home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Usenet 1994 October / usenetsourcesnewsgroupsinfomagicoctober1994disk1.iso / answers / physics-faq / part2 < prev    next >
Internet Message Format  |  1993-12-02  |  94KB

  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 2/2
  5. Followup-To: sci.physics
  6. Date: 2 Dec 1993 14:10 PST
  7. Organization: Lawrence Berkeley Laboratory - Berkeley, CA, USA
  8. Lines: 1718
  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: <2DEC199314103318@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 2/2
  20. News-Software: VAX/VMS VNEWS 1.41    
  21. Xref: senator-bedfellow.mit.edu sci.physics:68127 alt.sci.physics.new-theories:4663 news.answers:15408 sci.answers:698 alt.answers:1330
  22.  
  23. Archive-name: physics-faq/part2
  24. Last-modified: 1993/11/18
  25.  
  26. --------------------------------------------------------------------------------
  27.                FREQUENTLY ASKED QUESTIONS ON SCI.PHYSICS - Part 2/2
  28. --------------------------------------------------------------------------------
  29.  
  30. Item 15.
  31.  
  32. Some Frequently Asked Questions About Black Holes   updated 2-JUL-1993 by MM 
  33. -------------------------------------------------   original by Matt McIrvin
  34.  
  35. Contents:
  36.  
  37. 1. What is a black hole, really?
  38. 2. What happens to you if you fall in?
  39. 3. Won't it take forever for you to fall in?  Won't it take forever
  40.    for the black hole to even form? 
  41. 4. Will you see the universe end?
  42. 5. What about Hawking radiation?  Won't the black hole evaporate 
  43.    before you get there?
  44. 6. How does the gravity get out of the black hole?
  45. 7. Where did you get that information?
  46.  
  47. 1. What is a black hole, really?
  48.  
  49.     In 1916, when general relativity was new, Karl Schwarzschild worked
  50. out a useful solution to the Einstein equation describing the evolution of
  51. spacetime geometry.  This solution, a possible shape of spacetime, would
  52. describe the effects of gravity *outside* a spherically symmetric,
  53. uncharged, nonrotating object (and would serve approximately to describe
  54. even slowly rotating objects like the Earth or Sun).  It worked in much the
  55. same way that you can treat the Earth as a point mass for purposes of
  56. Newtonian gravity if all you want to do is describe gravity *outside* the
  57. Earth's surface. 
  58.  
  59.     What such a solution really looks like is a "metric," which is a
  60. kind of generalization of the Pythagorean formula that gives the length of
  61. a line segment in the plane.  The metric is a formula that may be used to
  62. obtain the "length" of a curve in spacetime.  In the case of a curve
  63. corresponding to the motion of an object as time passes (a "timelike
  64. worldline,") the "length" computed by the metric is actually the elapsed
  65. time experienced by an object with that motion.  The actual formula depends
  66. on the coordinates chosen in which to express things, but it may be
  67. transformed into various coordinate systems without affecting anything
  68. physical, like the spacetime curvature.  Schwarzschild expressed his metric
  69. in terms of coordinates which, at large distances from the object,
  70. resembled spherical coordinates with an extra coordinate t for time. 
  71. Another coordinate, called r, functioned as a radial coordinate at large
  72. distances; out there it just gave the distance to the massive object. 
  73.  
  74.     Now, at small radii, the solution began to act strangely.  There
  75. was a "singularity" at the center, r=0, where the curvature of spacetime
  76. was infinite.  Surrounding that was a region where the "radial" direction
  77. of decreasing r was actually a direction in *time* rather than in space.
  78. Anything in that region, including light, would be obligated to fall toward
  79. the singularity, to be crushed as tidal forces diverged. This was separated
  80. from the rest of the universe by a place where Schwarzschild's coordinates
  81. blew up, though nothing was wrong with the curvature of spacetime there. 
  82. (This was called the Schwarzschild radius.  Later, other coordinate systems
  83. were discovered in which the blow-up didn't happen; it was an artifact of
  84. the coordinates, a little like the problem of defining the longitude of the
  85. North Pole.  The physically important thing about the Schwarzschild radius
  86. was not the coordinate problem, but the fact that within it the direction
  87. into the hole became a direction in time.) 
  88.  
  89.     Nobody really worried about this at the time, because there was no
  90. known object that was dense enough for that inner region to actually be
  91. outside it, so for all known cases, this odd part of the solution would not
  92. apply.  Arthur Stanley Eddington considered the possibility of a dying star
  93. collapsing to such a density,  but rejected it as aesthetically unpleasant
  94. and proposed that some new physics must intervene.  In 1939, Oppenheimer
  95. and Snyder finally took seriously the possibility that stars a few times
  96. more massive than the sun might be doomed to collapse to such a state at
  97. the end of their lives. 
  98.  
  99.     Once the star gets smaller than the place where Schwarzschild's
  100. coordinates fail (called the Schwarzschild radius for an uncharged,
  101. nonrotating object, or the event horizon) there's no way it can avoid
  102. collapsing further.  It has to collapse all the way to a singularity for
  103. the same reason that you can't keep from moving into the future! Nothing
  104. else that goes into that region afterward can avoid it either, at least in
  105. this simple case.  The event horizon is a point of no return. 
  106.  
  107.     In 1971 John Archibald Wheeler named such a thing a black hole,
  108. since light could not escape from it.  Astronomers have many candidate
  109. objects they think are probably black holes, on the basis of several kinds
  110. of evidence (typically they are dark objects whose large mass can be
  111. deduced from their gravitational effects on other objects, and which
  112. sometimes emit X-rays, presumably from infalling matter).  But the
  113. properties of black holes I'll talk about here are entirely theoretical.
  114. They're based on general relativity, which is a theory that seems supported
  115. by available evidence. 
  116.  
  117. 2. What happens to you if you fall in?
  118.  
  119.     Suppose that, possessing a proper spacecraft and a self-destructive
  120. urge, I decide to go black-hole jumping and head for an uncharged,
  121. nonrotating ("Schwarzschild") black hole.  In this and other kinds of hole,
  122. I won't, before I fall in, be able to see anything within the event
  123. horizon.  But there's nothing *locally* special about the event horizon;
  124. when I get there it won't seem like a particularly unusual place, except
  125. that I will see strange optical distortions of the sky around me from all
  126. the bending of light that goes on.  But as soon as I fall through, I'm
  127. doomed.  No bungee will help me, since bungees can't keep Sunday from
  128. turning into Monday.  I have to hit the singularity eventually, and before
  129. I get there there will be enormous tidal forces-- forces due to the
  130. curvature of spacetime-- which will squash me and my spaceship in some
  131. directions and stretch them in another until I look like a piece of
  132. spaghetti.  At the singularity all of present physics is mute as to what
  133. will happen, but I won't care.  I'll be dead. 
  134.  
  135.     For ordinary black holes of a few solar masses, there are actually
  136. large tidal forces well outside the event horizon, so I probably wouldn't
  137. even make it into the hole alive and unstretched.  For a black hole of 8
  138. solar masses, for instance, the value of r at which tides become fatal is
  139. about 400 km, and the Schwarzschild radius is just 24 km.  But tidal
  140. stresses are proportional to M/r^3.  Therefore the fatal r goes as the cube
  141. root of the mass, whereas the Schwarzschild radius of the black hole is
  142. proportional to the mass.  So for black holes larger than about 1000 solar
  143. masses I could probably fall in alive, and for still larger ones I might
  144. not even notice the tidal forces until I'm through the horizon and doomed. 
  145.  
  146. 3. Won't it take forever for you to fall in?  Won't it take forever
  147.    for the black hole to even form?
  148.  
  149.     Not in any useful sense.  The time I experience before I hit the
  150. event horizon, and even until I hit the singularity-- the "proper time"
  151. calculated by using Schwarzschild's metric on my worldline -- is finite. 
  152. The same goes for the collapsing star; if I somehow stood on the surface of
  153. the star as it became a black hole, I would experience the star's demise in
  154. a finite time. 
  155.  
  156.     On my worldline as I fall into the black hole, it turns out that
  157. the Schwarzschild coordinate called t goes to infinity when I go through
  158. the event horizon.  That doesn't correspond to anyone's proper time,
  159. though; it's just a coordinate called t.  In fact, inside the event
  160. horizon, t is actually a *spatial* direction, and the future corresponds
  161. instead to decreasing r.  It's only outside the black hole that t even
  162. points in a direction of increasing time.  In any case, this doesn't
  163. indicate that I take forever to fall in, since the proper time involved is
  164. actually finite. 
  165.  
  166.     At large distances t *does* approach the proper time of someone who
  167. is at rest with respect to the black hole.  But there isn't any
  168. non-arbitrary sense in which you can call t at smaller r values "the proper
  169. time of a distant observer," since in general relativity there is no
  170. coordinate-independent way to say that two distant events are happening "at
  171. the same time."  The proper time of any observer is only defined locally. 
  172.  
  173.     A more physical sense in which it might be said that things take
  174. forever to fall in is provided by looking at the paths of emerging light
  175. rays.  The event horizon is what, in relativity parlance, is called a
  176. "lightlike surface"; light rays can remain there.  For an ideal
  177. Schwarzschild hole (which I am considering in this paragraph) the horizon
  178. lasts forever, so the light can stay there without escaping.  (If you
  179. wonder how this is reconciled with the fact that light has to travel at the
  180. constant speed c-- well, the horizon *is* traveling at c! Relative speeds
  181. in GR are also only unambiguously defined locally, and if you're at the
  182. event horizon you are necessarily falling in; it comes at you at the speed
  183. of light.)  Light beams aimed directly outward from just outside the
  184. horizon don't escape to large distances until late values of t.  For
  185. someone at a large distance from the black hole and approximately at rest
  186. with respect to it, the coordinate t does correspond well to proper time. 
  187.  
  188.     So if you, watching from a safe distance, attempt to witness my
  189. fall into the hole, you'll see me fall more and more slowly as the light
  190. delay increases.  You'll never see me actually *get to* the event horizon.
  191. My watch, to you, will tick more and more slowly, but will never reach the
  192. time that I see as I fall into the black hole.  Notice that this is really
  193. an optical effect caused by the paths of the light rays. 
  194.  
  195.     This is also true for the dying star itself.  If you attempt to
  196. witness the black hole's formation, you'll see the star collapse more and
  197. more slowly, never precisely reaching the Schwarzschild radius. 
