -----------------------------------             original by Richard M. Mathews
  1231.  
  1232.     You put two pails of water outside on a freezing day.  One has hot
  1233. water (95 degrees C) and the other has an equal amount of colder water (50
  1234. degrees C).  Which freezes first?  The hot water freezes first!  Why?  
  1235.  
  1236.     It is commonly argued that the hot water will take some time to
  1237. reach the initial temperature of the cold water, and then follow the same
  1238. cooling curve.  So it seems at first glance difficult to believe that the
  1239. hot water freezes first.  The answer lies mostly in evaporation. The effect
  1240. is definitely real and can be duplicated in your own kitchen. 
  1241.  
  1242.     Every "proof" that hot water can't freeze faster assumes that the
  1243. state of the water can be described by a single number.  Remember that
  1244. temperature is a function of position.  There are also other factors
  1245. besides temperature, such as motion of the water, gas content, etc. With
  1246. these multiple parameters, any argument based on the hot water having to
  1247. pass through the initial state of the cold water before reaching the
  1248. freezing point will fall apart.  The most important factor is evaporation.
  1249.  
  1250.     The cooling of pails without lids is partly Newtonian and partly by
  1251. evaporation of the contents.  The proportions depend on the walls and on
  1252. temperature.  At sufficiently high temperatures evaporation is more
  1253. important.  If equal masses of water are taken at two starting
  1254. temperatures, more rapid evaporation from the hotter one may diminish its
  1255. mass enough to compensate for the greater temperature range it must cover
  1256. to reach freezing.  The mass lost when cooling is by evaporation is not
  1257. negligible. In one experiment, water cooling from 100C lost 16% of its mass
  1258. by 0C, and lost a further 12% on freezing, for a total loss of 26%. 
  1259.  
  1260.     The cooling effect of evaporation is twofold.  First, mass is
  1261. carried off so that less needs to be cooled from then on.  Also,
  1262. evaporation carries off the hottest molecules, lowering considerably the
  1263. average kinetic energy of the molecules remaining. This is why "blowing on
  1264. your soup" cools it.  It encourages evaporation by removing the water vapor
  1265. above the soup. 
  1266.  
  1267.     Thus experiment and theory agree that hot water freezes faster than
  1268. cold for sufficiently high starting temperatures, if the cooling is by
  1269. evaporation.  Cooling in a wooden pail or barrel is mostly by evaporation. 
  1270. In fact, a wooden bucket of water starting at 100C would finish freezing in
  1271. 90% of the time taken by an equal volume starting at room temperature. The
  1272. folklore on this matter may well have started a century or more ago when
  1273. wooden pails were usual.  Considerable heat is transferred through the
  1274. sides of metal pails, and evaporation no longer dominates the cooling, so
  1275. the belief is unlikely to have started from correct observations after
  1276. metal pails became common. 
  1277.  
  1278. References: 
  1279.        "Hot water freezes faster than cold water.  Why does it do so?",
  1280.         Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American,
  1281.         Vol. 237, No. 3, pp 246-257; September, 1977.
  1282.  
  1283.        "The Freezing of Hot and Cold Water", G.S. Kell in American
  1284.         Journal of Physics, Vol. 37, No. 5, pp 564-565; May, 1969.
  1285.  
  1286. ********************************************************************************
  1287. Item 13.
  1288.  
  1289. Why are Golf Balls Dimpled?                     updated 17-NOV-1993 by CDF
  1290. ---------------------------                     original by Craig DeForest
  1291.  
  1292.     The dimples, paradoxically, *do* increase drag slightly.  But they 
  1293. also increase `Magnus lift', that peculiar lifting force experienced by 
  1294. rotating bodies travelling through a medium.  Contrary to Freshman physics, 
  1295. golf balls do not travel in inverted parabolas.  They follow an 'impetus 
  1296. trajectory':
  1297.  
  1298.                                     *    *       
  1299.                               *             *
  1300. (golfer)                *                    *
  1301.                   *                          * <-- trajectory
  1302.  \O/        *                                *
  1303.   |   *                                      *
  1304. -/ \-T---------------------------------------------------------------ground
  1305.  
  1306.     This is because of the combination of drag (which reduces
  1307. horizontal speed late in the trajectory) and Magnus lift, which supports
  1308. the ball during the initial part of the trajectory, making it relatively
  1309. straight.  The trajectory can even curve upwards at first, depending on
  1310. conditions!  Here is a cheesy diagram of a golf ball in flight, with some
  1311. relevant vectors: 
  1312.  
  1313.                              F(magnus)
  1314.                              ^
  1315.                              |
  1316.                 F(drag) <--- O -------> V 
  1317.                           \     
  1318.                            \----> (sense of rotation)
  1319.  
  1320.     The Magnus force can be thought of as due to the relative drag on
  1321. the air on the top and bottom portions of the golf ball: the top portion is
  1322. moving slower relative to the air around it, so there is less drag on the
  1323. air that goes over the ball.  The boundary layer is relatively thin, and
  1324. air in the not-too-near region moves rapidly relative to the ball.  The
  1325. bottom portion moves fast relative to the air around it; there is more drag
  1326. on the air passing by the bottom, and the boundary (turbulent) layer is
  1327. relatively thick; air in the not-too-near region moves more slowly relative
  1328. to the ball. The Bernoulli force produces lift. (alternatively, one could
  1329. say that `the flow lines past the ball are displaced down, so the ball is
  1330. pushed up.') 
  1331.  
  1332.     The difficulty comes near the transition region between laminar
  1333. flow and turbulent flow.  At low speeds, the flow around the ball is
  1334. laminar.  As speed is increased, the bottom part tends to go turbulent
  1335. *first*.  But turbulent flow can follow a surface much more easily than
  1336. laminar flow. 
  1337.  
  1338.     As a result, the (laminar) flow lines around the top break away
  1339. from the surface sooner than otherwise, and there is a net displacement
  1340. *up* of the flow lines.  The magnus lift goes *negative*. 
  1341.  
  1342.     The dimples aid the rapid formation of a turbulent boundary layer
  1343. around the golf ball in flight, giving more lift.  Without 'em, the ball
  1344. would travel in more of a parabolic trajectory, hitting the ground sooner.
  1345. (and not coming straight down.) 
  1346.  
  1347. References: 
  1348.  
  1349. Lord Rayleigh, "On the Irregular Flight of a Tennis Ball", _Scientific 
  1350. Papers I_, p. 344
  1351.  
  1352. Briggs Lyman J., "Effect of Spin and Speed on the Lateral Deflection of 
  1353. a Baseball; and the Magnus Effect for Smooth Spheres", Am. J. Phys. _27_, 
  1354. 589 (1959). [Briggs was trying to explain the mechanism behind the `curve 
  1355. ball' in baseball, using specialized apparatus in a wind tunnel at the NBS.  
  1356. He stumbled on the reverse effect by accident, because his model `baseball'
  1357. had no stitches on it. The stitches on a baseball create turbulence in
  1358. flight in much the same way that the dimples on a golf ball do.] 
  1359.  
  1360. R. Watts and R. Ferver, "The Lateral Force on a Spinning Sphere" Aerodynamics
  1361. of a Curveball", Am. J. Phys. _55_, 40 (1986)
  1362.  
  1363. ********************************************************************************
  1364. Item 14.
  1365.                                                 updated 4-SEP-1992 by SIC
  1366.                                                 Original by Bill Johnson
  1367. How to Change Nuclear Decay Rates
  1368. ---------------------------------
  1369.  
  1370. "I've had this idea for making radioactive nuclei decay faster/slower than
  1371. they normally do.  You do [this, that, and the other thing].  Will this work?" 
  1372.  
  1373. Short Answer: Possibly, but probably not usefully.
  1374.  
  1375. Long Answer:
  1376.  