  198.  
  199.     Now, this led early on to an image of a black hole as a strange
  200. sort of suspended-animation object, a "frozen star" with immobilized
  201. falling debris and gedankenexperiment astronauts hanging above it in
  202. eternally slowing precipitation.  This is, however, not what you'd see. The
  203. reason is that as things get closer to the event horizon, they also get
  204. *dimmer*.  Light from them is redshifted and dimmed, and if one considers
  205. that light is actually made up of discrete photons, the time of escape of
  206. *the last photon* is actually finite, and not very large.  So things would
  207. wink out as they got close, including the dying star, and the name "black
  208. hole" is justified. 
  209.  
  210.     As an example, take the eight-solar-mass black hole I mentioned
  211. before.  If you start timing from the moment the you see the object half a
  212. Schwarzschild radius away from the event horizon, the light will dim
  213. exponentially from that point on with a characteristic time of about 0.2
  214. milliseconds, and the time of the last photon is about a hundredth of a
  215. second later.  The times scale proportionally to the mass of the black
  216. hole.  If I jump into a black hole, I don't remain visible for long. 
  217.  
  218.     Also, if I jump in, I won't hit the surface of the "frozen star."
  219. It goes through the event horizon at another point in spacetime from
  220. where/when I do. 
  221.  
  222.     (Some have pointed out that I really go through the event horizon a
  223. little earlier than a naive calculation would imply.  The reason is that my
  224. addition to the black hole increases its mass, and therefore moves the
  225. event horizon out around me at finite Schwarzschild t coordinate.  This
  226. really doesn't change the situation with regard to whether an external
  227. observer sees me go through, since the event horizon is still lightlike;
  228. light emitted at the event horizon or within it will never escape to large
  229. distances, and light emitted just outside it will take a long time to get
  230. to an observer, timed, say, from when the observer saw me pass the point
  231. half a Schwarzschild radius outside the hole.) 
  232.  
  233.     All this is not to imply that the black hole can't also be used for
  234. temporal tricks much like the "twin paradox" mentioned elsewhere in this
  235. FAQ.  Suppose that I don't fall into the black hole-- instead, I stop and
  236. wait at a constant r value just outside the event horizon, burning
  237. tremendous amounts of rocket fuel and somehow withstanding the huge
  238. gravitational force that would result.  If I then return home, I'll have
  239. aged less than you.  In this case, general relativity can say something
  240. about the difference in proper time experienced by the two of us, because
  241. our ages can be compared *locally* at the start and end of the journey. 
  242.  
  243. 4. Will you see the universe end?
  244.  
  245.     If an external observer sees me slow down asymptotically as I fall,
  246. it might seem reasonable that I'd see the universe speed up
  247. asymptotically-- that I'd see the universe end in a spectacular flash as I
  248. went through the horizon.  This isn't the case, though.  What an external
  249. observer sees depends on what light does after I emit it.  What I see,
  250. however, depends on what light does before it gets to me.  And there's no
  251. way that light from future events far away can get to me.  Faraway events
  252. in the arbitrarily distant future never end up on my "past light-cone," the
  253. surface made of light rays that get to me at a given time. 
  254.  
  255.     That, at least, is the story for an uncharged, nonrotating black
  256. hole.  For charged or rotating holes, the story is different.  Such holes
  257. can contain, in the idealized solutions, "timelike wormholes" which serve
  258. as gateways to otherwise disconnected regions-- effectively, different
  259. universes.  Instead of hitting the singularity, I can go through the
  260. wormhole.  But at the entrance to the wormhole, which acts as a kind of
  261. inner event horizon, an infinite speed-up effect actually does occur.  If I
  262. fall into the wormhole I see the entire history of the universe outside
  263. play itself out to the end.  Even worse, as the picture speeds up the light
  264. gets blueshifted and more energetic, so that as I pass into the wormhole an
  265. "infinite blueshift" happens which fries me with hard radiation.  There is
  266. apparently good reason to believe that the infinite blueshift would imperil
  267. the wormhole itself, replacing it with a singularity no less pernicious
  268. than the one I've managed to miss.  In any case it would render wormhole
  269. travel an undertaking of questionable practicality. 
  270.  
  271. 5. What about Hawking radiation?  Won't the black hole evaporate
  272.    before you get there?
  273.  
  274.     (First, a caveat: Not a lot is really understood about evaporating
  275. black holes.  The following is largely deduced from information in Wald's
  276. GR text, but what really happens-- especially when the black hole gets very
  277. small-- is unclear.  So take the following with a grain of salt.) 
  278.  
  279. Short answer:  No, it won't.  This demands some elaboration.
  280.  
  281.     From thermodynamic arguments Stephen Hawking realized that a black
  282. hole should have a nonzero temperature, and ought therefore to emit
  283. blackbody radiation.  He eventually figured out a quantum- mechanical
  284. mechanism for this.  Suffice it to say that black holes should very, very
  285. slowly lose mass through radiation, a loss which accelerates as the hole
  286. gets smaller and eventually evaporates completely in a burst of radiation. 
  287. This happens in a finite time according to an outside observer. 
  288.  
  289.     But I just said that an outside observer would *never* observe an
  290. object actually entering the horizon!  If I jump in, will you see the black
  291. hole evaporate out from under me, leaving me intact but marooned in the
  292. very distant future from gravitational time dilation? 
  293.  
  294.     You won't, and the reason is that the discussion above only applies
  295. to a black hole that is not shrinking to nil from evaporation. Remember
  296. that the apparent slowing of my fall is due to the paths of outgoing light
  297. rays near the event horizon.  If the black hole *does* evaporate, the delay
  298. in escaping light caused by proximity to the event horizon can only last as
  299. long as the event horizon does!  Consider your external view of me as I
  300. fall in. 
  301.  
  302.     If the black hole is eternal, events happening to me (by my watch)
  303. closer and closer to the time I fall through happen divergingly later
  304. according to you (supposing that your vision is somehow not limited by the
  305. discreteness of photons, or the redshift). 
  306.  
  307.     If the black hole is mortal, you'll instead see those events happen
  308. closer and closer to the time the black hole evaporates.  Extrapolating,
  309. you would calculate my time of passage through the event horizon as the
  310. exact moment the hole disappears!  (Of course, even if you could see me,
  311. the image would be drowned out by all the radiation from the evaporating
  312. hole.)  I won't experience that cataclysm myself, though; I'll be through
  313. the horizon, leaving only my light behind. As far as I'm concerned, my
  314. grisly fate is unaffected by the evaporation. 
  315.  
  316.     All of this assumes you can see me at all, of course.  In practice
  317. the time of the last photon would have long been past.  Besides, there's
  318. the brilliant background of Hawking radiation to see through as the hole
  319. shrinks to nothing. 
  320.  
  321.     (Due to considerations I won't go into here, some physicists think
  322. that the black hole won't disappear completely, that a remnant hole will be
  323. left behind.  Current physics can't really decide the question, any more
  324. than it can decide what really happens at the singularity. If someone ever
  325. figures out quantum gravity, maybe that will provide an answer.) 
  326.  
  327. 6. How does the gravity get out of the black hole?
  328.  
  329.     Purely in terms of general relativity, there is no problem here. 
  330. The gravity doesn't have to get out of the black hole.  General relativity
  331. is a local theory, which means that the field at a certain point in
  332. spacetime is determined entirely by things going on at places that can
  333. communicate with it at speeds less than or equal to c.  If a star collapses
  334. into a black hole, the gravitational field outside the black hole may be
  335. calculated entirely from the properties of the star and its external
  336. gravitational field *before* it becomes a black hole. Just as the light
  337. registering late stages in my fall takes longer and longer to get out to
  338. you at a large distance, the gravitational consequences of events late in
  339. the star's collapse take longer and longer to ripple out to the world at
  340. large.  In this sense the black hole *is* a kind of "frozen star": the
  341. gravitational field is a fossil field.  The same is true of the
  342. electromagnetic field that a black hole may possess. 
  343.  
  344.     Often this question is phrased in terms of gravitons, the
  345. hypothetical quanta of spacetime distortion.  If things like gravity
  346. correspond to the exchange of "particles" like gravitons, how can they get
  347. out of the event horizon to do their job? 
  348.  
  349.     First of all, it's important to realize that gravitons are not as
  350. yet even part of a complete theory, let alone seen experimentally.  They
  351. don't exist in general relativity, which is a non-quantum theory.  When
  352. fields are described as mediated by particles, that's quantum theory, and
  353. nobody has figured out how to construct a quantum theory of gravity.  Even
  354. if such a theory is someday built, it may not involve "virtual particles"
  355. in the same way other theories do.  In quantum electrodynamics, the static
  356. forces between particles are described as resulting from the exchange of
  357. "virtual photons," but the virtual photons only appear when one expresses
  358. QED in terms of a quantum- mechanical approximation method called
  359. perturbation theory.  It currently looks like this kind of perturbation
  360. theory doesn't work properly when applied to quantum gravity.  So although
  361. quantum gravity may well involve "real gravitons" (quantized gravitational
  362. waves), it may well not involve "virtual gravitons" as carriers of static
  363. gravitational forces. 
  364.  
  365.     Nevertheless, the question in this form is still worth asking,
  366. because black holes *can* have static electric fields, and we know that
  367. these may be described in terms of virtual photons.  So how do the virtual
  368. photons get out of the event horizon?  The answer is that virtual particles
  369. aren't confined to the interiors of light cones: they can go faster than
  370. light!  Consequently the event horizon, which is really just a surface that
  371. moves at the speed of light, presents no barrier. 
  372.  
  373.     I couldn't use these virtual photons after falling into the hole to
  374. communicate with you outside the hole; nor could I escape from the hole by
  375. somehow turning myself into virtual particles.  The reason is that virtual
  376. particles don't carry any *information* outside the light cone.  That is a
  377. tricky subject for another (future?) FAQ entry.  Suffice it to say that the
  378. reasons virtual particles don't provide an escape hatch for a black hole
  379. are the same as the reasons they can't be used for faster-than-light travel
  380. or communication. 
  381.  
  382. 7. Where did you get that information?
  383.  
  384.     The numbers concerning fatal radii, dimming, and the time of the
  385. last photon came from Misner, Thorne, and Wheeler's _Gravitation_ (San
  386. Francisco: W. H. Freeman & Co., 1973), pp. 860-862 and 872-873. Chapters 32
  387. and 33 (IMHO, the best part of the book) contain nice descriptions of some
  388. of the phenomena I've described. 
  389.  
  390.     Information about evaporation and wormholes came from Robert Wald's
  391. _General Relativity_ (Chicago: University of Chicago Press, 1984). The
  392. famous conformal diagram of an evaporating hole on page 413 has resolved
  393. several arguments on sci.physics (though its veracity is in question). 
  394.  
  395.     Steven Weinberg's _Gravitation and Cosmology_ (New York: John Wiley
  396. and Sons, 1972) provided me with the historical dates.  It discusses some
  397. properties of the Schwarzschild solution in chapter 8 and describes
  398. gravitational collapse in chapter 11. 
  399.  
  400. ********************************************************************************
  401. Item 16.
  402.  
  403. Below Absolute Zero - What Does Negative Temperature Mean?   updated 24-MAR-1993
  404. ----------------------------------------------------------
  405.  
  406. Questions:  What is negative temperature?  Can you really make a system
  407. which has a temperature below absolute zero?  Can you even give any useful
  408. meaning to the expression 'negative absolute temperature'? 
  409.  
  410. Answer:  Absolutely. :-)
  411.  
  412.     Under certain conditions, a closed system *can* be described by a
  413. negative temperature, and, surprisingly, be *hotter* than the same system
  414. at any positive temperature.  This article describes how it all works. 
  415.  
  416. Step I: What is "Temperature"?
  417. ------------------------------
  418.  
  419.     To get things started, we need a clear definition of "temperature."
  420. Our intuitive notion is that two systems in thermal contact should exchange 
  421. no heat, on average, if and only if they are at the same temperature.  Let's 
  422. call the two systems S1 and S2. The combined system, treating S1 and S2
  423. together, can be S3.  The important question, consideration of which
  424. will lead us to a useful quantitative definition of temperature, is "How will 
  425. the energy of S3 be distributed between S1 and S2?"  I will briefly explain
  426. this below, but I recommend that you read K&K, referenced below, for a 
  427. careful, simple, and thorough explanation of this important and fundamental
  428. result.
  429.  
  430.     With a total energy E, S has many possible internal states
  431. (microstates).  The atoms of S3 can share the total energy in many ways.
  432. Let's say there are N different states.  Each state corresponds to a
  433. particular division of the total energy in the two subsystems S1 and S2.
  434. Many microstates can correspond to the same division, E1 in S1 and E2 in
  435. S2. A simple counting argument tells you that only one particular division
  436. of the energy, will occur with any significant probability.  It's the one
  437. with the overwhelmingly largest number of microstates for the total system
  438. S3. That number, N(E1,E2) is just the product of the number of states
  439. allowed in each subsystem, N(E1,E2) = N1(E1)*N2(E2), and, since E1 + E2 =
  440. E, N(E1,E2) reaches a maximum when N1*N2 is stationary with respect to
  441. variations of E1 and E2 subject to the total energy constraint. 
  442.  
  443.     For convenience, physicists prefer to frame the question in terms
  444. of the logarithm of the number of microstates N, and call this the entropy,
  445. S. You can easily see from the above analysis that two systems are in
  446. equilibrium with one another when (dS/dE)_1 = (dS/dE)_2, i.e., the rate of
  447. change of entropy, S, per unit change in energy, E, must be the same for
  448. both systems.  Otherwise, energy will tend to flow from one subsystem to
  449. another as S3 bounces randomly from one microstate to another, the total
  450. energy E3 being constant, as the combined system moves towards a state of
  451. maximal total entropy.  We define the temperature, T, by 1/T = dS/dE, so
  452. that the equilibrium condition becomes the very simple T_1 = T_2. 
  453.  
  454.     This statistical mechanical definition of temperature does in fact
  455. correspond to your intuitive notion of temperature for most systems. So
  456. long as dS/dE is always positive, T is always positive.  For common
  457. situations, like a collection of free particles, or particles in a harmonic
  458. oscillator potential, adding energy always increases the number of
  459. available microstates, increasingly faster with increasing total energy. So
  460. temperature increases with increasing energy, from zero, asymptotically
  461. approaching positive infinity as the energy increases. 
  462.  
  463. Step II: What is "Negative Temperature"?
  464. ----------------------------------------
  465.  
  466.     Not all systems have the property that the entropy increases 
  467. monotonically with energy.  In some cases, as energy is added to the system, 
  468. the number of available microstates, or configurations, actually decreases 
  469. for some range of energies.  For example, imagine an ideal "spin-system", a 
  470. set of N atoms with spin 1/2 one a one-dimensional wire.  The atoms are not 
  471. free to move from their positions on the wire.  The only degree of freedom 
  472. allowed to them is spin-flip:  the spin of a given atom can point up or 
  473. down.  The total energy of the system, in a magnetic field of strength B, 
  474. pointing down, is (N+ - N-)*uB, where u is the magnetic moment of each atom 
  475. and N+ and N- are the number of atoms with spin up and down respectively. 
  476. Notice that with this definition, E is zero when half of the spins are 
  477. up and half are down.  It is negative when the majority are down and 
  478. positive when the majority are up.
  479.  
  480.     The lowest possible energy state, all the spins will point down,
  481. gives the system a total energy of -NuB, and temperature of absolute zero. 
  482. There is only one configuration of the system at this energy, i.e., all the
  483. spins must point down.  The entropy is the log of the number of
  484. microstates, so in this case is log(1) = 0.  If we now add a quantum of
  485. energy, size uB, to the system, one spin is allowed to flip up.  There are
  486. N possibilities, so the entropy is log(N).  If we add another quantum of
  487. energy, there are a total of N(N-1)/2 allowable configurations with two
  488. spins up.  The entropy is increasing quickly, and the temperature is rising
  489. as well. 
  490.  
  491.     However, for this system, the entropy does not go on increasing
  492. forever.  There is a maximum energy, +NuB, with all spins up.  At this
  493. maximal energy, there is again only one microstate, and the entropy is
  494. again zero.  If we remove one quantum of energy from the system, we allow
  495. one spin down.  At this energy there are N available microstates.  The
  496. entropy goes on increasing as the energy is lowered.  In fact the maximal
  497. entropy occurs for total energy zero, i.e., half of the spins up, half
  498. down. 
  499.  
  500.     So we have created a system where, as we add more and more energy,
  501. temperature starts off positive, approaches positive infinity as maximum
  502. entropy is approached, with half of all spins up.  After that, the
  503. temperature becomes negative infinite, coming down in magnitude toward
  504. zero, but always negative, as the energy increases toward maximum. When the
  505. system has negative temperature, it is *hotter* than when it is has
  506. positive system.  If you take two copies of the system, one with positive
  507. and one with negative temperature, and put them in thermal contact, heat
  508. will flow from the negative-temperature system into the positive-temperature
  509. system. 
  510.  
  511. Step III:  What Does This Have to Do With the Real World?
  512. ---------------------------------------------------------
  513.  
  514.     Can this system ever by realized in the real world, or is it just a
  515. fantastic invention of sinister theoretical condensed matter physicists?
  516. Atoms always have other degrees of freedom in addition to spin, usually
  517. making the total energy of the system unbounded upward due to the
  518. translational degrees of freedom that the atom has.  Thus, only certain
  519. degrees of freedom of a particle can have negative temperature.  It makes
  520. sense to define the "spin-temperature" of a collection of atoms, so long as
  521. one condition is met:  the coupling between the atomic spins and the other
  522. degrees of freedom is sufficiently weak, and the coupling between atomic
  523. spins sufficiently strong, that the timescale for energy to flow from the
  524. spins into other degrees of freedom is very large compared to the timescale
  525. for thermalization of the spins among themselves.  Then it makes sense to
  526. talk about the temperature of the spins separately from the temperature of
  527. the atoms as a whole. This condition can easily be met for the case of
  528. nuclear spins in a strong external magnetic field. 
  529.  
  530.     Nuclear and electron spin systems can be promoted to negative
  531. temperatures by suitable radio frequency techniques.   Various experiments
  532. in the calorimetry of negative temperatures, as well as applications of
  533. negative temperature systems as RF amplifiers, etc., can be found in the
  534. articles listed below, and the references therein. 
  535.  
  536. References:
  537.  
  538.         Kittel and Kroemer,_Thermal Physics_, appendix E.
  539.         N.F. Ramsey, "Thermodynamics and statistical mechanics at negative
  540.         absolute temperature,"  Phys. Rev. _103_, 20 (1956).
  541.         M.J. Klein,"Negative Absolute Temperature," Phys. Rev. _104_, 589 (1956).
  542.     
  543. ********************************************************************************
  544. Item 17.
  545.  
  546. Which Way Will my Bathtub Drain?                updated 16-MAR-1993 by SIC
  547. --------------------------------                original by Matthew R. Feinstein
  548.  
  549. Question: Does my bathtub drain differently depending on whether I live 
  550. in the northern or southern hemisphere?
  551.  
  552. Answer: No.  There is a real effect, but it is far too small to be relevant
  553. when you pull the plug in your bathtub.
  554.  
  555.     Because the earth rotates, a fluid that flows along the earth's
  556. surface feels a "Coriolis" acceleration perpendicular to its velocity.
  557. In the northern hemisphere low pressure storm systems spin counterclockwise.
  558. In the southern hemisphere, they spin clockwise because the direction 
  559. of the Coriolis acceleration is reversed.  This effect leads to the 
  560. speculation that the bathtub vortex that you see when you pull the plug 
  561. from the drain spins one way in the north and the other way in the south.
  562.  
  563.     But this acceleration is VERY weak for bathtub-scale fluid
  564. motions.  The order of magnitude of the Coriolis acceleration can be
  565. estimated from size of the "Rossby number" (see below).  The effect of the 
  566. Coriolis acceleration on your bathtub vortex is SMALL.  To detect its 
  567. effect on your bathtub, you would have to get out and wait until the motion 
  568. in the water is far less than one rotation per day.  This would require 
  569. removing thermal currents, vibration, and any other sources of noise.  Under 
  570. such conditions, never occurring in the typical home, you WOULD see an 
  571. effect.  To see what trouble it takes to actually see the effect, see the 
  572. reference below.  Experiments have been done in both the northern and 
  573. southern hemispheres to verify that under carefully controlled conditions, 
  574. bathtubs drain in opposite directions due to the Coriolis acceleration from 
  575. the Earth's rotation. 