  1377.     "One of the paradigms of nuclear science since the very early days
  1378. of its study has been the general understanding that the half-life, or
  1379. decay constant, of a radioactive substance is independent of extranuclear
  1380. considerations."  (Emery, cited below.)  Like all paradigms, this one is
  1381. subject to some interpretation. Normal decay of radioactive stuff proceeds
  1382. via one of four mechanisms: 
  1383.  
  1384.     * Emission of an alpha particle -- a helium-4 nucleus -- reducing
  1385.     the number of protons and neutrons present in the parent nucleus 
  1386.     by two each; 
  1387.     * "Beta decay," encompassing several related phenomena in which a
  1388.     neutron in the nucleus turns into a proton, or a proton turns into 
  1389.     a neutron -- along with some other things including emission of 
  1390.     a neutrino.  The "other things", as we shall see, are at the bottom
  1391.     of several questions involving perturbation of decay rates; 
  1392.     * Emission of one or more gamma rays -- energetic photons -- that
  1393.     take a nucleus from an excited state to some other (typically
  1394.     ground) state; some of these photons may be replaced by 
  1395.     "conversion electrons," of which more shortly; or 
  1396.     *Spontaneous fission, in which a sufficiently heavy nucleus simply
  1397.     breaks in half.  Most of the discussion about alpha particles will
  1398.     also apply to spontaneous fission.
  1399.  
  1400. Gamma emission often occurs from the daughter of one of the other decay
  1401. modes.  We neglect *very* exotic processes like C-14 emission or double
  1402. beta decay in this analysis. 
  1403.  
  1404.     "Beta decay" refers most often to a nucleus with a neutron excess,
  1405. which decays by converting a neutron into a proton:
  1406.  
  1407.          n ----> p + e- + anti-nu(e),
  1408.  
  1409. where n means neutron, p means proton, e- means electron, and anti-nu(e) 
  1410. means an antineutrino of the electron type.  The type of beta decay which
  1411. involves destruction of a proton is not familiar to many people, so
  1412. deserves a little elaboration.  Either of two processes may occur when this
  1413. kind of decay happens: 
  1414.  
  1415.         p ----> n + e+ + nu(e), 
  1416.  
  1417. where e+ means positron and nu(e) means electron neutrino; or
  1418.  
  1419.         p + e- ----> n + nu(e),
  1420.  
  1421. where e- means a negatively charged electron, which is captured from the
  1422. neighborhood of the nucleus undergoing decay.  These processes are called
  1423. "positron emission" and "electron capture," respectively.  A given nucleus
  1424. which has too many protons for stability may undergo beta decay through
  1425. either, and typically both, of these reactions. 
  1426.  
  1427.     "Conversion electrons" are produced by the process of "internal
  1428. conversion," whereby the photon that would normally be emitted in gamma
  1429. decay is *virtual* and its energy is absorbed by an atomic electron.  The
  1430. absorbed energy is sufficient to unbind the electron from the nucleus
  1431. (ignoring a few exceptional cases), and it is ejected from the atom as a
  1432. result. 
  1433.  
  1434.     Now for the tie-in to decay rates.  Both the electron-capture and
  1435. internal conversion phenomena require an electron somewhere close to the
  1436. decaying nucleus.  In any normal atom, this requirement is satisfied in
  1437. spades: the innermost electrons are in states such that their probability
  1438. of being close to the nucleus is both large and insensitive to things in
  1439. the environment.  The decay rate depends on the electronic wavefunctions,
  1440. i.e, how much of their time the inner electrons spend very near the 
  1441. nucleus -- but only very weakly. For most nuclides that decay by electron 
  1442. capture or internal conversion, most of the time, the probability of 
  1443. grabbing or converting an electron is also insensitive to the environment, 
  1444. as the innermost electrons are the ones most likely to get grabbed/converted. 
  1445.  