  576.  
  577.     Coriolis accelerations are significant when the Rossby number is 
  578. SMALL.     So, suppose we want a Rossby number of 0.1 and a bathtub-vortex
  579. length scale of 0.1 meter.  Since the earth's rotation rate is about
  580. 10^(-4)/second, the fluid velocity should be less than or equal to
  581. 2*10^(-6) meters/second.  This is a very small velocity.  How small is it? 
  582. Well, we can take the analysis a step further and calculate another, more
  583. famous dimensionless parameter, the Reynolds number. 
  584.  
  585.     The Reynolds number is = L*U*density/viscosity
  586.  
  587.     Assuming that physicists bathe in hot water the viscosity will be
  588. about 0.005 poise and the density will be about 1.0, so the Reynolds Number
  589. is about 4*10^(-2). 
  590.  
  591.     Now, life at low Reynolds numbers is different from life at high
  592. Reynolds numbers.  In particular, at low Reynolds numbers, fluid physics is
  593. dominated by friction and diffusion, rather than by inertia: the time it
  594. would take for a particle of fluid to move a significant distance due to an
  595. acceleration is greater than the time it takes for the particle to break up
  596. due to diffusion. 
  597.  
  598.     The same effect has been accused of responsibility for the 
  599. direction water circulates when you flush a toilet.  This is surely 
  600. nonsense.  In this case, the water rotates in the direction which the pipe 
  601. points which carries the water from the tank to the bowl.
  602.  
  603. Reference: Trefethen, L.M. et al, Nature 207 1084-5 (1965).
  604.  
  605. ********************************************************************************
  606. Item 18.
  607.  
  608. Why do Mirrors Reverse Left and Right?          updated 16-MAR-1993 by SIC
  609. --------------------------------------
  610.  
  611.     The simple answer is that they don't.  Look in a mirror and wave
  612. your right hand.  On which side of the mirror is the hand that waved?  The
  613. right side, of course. 
  614.  
  615.     Mirrors DO reverse In/Out.  Imaging holding an arrow in your hand.  
  616. If you point it up, it will point up in the mirror.  If you point it to the 
  617. left, it will point to the left in the mirror.  But if you point it toward 
  618. the mirror, it will point right back at you.  In and Out are reversed. 
  619.  
  620.     If you take a three-dimensional, rectangular, coordinate system,
  621. (X,Y,Z), and point the Z axis such that the vector equation X x Y = Z is
  622. satisfied, then the coordinate system is said to be right-handed.  Imagine
  623. Z pointing toward the mirror.  X and Y are unchanged (remember the arrows?)
  624. but Z will point back at you.  In the mirror, X x Y = - Z.  The image
  625. contains a left-handed coordinate system. 
  626.  
  627.     This has an important effect, familiar mostly to chemists and
  628. physicists. It changes the chirality, or handedness of objects viewed in
  629. the mirror. Your left hand looks like a right hand, while your right hand
  630. looks like a left hand.  Molecules often come in pairs called
  631. stereoisomers, which differ not in the sequence or number of atoms, but
  632. only in that one is the mirror image of the other, so that no rotation or
  633. stretching can turn one into the other.  Your hands make a good laboratory
  634. for this effect.  They are distinct, even though they both have the same
  635. components connected in the same way. They are a stereo pair, identical
  636. except for "handedness". 
  637.  
  638.     People sometimes think that mirrors *do* reverse left/right, and
  639. that the effect is due to the fact that our eyes are aligned horizontally
  640. on our faces.  This can be easily shown to be untrue by looking in any
  641. mirror with one eye closed! 
  642.  
  643. Reference:  _The Left Hand of the Neutrino_, by Isaac Asimov, contains 
  644. a very readable discussion of handedness and mirrors in physics.
  645.  
  646. ********************************************************************************
  647. Item 19.
  648.  
  649. What is the Mass of a Photon?                   updated 24-JUL-1992 by SIC
  650.                                                 original by Matt Austern
  651.  
  652. Or, "Does the mass of an object depend on its velocity?"
  653.  
  654.     This question usually comes up in the context of wondering whether
  655. photons are really "massless," since, after all, they have nonzero energy. 
  656. The problem is simply that people are using two different definitions of
  657. mass.  The overwhelming consensus among physicists today is to say that 
  658. photons are massless.  However, it is possible to assign a "relativistic 
  659. mass" to a photon which depends upon its wavelength.  This is based upon 
  660. an old usage of the word "mass" which, though not strictly wrong, is not 
  661. used much today.
  662.  
  663.     The old definition of mass, called "relativistic mass," assigns
  664. a mass to a particle proportional to its total energy E, and involved
  665. the speed of light, c, in the proportionality constant:
  666.  
  667.                 m = E / c^2.                                        (1) 
  668.  
  669. This definition gives every object a velocity-dependent mass.
  670.  
  671.     The modern definition assigns every object just one mass, an 
  672. invariant quantity that does not depend on velocity.  This is given by
  673.  
  674.                 m = E_0 / c^2,                                      (2)
  675.  
  676. where E_0 is the total energy of that object at rest.  
  677.  
  678.     The first definition is often used in popularizations, and in some
  679. elementary textbooks.  It was once used by practicing physicists, but for
  680. the last few decades, the vast majority of physicists have instead used the
  681. second definition.  Sometimes people will use the phrase "rest mass," or
  682. "invariant mass," but this is just for emphasis: mass is mass.  The
  683. "relativistic mass" is never used at all.  (If you see "relativistic mass"
  684. in your first-year physics textbook, complain! There is no reason for books
  685. to teach obsolete terminology.) 
  686.  
  687.     Note, by the way, that using the standard definition of mass, the
  688. one given by Eq. (2), the equation "E = m c^2" is *not* correct.  Using the
  689. standard definition, the relation between the mass and energy of an object
  690. can be written as 
  691.  
  692.                 E   = m c^2 / sqrt(1 -v^2/c^2),                     (3) 
  693. or as
  694.  
  695.                 E^2 = m^2 c^4  +  p^2 c^2,                          (4)
  696.  
  697. where v is the object's velocity, and p is its momentum.
  698.  
  699.     In one sense, any definition is just a matter of convention.  In
  700. practice, though, physicists now use this definition because it is much
  701. more convenient.  The "relativistic mass" of an object is really just the
  702. same as its energy, and there isn't any reason to have another word for
  703. energy: "energy" is a perfectly good word.  The mass of an object, though,
  704. is a fundamental and invariant property, and one for which we do need a
  705. word. 
  706.  
  707.     The "relativistic mass" is also sometimes confusing because it
  708. mistakenly leads people to think that they can just use it in the Newtonian
  709. relations 
  710.                 F = m a                                             (5) 
  711. and
  712.                 F = G m1 m2 / r^2.                                  (6)
  713.  
  714. In fact, though, there is no definition of mass for which these
  715. equations are true relativistically: they must be generalized.  The
  716. generalizations are more straightforward using the standard definition
  717. of mass than using "relativistic mass."
  718.  
  719.     Oh, and back to photons: people sometimes wonder whether it makes
  720. sense to talk about the "rest mass" of a particle that can never be at
  721. rest.  The answer, again, is that "rest mass" is really a misnomer, and it
  722. is not necessary for a particle to be at rest for the concept of mass to
  723. make sense.  Technically, it is the invariant length of the particle's
  724. four-momentum.  (You can see this from Eq. (4).)  For all photons this is
  725. zero. On the other hand, the "relativistic mass" of photons is frequency
  726. dependent. UV photons are more energetic than visible photons, and so are
  727. more "massive" in this sense, a statement which obscures more than it
  728. elucidates. 
  729.  
  730.     Reference: Lev Okun wrote a nice article on this subject in the 
  731. June 1989 issue of Physics Today, which includes a historical discussion 
  732. of the concept of mass in relativistic physics. 
  733.  
  734. ********************************************************************************
  735. Item 20.
  736.                                                 updated 16-MAR-1992 by SIC
  737.                                                 Original by John Blanton
  738. Why Do Stars Twinkle While Planets Do Not? 
  739. -----------------------------------------
  740.  
  741.     Stars, except for the Sun, although they may be millions of miles 
  742. in diameter, are very far away.  They appear as point sources even when
  743. viewed by telescopes.  The planets in our solar system, much smaller than
  744. stars, are closer and can be resolved as disks with a little bit of
  745. magnification (field binoculars, for example). 
  746.  
  747.     Since the Earth's atmosphere is turbulent, all images viewed up
  748. through it tend to "swim."  The result of this is that sometimes a single
  749. point in object space gets mapped to two or more points in image space, and
  750. also sometimes a single point in object space does not get mapped into any
  751. point in image space.  When a star's single point in object space fails to
  752. map to at least one point in image space, the star seems to disappear
  753. temporarily. This does not mean the star's light is lost for that moment. 
  754. It just means that it didn't get to your eye, it went somewhere else. 
  755.  
  756.     Since planets represent several points in object space, it is
  757. highly likely that one or more points in the planet's object space get
  758. mapped to a points in image space, and the planet's image never winks out. 
  759. Each individual ray is twinkling away as badly as any star, but when all of
  760. those individual rays are viewed together, the next effect is averaged out 
  761. to something considerably steadier. 
  762.  
  763.     The result is that stars tend to twinkle, and planets do not. 
  764. Other extended objects in space, even very far ones like nebulae, do not 
  765. twinkle if they are sufficiently large that they have non-zero apparent
  766. diameter when viewed from the Earth.
  767.  
  768. ********************************************************************************
  769. Item 21.                                           original by David Brahm
  770.  
  771. Baryogenesis - Why Are There More Protons Than Antiprotons?
  772. -----------------------------------------------------------
  773.  
  774. (I) How do we really *know* that the universe is not matter-antimatter 
  775. symmetric?  
  776.  
  777. (a) The Moon:  Neil Armstrong did not annihilate, therefore the moon
  778. is made of matter.
  779. (b) The Sun:  Solar cosmic rays are matter, not antimatter.
  780. (c) The other Planets:  We have sent probes to almost all.  Their survival 
  781. demonstrates that the solar system is made of matter.
  782. (d) The Milky Way:  Cosmic rays sample material from the entire galaxy.
  783. In cosmic rays, protons outnumber antiprotons 10^4 to 1.
  784. (e) The Universe at large: This is tougher.  If there were antimatter
  785. galaxies then we should see gamma emissions from annihilation.  Its absence
  786. is strong evidence that at least the nearby clusters of galaxies (e.g., Virgo)
  787. are matter-dominated.  At larger scales there is little proof.
  788.     However,  there is a problem, called the "annihilation catastrophe"
  789. which probably eliminates the possibility of a matter-antimatter symmetric
  790. universe.  Essentially, causality prevents the separation of large chucks
  791. of antimatter from matter fast enough to prevent their mutual annihilation
  792. in in the early universe.  So the Universe is most likely matter dominated.
  793.  
  794. (II) How did it get that way?  
  795.  
  796.     Annihilation has made the asymmetry much greater today than in the
  797. early universe.  At the high temperature of the first microsecond, there 
  798. were large numbers of thermal quark-antiquark pairs.  K&T estimate 30 
  799. million antiquarks for every 30 million and 1 quarks during this epoch.  
  800. That's a tiny asymmetry.  Over time most of the antimatter has annihilated 
  801. with matter, leaving the very small initial excess of matter to dominate 
  802. the Universe.
  803.  
  804.     Here are a few possibilities for why we are matter dominated today:
  805.  
  806. a) The Universe just started that way.
  807.    Not only is this a rather sterile hypothesis, but it doesn't work under
  808.    the popular "inflation" theories, which dilute any initial abundances.
  809. b) Baryogenesis occurred around the Grand Unified (GUT) scale (very early).
  810.    Long thought to be the only viable candidate, GUT's generically have
  811.    baryon-violating reactions, such as proton decay (not yet observed).
  812. c) Baryogenesis occurred at the Electroweak Phase Transition (EWPT).
  813.    This is the era when the Higgs first acquired a vacuum expectation value
  814.    (vev), so other particles acquired masses.  Pure Standard Model physics.
  815.  
  816.     Sakharov enumerated 3 necessary conditions for baryogenesis:
  817.  
  818.     (1)  Baryon number violation.  If baryon number is conserved in all
  819. reactions, then the present baryon asymmetry can only reflect asymmetric
  820. initial conditions, and we are back to case (a), above.
  821.     (2) C and CP violation.  Even in the presence of B-violating
  822. reactions, without a preference for matter over antimatter the B-violation
  823. will take place at the same rate in both directions, leaving no excess.
  824.     (3) Thermodynamic Nonequilibrium.  Because CPT guarantees equal
  825. masses for baryons and antibaryons, chemical equilibrium would drive the 
  826. necessary reactions to correct for any developing asymmetry.  
  827.  
  828.     It turns out the Standard Model satisfies all 3 conditions:
  829.  
  830.     (1) Though the Standard Model conserves B classically (no terms in
  831. the Lagrangian violate B), quantum effects allow the universe to tunnel
  832. between vacua with different values of B.  This tunneling is _very_
  833. suppressed at energies/temperatures below 10 TeV (the "sphaleron mass"),
  834. _may_ occur at e.g. SSC energies (controversial), and _certainly_ occurs at
  835. higher temperatures.
  836.  
  837.     (2) C-violation is commonplace.  CP-violation (that's "charge
  838. conjugation" and "parity") has been experimentally observed in kaon
  839. decays, though strictly speaking the Standard Model probably has
  840. insufficient CP-violation to give the observed baryon asymmetry.
  841.  
  842.     (3) Thermal nonequilibrium is achieved during first-order phase
  843. transitions in the cooling early universe, such as the EWPT (at T = 100 GeV
  844. or so).  As bubbles of the "true vacuum" (with a nonzero Higgs vev)
  845. percolate and grow, baryogenesis can occur at or near the bubble walls.
  846.  
  847.     A major theoretical problem, in fact, is that there may be _too_
  848. _much_ B-violation in the Standard Model, so that after the EWPT is
  849. complete (and condition 3 above is no longer satisfied) any previously
  850. generated baryon asymmetry would be washed out.
  851.  
  852. References: Kolb and Turner, _The Early Universe_;
  853.   Dine, Huet, Singleton & Susskind, Phys.Lett.B257:351 (1991);
  854.   Dine, Leigh, Huet, Linde & Linde, Phys.Rev.D46:550 (1992).
  855.  
  856. ********************************************************************************
  857. Item 22.
  858.  
  859. TIME TRAVEL - FACT OR FICTION?                  updated 18-NOV-1993
  860. ------------------------------                  original by Jon J. Thaler
  861.  
  862.     We define time travel to mean departure from a certain place and
  863. time followed (from the traveller's point of view) by arrival at the same
  864. place at an earlier (from the sedentary observer's point of view) time.
  865. Time travel paradoxes arise from the fact that departure occurs after
  866. arrival according to one observer and before arrival according to another. 
  867. In the terminology of special relativity time travel implies that the
  868. timelike ordering of events is not invariant.  This violates our intuitive
  869. notions of causality.  However, intuition is not an infallible guide, so we
  870. must be careful.  Is time travel really impossible, or is it merely another
  871. phenomenon where "impossible" means "nature is weirder than we think?"  The
  872. answer is more interesting than you might think. 
  873.  
  874. THE SCIENCE FICTION PARADIGM:
  875.  
  876.     The B-movie image of the intrepid chrononaut climbing into his time
  877. machine and watching the clock outside spin backwards while those outside
  878. the time machine watch the him revert to callow youth is, according to
  879. current theory, impossible.  In current theory, the arrow of time flows in
  880. only one direction at any particular place.  If this were not true, then
  881. one could not impose a 4-dimensional coordinate system on space-time, and
  882. many nasty consequences would result. Nevertheless, there is a scenario
  883. which is not ruled out by present knowledge.  This usually requires an 
  884. unusual spacetime topology (due to wormholes or strings in general 
  885. relativity) which has not not yet seen, but which may be possible.  In 
  886. this scenario the universe is well behaved in every local region; only by 
  887. exploring the global properties does one discover time travel. 
  888.  
  889. CONSERVATION LAWS:
  890.  
  891.     It is sometimes argued that time travel violates conservation laws.
  892. For example, sending mass back in time increases the amount of energy that
  893. exists at that time.  Doesn't this violate conservation of energy?  This
  894. argument uses the concept of a global conservation law, whereas
  895. relativistically invariant formulations of the equations of physics only
  896. imply local conservation.  A local conservation law tells us that the
  897. amount of stuff inside a small volume changes only when stuff flows in or
  898. out through the surface.  A global conservation law is derived from this by
  899. integrating over all space and assuming that there is no flow in or out at
  900. infinity.  If this integral cannot be performed, then global conservation
  901. does not follow.  So, sending mass back in time might be alright, but it
  902. implies that something strange is happening.  (Why shouldn't we be able to
  903. do the integral?) 
  904.  
  905. GENERAL RELATIVITY:
  906.  
  907.     One case where global conservation breaks down is in general
  908. relativity. It is well known that global conservation of energy does not
  909. make sense in an expanding universe.  For example, the universe cools as it
  910. expands; where does the energy go?  See FAQ article #1 - Energy
  911. Conservation in Cosmology, for details. 
  912.  
  913.     It is interesting to note that the possibility of time travel in GR
  914. has been known at least since 1949 (by Kurt Godel, discussed in [1], page
  915. 168). The GR spacetime found by Godel has what are now called "closed
  916. timelike curves" (CTCs).  A CTC is a worldline that a particle or a person
  917. can follow which ends at the same spacetime point (the same position and
  918. time) as it started.   A solution to GR which contains CTCs cannot have a
  919. spacelike embedding - space must have "holes" (as in donut holes, not holes
  920. punched in a sheet of paper).  A would-be time traveller must go around or
  921. through the holes in a clever way. 
  922.  
  923.     The Godel solution is a curiosity, not useful for constructing a
  924. time machine.  Two recent proposals, one by Morris, et al. [2] and one by
  925. Gott [3], have the possibility of actually leading to practical devices (if
  926. you believe this, I have a bridge to sell you).   As with Godel, in these
  927. schemes nothing is locally strange; time travel results from the unusual
  928. topology of spacetime.  The first uses a wormhole (the inner part of a
  929. black hole, see fig. 1 of [2]) which is held open and manipulated by
  930. electromagnetic forces.  The second uses the conical geometry generated by
  931. an infinitely long string of mass.  If two strings pass by each other, a
  932. clever person can go into the past by traveling a figure-eight path around
  933. the strings.  In this scenario, if the string has non-zero diameter and
  934. finite mass density, there is a CTC without any unusual topology.
  935.  
  936. GRANDFATHER PARADOXES:
  937.  
  938.     With the demonstration that general relativity contains CTCs,
  939. people began studying the problem of self-consistency.  Basically, the
  940. problem is that of the "grandfather paradox:"  What happens if our time
  941. traveller kills her grandmother before her mother was born?  In more
  942. readily analyzable terms, one can ask what are the implications of the
  943. quantum mechanical interference of the particle with its future self.
  944. Boulware [5] shows that there is a problem - unitarity is violated. This is
  945. related to the question of when one can do the global conservation integral
  946. discussed above.  It is an example of the "Cauchy problem" [1, chapter 7]. 
  947.  
  948. OTHER PROBLEMS (and an escape hatch?):
  949.  
  950.     How does one avoid the paradox that a simple solution to GR has
  951. CTCs which QM does not like?  This is not a matter of applying a theory in
  952. a domain where it is expected to fail.  One relevant issue is the
  953. construction of the time machine.  After all, infinite strings aren't
  954. easily obtained.  In fact, it has been shown [4] that Gott's scenario
  955. implies that the total 4-momentum of spacetime must be spacelike.  This
  956. seems to imply that one cannot build a time machine from any collection of
  957. non-tachyonic objects, whose 4-momentum must be timelike.  There are 
  958. implementation problems with the wormhole method as well.
  959.  
  960. TACHYONS:
  961.  
  962. Finally, a diversion on a possibly related topic.
  963.  
  964.     If tachyons exist as physical objects, causality is no longer
  965. invariant. Different observers will see different causal sequences.  This
  966. effect requires only special relativity (not GR), and follows from the fact
  967. that for any spacelike trajectory, reference frames can be found in which
  968. the particle moves backward or forward in time.  This is illustrated by the
  969. pair of spacetime diagrams below.  One must be careful about what is
  970. actually observed; a particle moving backward in time is observed to be a
  971. forward moving anti-particle, so no observer interprets this as time
  972. travel. 