  1446.     However, there are exceptions, the most notable being the
  1447. the astrophysically important isotope beryllium-7.  Be-7 decays purely
  1448. by electron capture (positron emission being impossible because of
  1449. inadequate decay energy) with a half-life of somewhat over 50 days.  It has
  1450. been shown that differences in chemical environment result in half-life
  1451. variations of the order of 0.2%, and high pressures produce somewhat
  1452. similar changes. Other cases where known changes in decay rate occur are
  1453. Zr-89 and Sr-85, also electron capturers; Tc-99m ("m" implying an excited
  1454. state), which decays by both beta and gamma emission; and various other
  1455. "metastable" things that decay by gamma emission with internal conversion. 
  1456. With all of these other cases the magnitude of the effect is less than is
  1457. typically the case with Be-7. 
  1458.  
  1459.     What makes these cases special?  The answer is that one or another
  1460. of the usual starting assumptions -- insensitivity of electron wave
  1461. function near the nucleus to external forces, or availability of the
  1462. innermost electrons for capture/conversion -- are not completely valid. 
  1463. Atomic beryllium only has 4 electrons to begin with, so that the "innermost
  1464. electrons" are also practically the *outermost* ones and therefore much
  1465. more sensitive to chemical effects than usual.  With most of the other
  1466. cases, there is so little energy available from the decay (as little as a
  1467. few electron volts; compare most radioactive decays, where hundreds or
  1468. thousands of *kilo*volts are released), courtesy of accidents of nuclear
  1469. structure, that the innermost electrons can't undergo internal conversion. 
  1470. Remember that converting an electron requires dumping enough energy into it
  1471. to expel it from the atom (more or less); "enough energy," in context, is
  1472. typically some tens of keV, so they don't get converted at all in these
  1473. cases.  Conversion therefore works only on some of the outer electrons,
  1474. which again are more sensitive to the environment. 
  1475.  
  1476.     A real anomaly is the beta emitter Re-187.  Its decay energy is
  1477. only about 2.6 keV, practically nothing by nuclear standards.  "That this
  1478. decay occurs at all is an example of the effects of the atomic environment
  1479. on nuclear decay: the bare nucleus Re-187 [i.e., stripped of all orbital
  1480. electrons -- MWJ] is stable against beta decay and it is the difference of
  1481. 15 keV in the total electronic binding energy of osmium [to which it decays
  1482. -- MWJ] and rhenium ... which makes the decay possible" (Emery).  The
  1483. practical significance of this little peculiarity, of course, is low, as
  1484. Re-187 already has a half life of over 10^10 years. 
  1485.  
  1486.     Alpha decay and spontaneous fission might also be affected by
  1487. changes in the electron density near the nucleus, for a different reason. 
  1488. These processes occur as a result of penetration of the "Coulomb barrier"
  1489. that inhibits emission of charged particles from the nucleus, and their
  1490. rate is *very* sensitive to the height of the barrier.  Changes in the
  1491. electron density could, in principle, affect the barrier by some tiny
  1492. amount.  However, the magnitude of the effect is *very* small, according to
  1493. theoretical calculations; for a few alpha emitters, the change has been
  1494. estimated to be of the order of 1 part in 10^7 (!) or less, which would be
  1495. unmeasurable in view of the fact that the alpha emitters' half lives aren't
  1496. known to that degree of accuracy to begin with. 
  1497.  
  1498.     All told, the existence of changes in radioactive decay rates due
  1499. to the environment of the decaying nuclei is on solid grounds both
  1500. experimentally and theoretically.  But the magnitude of the changes is
  1501. nothing to get very excited about. 
  1502.  
  1503. Reference: The best review article on this subject is now 20 years old: G.
  1504. T. Emery, "Perturbation of Nuclear Decay Rates," Annual Review of Nuclear
  1505. Science vol. 22, p. 165 (1972).  Papers describing specific experiments are
  1506. cited in that article, which contains considerable arcane math but also
  1507. gives a reasonable qualitative "feel" for what is involved. 
  1508.  
  1509. ********************************************************************************
  1510. END OF FAQ PART 1/2
  1511.