  973.  
  974.                 t
  975. One reference   |                    Events A and C are at the same
  976. frame:          |                    place.  C occurs first.
  977.                 |
  978.                 |                    Event B lies outside the causal
  979.                 |          B         domain of events A and C.
  980.      -----------A----------- x       (The intervals are spacelike).
  981.                 |
  982.                 C                    In this frame, tachyon signals
  983.                 |                    travel from A-->B and from C-->B.
  984.                 |                    That is, A and C are possible causes
  985.                                      of event B.
  986.  
  987. Another         t
  988. reference       |                    Events A and C are not at the same
  989. frame:          |                    place.  C occurs first.
  990.                 |
  991.                 |                    Event B lies outside the causal
  992.      -----------A----------- x       domain of events A and C. (The
  993.                 |                    intervals are spacelike)
  994.                 |
  995.                 |   C                In this frame, signals travel from
  996.                 |                    B-->A and from B-->C.  B is the cause
  997.                 |             B      of both of the other two events.
  998.  
  999.     The unusual situation here arises because conventional causality
  1000. assumes no superluminal motion.  This tachyon example is presented to
  1001. demonstrate that our intuitive notion of causality may be flawed, so one
  1002. must be careful when appealing to common sense.  See FAQ article # 6 -
  1003. Tachyons, for more about these weird hypothetical particles. 
  1004.  
  1005. CONCLUSION:
  1006.  
  1007.     The possible existence of time machines remains an open question. 
  1008. None of the papers criticizing the two proposals are willing to
  1009. categorically rule out the possibility.  Nevertheless, the notion of time
  1010. machines seems to carry with it a serious set of problems. 
  1011.  
  1012. REFERENCES:
  1013.  
  1014. 1: S.W. Hawking, and G.F.R. Ellis, "The Large Scale Structure of Space-Time,"
  1015.    Cambridge University Press, 1973.
  1016. 2: M.S. Morris, K.S. Thorne, and U. Yurtsever, PRL, v.61, p.1446 (1989).
  1017.    --> How wormholes can act as time machines.
  1018. 3: J.R. Gott, III, PRL, v.66, p.1126 (1991).
  1019.    --> How pairs of cosmic strings can act as time machines.
  1020. 4: S. Deser, R. Jackiw, and G. 't Hooft, PRL, v.66, p.267 (1992).
  1021.    --> A critique of Gott.  You can't construct his machine.
  1022. 5: D.G. Boulware, University of Washington preprint UW/PT-92-04.
  1023.    Available on the hep-th@xxx.lanl.gov bulletin board: item number 9207054.
  1024.    --> Unitarity problems in QM with closed timelike curves.
  1025. 6: "Nature", May 7, 1992
  1026.    --> Contains a very well written review with some nice figures.
  1027.  
  1028. ********************************************************************************
  1029. Item 23.                                         
  1030.  
  1031. The EPR Paradox and Bell's Inequality Principle    updated 31-AUG-1993 by SIC
  1032. -----------------------------------------------    original by John Blanton
  1033.  
  1034.     In 1935 Albert Einstein and two colleagues, Boris Podolsky and
  1035. Nathan Rosen (EPR) developed a thought experiment to demonstrate what they
  1036. felt was a lack of completeness in quantum mechanics.  This so-called "EPR
  1037. paradox" has lead to much subsequent, and still on-going, research. This 
  1038. article is an introduction to EPR, Bell's inequality, and the real 
  1039. experiments which have attempted to address the interesting issues raised 
  1040. by this discussion.
  1041.  
  1042.     One of the principle features of quantum mechanics is that not all
  1043. the classical physical observables of a system can be simultaneously known, 
  1044. either in practice or in principle.  Instead, there may be several sets of 
  1045. observables which give qualitatively different, but nonetheless complete
  1046. (maximal possible) descriptions of a quantum mechanical system.  These sets 
  1047. are sets of "good quantum numbers," and are also known as "maximal sets of 
  1048. commuting observables."  Observables from different sets are "noncommuting 
  1049. observables."  
  1050.  
  1051.     A well known example of noncommuting observables are position and
  1052. momentum.  You can put a subatomic particle into a state of well-defined
  1053. momentum, but then you cannot know where it is - it is, in fact, everywhere
  1054. at once.  It's not just a matter of your inability to measure, but rather,
  1055. an intrinsic property of the particle.  Conversely, you can put a particle
  1056. in a definite position, but then it's momentum is completely ill-defined.
  1057. You can also create states of intermediate knowledge of both observables:
  1058. If you confine the particle to some arbitrarily large region of space,
  1059. you can define the momentum more and more precisely.  But you can never 
  1060. know both, exactly, at the same time.
  1061.  
  1062.     Position and momentum are continuous observables.  But the same
  1063. situation can arise for discrete observables such as spin.  The quantum
  1064. mechanical spin of a particle along each of the three space axes are a set
  1065. of mutually noncommuting observables.  You can only know the spin along one
  1066. axis at a time.  A proton with spin "up" along the x-axis has undefined
  1067. spin along the y and z axes.  You cannot simultaneously measure the x and y
  1068. spin projections of a proton. EPR sought to demonstrate that this
  1069. phenomenon could be exploited to construct an experiment which would
  1070. demonstrate a paradox which they believed was inherent in the
  1071. quantum-mechanical description of the world. 
  1072.  
  1073.     They imagined two physical systems that are allowed to interact
  1074. initially so that they subsequently will be defined by a single Schrodinger
  1075. wave equation (SWE).   [For simplicity, imagine a simple physical 
  1076. realization of this idea - a neutral pion at rest in your lab, which decays
  1077. into a pair of back-to-back photons.  The pair of photons is described
  1078. by a single two-particle wave function.]  Once separated, the two systems
  1079. [read: photons] are still described by the same SWE, and a measurement of 
  1080. one observable of the first system will determine the measurement of the 
  1081. corresponding observable of the second system.  [Example:  The neutral pion
  1082. is a scalar particle - it has zero angular momentum.  So the two photons
  1083. must speed off in opposite directions with opposite spin. If photon 1 
  1084. is found to have spin up along the x-axis, then photon 2 *must* have spin
  1085. down along the x-axis, since the total angular momentum of the final-state,
  1086. two-photon, system must be the same as the angular momentum of the intial
  1087. state, a single neutral pion.  You know the spin of photon 2 even without
  1088. measuring it.] Likewise, the measurement of another observable of the first
  1089. system will determine the measurement of the corresponding observable of the
  1090. second system, even though the systems are no longer physically linked in
  1091. the traditional sense of local coupling. 
  1092.  
  1093.     However, QM prohibits the simultaneous knowledge of more than one
  1094. mutually noncommuting observable of either system.  The paradox of EPR is
  1095. the following contradiction:  For our coupled systems, we can measure
  1096. observable A of system I [for example, photon 1 has spin up along the
  1097. x-axis; photon 2 must therefore have x-spin down.] and observable B of 
  1098. system II [for example, photon 2 has spin down along the y-axis; therefore
  1099. the y-spin of photon 1 must be up.] thereby revealing both observables for 
  1100. both systems, contrary to QM.  
  1101.  
  1102.     QM dictates that this should be impossible, creating the
  1103. paradoxical implication that measuring one system should "poison" any
  1104. measurement of the other system, no matter what the distance between
  1105. them. [In one commonly studied interpretation, the mechanism by which
  1106. this proceeds is 'instantaneous collapse of the wavefunction'.  But
  1107. the rules of QM do not require this interpretation, and several
  1108. other perfectly valid interpretations exist.]  The second system
  1109. would instantaneously be put into a state of well-defined observable A,
  1110. and, consequently, ill-defined observable B, spoiling the measurement.
  1111. Yet, one could imagine the two measurements were so far apart in
  1112. space that special relativity would prohibit any influence of one
  1113. measurement over the other.  [After the neutral-pion decay, we can wait until
  1114. the two photons are a light-year apart, and then "simultaneously" measure
  1115. the x-spin of photon 1 and the y-spin of photon 2.  QM suggests that if,
  1116. for example, the measurement of the photon 1 x-spin happens first, this
  1117. measurement must instantaneously force photon 2 into a state of ill-defined
  1118. y-spin, even though it is light-years away from photon 1. 
  1119.  
  1120.     How do we reconcile the fact that photon 2 "knows" that the x-spin
  1121. of photon 1 has been measured, even though they are separated by 
  1122. light-years of space and far too little time has passed for information
  1123. to have travelled to it according to the rules of Special Relativity?  
  1124. There are basically two choices.  You can accept the postulates of QM"
  1125. as a fact of life, in spite of its seemingly uncomfortable coexistence 
  1126. with special relativity, or you can postulate that QM is not complete, 
  1127. that there *was* more information available for the description of the 
  1128. two-particle system at the time it was created, carried away by both 
  1129. photons, and that you just didn't know it because QM does not properly 
  1130. account for it.  
  1131.  
  1132.     So, EPR postulated the existence of hidden variables, some so-far
  1133. unknown properties, of the systems should account for the discrepancy. 
  1134. Their claim was that QM theory is incomplete; it does not completely
  1135. describe the physical reality.  System II knows all about System I 
  1136. long before the scientist measures any of the observables, and thereby
  1137. supposedly consigning the other noncommuting observables to obscurity.
  1138. No instantaneous action-at-a-distance is necessary in this picture, 
  1139. which postulates that each System has more parameters than are 
  1140. accounted by QM. Niels Bohr, one of the founders of QM, held the opposite 
  1141. view and defended a strict interpretation, the Copenhagen Interpretation, 
  1142. of QM. 
  1143.  
  1144.     In 1964 John S. Bell proposed a mechanism to test for the existence
  1145. of these hidden parameters, and he developed his inequality principle as
  1146. the basis for such a test. 
  1147.  
  1148.     Use the example of two photons configured in the singlet state,
  1149. consider this:  After separation, each photon will have spin values for
  1150. each of the three axes of space, and each spin can have one of two values;
  1151. call them up and down.  Call the axes A, B and C and call the spin in the A
  1152. axis A+ if it is up in that axis, otherwise call it A-.  Use similar
  1153. definitions for the other two axes. 
  1154.  
  1155.     Now perform the experiment.  Measure the spin in one axis of one
  1156. particle and the spin in another axis of the other photon.  If EPR were
  1157. correct, each photon will simultaneously have properties for spin in each
  1158. of axes A, B and C. 
  1159.  
  1160.     Look at the statistics.  Perform the measurements with a number of
  1161. sets of photons.  Use the symbol N(A+, B-) to designate the words "the
  1162. number of photons with A+ and B-."  Similarly for N(A+, B+), N(B-, C+),
  1163. etc.  Also use the designation N(A+, B-, C+) to mean "the number of photons
  1164. with A+, B- and C+," and so on.  It's easy to demonstrate that for a set of
  1165. photons 
  1166.  
  1167. (1)    N(A+, B-) = N(A+, B-, C+) + N(A+, B-, C-)
  1168.  
  1169. because all of the (A+, B-, C+) and all of the (A+, B-, C-) photons are
  1170. included in the designation (A+, B-), and nothing else is included in N(A+,
  1171. B-).  You can make this claim if these measurements are connected to some
  1172. real properties of the photons. 
  1173.  
  1174.     Let n[A+, B+] be the designation for "the number of measurements of
  1175. pairs of photons in which the first photon measured A+, and the second
  1176. photon measured B+."  Use a similar designation for the other possible
  1177. results.  This is necessary because this is all it is possible to measure. 
  1178. You can't measure both A and B of the same photon.  Bell demonstrated that
  1179. in an actual experiment, if (1) is true (indicating real properties), then
  1180. the following must be true: 
  1181.  
  1182. (2)    n[A+, B+] <= n[A+, C+] + n[B+, C-].
  1183.  
  1184.     Additional inequality relations can be written by just making the
  1185. appropriate permutations of the letters A, B and C and the two signs.  This
  1186. is Bell's inequality principle, and it is proved to be true if there are
  1187. real (perhaps hidden) parameters to account for the measurements. 
  1188.  
  1189.         At the time Bell's result first became known, the experimental
  1190. record was reviewed to see if any known results provided evidence against
  1191. locality. None did. Thus an effort began to develop tests of Bell's
  1192. inequality. A series of experiments was conducted by Aspect ending with one
  1193. in which polarizer angles were changed while the photons were `in flight'.
  1194. This was widely regarded at the time as being a reasonably conclusive
  1195. experiment confirming the predictions of QM. 
  1196.  
  1197.     Three years later Franson published a paper showing that the timing
  1198. constraints in this experiment were not adequate to confirm that locality
  1199. was violated. Aspect measured the time delays between detections of photon
  1200. pairs. The critical time delay is that between when a polarizer angle is
  1201. changed and when this affects the statistics of detecting photon pairs.
  1202. Aspect estimated this time based on the speed of a photon and the distance
  1203. between the polarizers and the detectors. Quantum mechanics does not allow
  1204. making assumptions about *where* a particle is between detections. We
  1205. cannot know *when* a particle traverses a polarizer unless we detect the
  1206. particle *at* the polarizer. 
  1207.  
  1208.     Experimental tests of Bell's inequality are ongoing but none has
  1209. yet fully addressed the issue raised by Franson. In addition there is an
  1210. issue of detector efficiency. By postulating new laws of physics one can
  1211. get the expected correlations without any nonlocal effects unless the
  1212. detectors are close to 90% efficient. The importance of these issues is a
  1213. matter of judgement. 
  1214.  
  1215.     The subject is alive theoretically as well.  In the 1970's 
  1216. Eberhard derived Bell's result without reference to local hidden variable 
  1217. theories; it applies to all local theories.  Eberhard also showed that the 
  1218. nonlocal effects that QM predicts cannot be used for superluminal 
  1219. communication.  The subject is not yet closed, and may yet provide more 
  1220. interesting insights into the subtleties of quantum mechanics.
  1221.  
  1222. REFERENCES:
  1223.  
  1224. 1.  A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen:  "Can quantum-mechanical 
  1225. description of physical reality be considered complete?"
  1226. Physical Review 41, 777 (15 May 1935).  (The original EPR paper)
  1227.  
  1228. 2.  D. Bohm:  Quantum Theory, Dover, New York (1957).  (Bohm
  1229. discusses some of his ideas concerning hidden variables.)
  1230.  
  1231. 3.  N. Herbert:  Quantum Reality, Doubleday.  (A very good
  1232. popular treatment of EPR and related issues)
  1233.  
  1234. 4.  M. Gardner: Science - Good, Bad and Bogus, Prometheus Books. 
  1235. (Martin Gardner gives a skeptics view of the fringe science
  1236. associated with EPR.)
  1237.  
  1238. 5.  J. Gribbin:  In Search of Schrodinger's Cat, Bantam Books. 
  1239. (A popular treatment of EPR and the paradox of "Schrodinger's
  1240. cat" that results from the Copenhagen interpretation)
  1241.  
  1242. 6.  N. Bohr:  "Can quantum-mechanical description of physical
  1243. reality be considered  complete?" Physical Review 48, 696 (15 Oct
  1244. 1935).  (Niels Bohr's response to EPR)
  1245.  
  1246. 7.  J. Bell:  "On the Einstein Podolsky Rosen paradox" Physics 1
  1247. #3, 195 (1964).
  1248.  
  1249. 8.  J. Bell:  "On the problem of hidden variables in quantum
  1250. mechanics" Reviews of  Modern Physics 38 #3, 447 (July 1966). 
  1251.  
  1252. 9.  D. Bohm, J. Bub:  "A proposed solution of the measurement
  1253. problem in quantum  mechanics by a hidden variable theory"
  1254. Reviews of Modern Physics 38  #3, 453 (July 1966).
  1255.  
  1256. 10.  B. DeWitt:  "Quantum mechanics and reality" Physics Today p.
  1257. 30 (Sept 1970).
  1258.  
  1259. 11.  J. Clauser, A. Shimony:  "Bell's theorem: experimental
  1260. tests and implications" Rep.  Prog. Phys. 41, 1881 (1978).
  1261.  
  1262. 12.  A. Aspect, Dalibard, Roger:  "Experimental test of Bell's
  1263. inequalities using time- varying analyzers" Physical Review
  1264. Letters 49 #25, 1804 (20 Dec 1982).
  1265.  
  1266. 13.  A. Aspect, P. Grangier, G. Roger:  "Experimental realization
  1267. of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm gedankenexperiment; a new
  1268. violation of Bell's inequalities" Physical  Review Letters 49
  1269. #2, 91 (12 July 1982).
  1270.  
  1271. 14.  A. Robinson: "Loophole closed in quantum mechanics test"
  1272. Science 219, 40 (7 Jan 1983).
  1273.  
  1274. 15.  B. d'Espagnat:  "The quantum theory and reality" Scientific
  1275. American 241 #5 (November 1979).
  1276.  
  1277. 16. "Bell's Theorem and Delayed Determinism", Franson, Physical Review D,
  1278. pgs. 2529-2532, Vol. 31, No. 10, May 1985.
  1279.  
  1280. 17. "Bell's Theorem without Hidden Variables", P. H. Eberhard, Il Nuovo 
  1281. Cimento, 38 B 1, pgs. 75-80, (1977).
  1282.  
  1283. 18. "Bell's Theorem and the Different Concepts of Locality", P. H. 
  1284. Eberhard, Il Nuovo Cimento 46 B, pgs. 392-419, (1978).
  1285. ********************************************************************************
  1286. Item 24.
  1287.  
  1288. The Nobel Prize for Physics (1901-1993)         updated 15-OCT-1993 by SIC
  1289. ---------------------------------------
  1290.  
  1291. The following is a complete listing of Nobel Prize awards, from the first
  1292. award in 1901.  Prizes were not awarded in every year.  The description 
  1293. following the names is an abbreviation of the official citation.  
  1294.  
  1295. 1901    Wilhelm Konrad Rontgen          X-rays
  1296. 1902    Hendrik Antoon Lorentz          Magnetism in radiation phenomena
  1297.         Pieter Zeeman
  1298. 1903    Antoine Henri Bequerel          Spontaneous radioactivity
  1299.         Pierre Curie
  1300.         Marie Sklowdowska-Curie 
  1301. 1904    Lord Rayleigh                   Density of gases and 
  1302.         (a.k.a. John William Strutt)     discovery of argon
  1303. 1905    Pilipp Eduard Anton von Lenard  Cathode rays
  1304. 1906    Joseph John Thomson             Conduction of electricity by gases
  1305. 1907    Albert Abraham Michelson        Precision metrological investigations
  1306. 1908    Gabriel Lippman                 Reproducing colors photographically
  1307.                                          based on the phenomenon of interference
  1308. 1909    Guglielmo Marconi               Wireless telegraphy
  1309.         Carl Ferdinand Braun
  1310. 1910    Johannes Diderik van der Waals  Equation of state of fluids
  1311. 1911    Wilhelm Wien                    Laws of radiation of heat
  1312. 1912    Nils Gustaf Dalen               Automatic gas flow regulators 
  1313. 1913    Heike Kamerlingh Onnes          Matter at low temperature
  1314. 1914    Max von Laue                    Crystal diffraction of X-rays
  1315. 1915    William Henry Bragg             X-ray analysis of crystal structure
  1316.         William Lawrence Bragg
  1317. 1917    Charles Glover Barkla           Characteristic X-ray spectra of elements
  1318. 1918    Max Planck                      Energy quanta
  1319. 1919    Johannes Stark                  Splitting of spectral lines in E fields
  1320. 1920    Charles-Edouard Guillaume       Anomalies in nickel steel alloys
  1321. 1921    Albert Einstein                 Photoelectric Effect
  1322. 1922    Niels Bohr                      Structure of atoms
  1323. 1923    Robert Andrew Millikan          Elementary charge of electricity
  1324. 1924    Karl Manne Georg Siegbahn       X-ray spectroscopy
  1325. 1925    James Franck                    Impact of an electron upon an atom
  1326.         Gustav Hertz
  1327. 1926    Jean Baptiste Perrin            Sedimentation equilibrium
  1328. 1927    Arthur Holly Compton            Compton effect
  1329.         Charles Thomson Rees Wilson     Invention of the Cloud chamber
  1330. 1928    Owen Willans Richardson         Thermionic phenomena, Richardson's Law
  1331. 1929    Prince Louis-Victor de Broglie  Wave nature of electrons
  1332. 1930    Sir Chandrasekhara Venkata Raman Scattering of light, Raman effect
  1333. 1932    Werner Heisenberg               Quantum Mechanics 
  1334. 1933    Erwin Schrodinger               Atomic theory
  1335.         Paul Adrien Maurice Dirac
  1336. 1935    James Chadwick                  The neutron
  1337. 1936    Victor Franz Hess               Cosmic rays
  1338.     Carl D. Anderson        The positron
  1339. 1937    Clinton Joseph Davisson         Crystal diffraction of electrons
  1340.         George Paget Thomson
  1341. 1938    Enrico Fermi                    New radioactive elements 
  1342. 1939    Ernest Orlando Lawrence         Invention of the Cyclotron
  1343. 1943    Otto Stern                      Proton magnetic moment
  1344. 1944    Isador Isaac Rabi               Magnetic resonance in atomic nuclei
  1345. 1945    Wolfgang Pauli                  The Exclusion principle
  1346. 1946    Percy Williams Bridgman         Production of extremely high pressures
  1347. 1947    Sir Edward Victor Appleton      Physics of the upper atmosphere
  1348. 1948    Patrick Maynard Stuart Blackett Cosmic ray showers in cloud chambers
  1349. 1949    Hideki Yukawa                   Prediction of Mesons 
  1350. 1950    Cecil Frank Powell              Photographic emulsion for meson studies
  1351. 1951    Sir John Douglas Cockroft       Artificial acceleration of atomic 
  1352.         Ernest Thomas Sinton Walton      particles and transmutation of nuclei
  1353. 1952    Felix Bloch                     Nuclear magnetic precision methods 
  1354.         Edward Mills Purcell
  1355. 1953    Frits Zernike                   Phase-contrast microscope
  1356. 1954    Max Born                        Fundamental research in QM
  1357.         Walther Bothe                   Coincidence counters
  1358. 1955    Willis Eugene Lamb              Hydrogen fine structure
  1359.         Polykarp Kusch                  Electron magnetic moment
  1360. 1956    William Shockley                Transistors
  1361.         John Bardeen
  1362.         Walter Houser Brattain
  1363. 1957    Chen Ning Yang                  Parity violation 
  1364.         Tsung Dao Lee
  1365. 1958    Pavel Aleksejevic Cerenkov      Interpretation of the Cerenkov effect
  1366.         Il'ja Mickajlovic Frank
  1367.         Igor' Evgen'evic Tamm
  1368. 1959    Emilio Gino Segre               The Antiproton
  1369.         Owen Chamberlain    
  1370. 1960    Donald Arthur Glaser            The Bubble Chamber
  1371. 1961    Robert Hofstadter               Electron scattering on nucleons
  1372.         Rudolf Ludwig Mossbauer         Resonant absorption of photons
  1373. 1962    Lev Davidovic Landau            Theory of liquid helium
  1374. 1963    Eugene P. Wigner                Fundamental symmetry principles
  1375.         Maria Goeppert Mayer            Nuclear shell structure
  1376.         J. Hans D. Jensen 
  1377. 1964    Charles H. Townes               Maser-Laser principle
  1378.         Nikolai G. Basov
  1379.         Alexander M. Prochorov
  1380. 1965    Sin-Itiro Tomonaga              Quantum electrodynamics
  1381.         Julian Schwinger
  1382.         Richard P. Feynman
  1383. 1966    Alfred Kastler                  Study of Hertzian resonance in atoms
  1384. 1967    Hans Albrecht Bethe             Energy production in stars 
  1385. 1968    Luis W. Alvarez                 Discovery of many particle resonances
  1386. 1969    Murray Gell-Mann                Quark model for particle classification
  1387. 1970    Hannes Alfven                   Magneto-hydrodynamics in plasma physics
  1388.         Louis Neel                      Antiferromagnetism and ferromagnetism
  1389. 1971    Dennis Gabor                    Principles of holography
  1390. 1972    John Bardeen                    Superconductivity
  1391.         Leon N. Cooper
  1392.         J. Robert Schrieffer
  1393. 1973    Leo Esaki                       Tunneling in superconductors
  1394.         Ivar Giaever 
  1395.         Brian D. Josephson              Super-current through tunnel barriers
  1396. 1974    Antony Hewish                   Discovery of pulsars
  1397.         Sir Martin Ryle                 Pioneering radioastronomy work
  1398. 1975    Aage Bohr                       Structure of the atomic nucleus
  1399.         Ben Mottelson
  1400.         James Rainwater
  1401. 1976    Burton Richter                  Discovery of the J/Psi particle
  1402.         Samual Chao Chung Ting
  1403. 1977    Philip Warren Anderson          Electronic structure of magnetic and 
  1404.         Nevill Francis Mott             disordered solids
  1405.         John Hasbrouck Van Vleck
  1406. 1978    Pyotr Kapitsa                   Liquifaction of helium
  1407.         Arno A. Penzias                 Cosmic Microwave Background Radiation
  1408.         Robert W. Wilson
  1409. 1979    Sheldon Glashow                 Electroweak Theory, especially
  1410.         Steven Weinberg                  weak neutral currents
  1411.         Abdus Salam                     
  1412. 1980    James Cronin                    Discovery of CP violation in the 
  1413.         Val Fitch                        asymmetric decay of neutral K-mesons
  1414. 1981    Kai M. Seigbahn                 High resolution electron spectroscopy
  1415.         Nicolaas Bleombergen            Laser spectroscopy
  1416.         Arthur L. Schawlow
  1417. 1982    Kenneth G. Wilson               Critical phenomena in phase transitions 
  1418. 1983    Subrahmanyan Chandrasekhar      Evolution of stars
  1419.         William A. Fowler
  1420. 1984    Carlo Rubbia                    Discovery of W,Z
  1421.         Simon van der Meer              Stochastic cooling for colliders
  1422. 1985    Klaus von Klitzing              Discovery of quantum Hall effect
  1423. 1986    Gerd Binning                    Scanning Tunneling Microscopy
  1424.         Heinrich Rohrer
  1425.         Ernst August Friedrich Ruska    Electron microscopy
  1426. 1987    Georg Bednorz                   High-temperature superconductivity
  1427.         Alex K. Muller 
  1428. 1988    Leon Max Lederman               Discovery of the muon neutrino leading
  1429.         Melvin Schwartz                  to classification of particles in 
  1430.         Jack Steinberger                 families
  1431. 1989    Hans Georg Dehmelt              Penning Trap for charged particles
  1432.         Wolfgang Paul                   Paul Trap for charged particles
  1433.         Norman F. Ramsey                Control of atomic transitions by the
  1434.                                          separated oscillatory fields method
  1435. 1990    Jerome Isaac Friedman           Deep inelastic scattering experiments
  1436.         Henry Way Kendall                leading to the discovery of quarks
  1437.         Richard Edward Taylor
  1438. 1991    Pierre-Gilles de Gennes         Order-disorder transitions in liquid 
  1439.                                          crystals and polymers
  1440. 1992    Georges Charpak                 Multiwire Proportional Chamber
  1441. 1993    Russell A. Hulse                Discovery of the first binary pulsar
  1442.         Joseph H. Taylor                 and subsequent tests of GR
  1443.  
  1444. ********************************************************************************
  1445. Item 25.
  1446.  
  1447. Open Questions                                  updated 01-JUN-1993 by SIC
  1448. --------------                                  original by John Baez
  1449.  
  1450.     While for the most part a FAQ covers the answers to frequently
  1451. asked questions whose answers are known, in physics there are also plenty
  1452. of simple and interesting questions whose answers are not known. Before you
  1453. set about answering these questions on your own, it's worth noting that
  1454. while nobody knows what the answers are, there has been at least a little,
  1455. and sometimes a great deal, of work already done on these subjects. People
  1456. have said a lot of very intelligent things about many of these questions. 
  1457. So do plenty of research and ask around before you try to cook up a theory
  1458. that'll answer one of these and win you the Nobel prize!  You can expect to
  1459. really know physics inside and out before you make any progress on these. 
  1460.  
  1461.     The following partial list of "open" questions is divided into two
  1462. groups, Cosmology and Astrophysics, and Particle and Quantum Physics. 
  1463. However, given the implications of particle physics on cosmology, the
  1464. division is somewhat artificial, and, consequently, the categorization is 
  1465. somewhat arbitrary.  
  1466.  
  1467.     (There are many other interesting and fundamental questions in 
  1468. fields such as condensed matter physics, nonlinear dynamics, etc., which 
  1469. are not part of the set of related questions in cosmology and quantum 
  1470. physics which are discussed below.  Their omission is not a judgement 
  1471. about importance, but merely a decision about the scope of this article.)
  1472.     
  1473. Cosmology and Astrophysics
  1474. --------------------------
  1475.  
  1476. 1.  What happened at, or before the Big Bang?  Was there really an initial
  1477. singularity?  Of course, this question might not make sense, but it might.
  1478. Does the history of universe go back in time forever, or only a finite
  1479. amount? 
  1480.  
  1481. 2.  Will the future of the universe go on forever or not?  Will there be a
  1482. "big crunch" in the future?  Is the Universe infinite in spatial extent? 
  1483.  
  1484. 3.  Why is there an arrow of time; that is, why is the future so much
  1485. different from the past?
  1486.  
  1487. 4.  Is spacetime really four-dimensional?   If so, why - or is that just a
  1488. silly question?  Or is spacetime not really a manifold at all if examined
  1489. on a short enough distance scale? 
  1490.  
  1491. 5.  Do black holes really exist?  (It sure seems like it.)  Do they really
  1492. radiate energy and evaporate the way Hawking predicts?  If so, what happens
  1493. when, after a finite amount of time, they radiate completely away?  What's
  1494. left?  Do black holes really violate all conservation laws except
  1495. conservation of energy, momentum, angular momentum and electric charge? 
  1496. What happens to the information contained in an object that falls into a 
  1497. black hole?  Is it lost when the black hole evaporates?  Does this require 
  1498. a modification of quantum mechanics?
  1499.  
  1500. 6.  Is the Cosmic Censorship Hypothesis true?  Roughly, for generic
  1501. collapsing isolated gravitational systems are the singularities that might
  1502. develop guaranteed to be hidden beyond a smooth event horizon?  If Cosmic
  1503. Censorship fails, what are these naked singularities like?  That is, what 
  1504. weird physical consequences would they have? 
  1505.  
  1506. 7.  Why are the galaxies distributed in clumps and filaments?  Is most of
  1507. the matter in the universe baryonic?  Is this a matter to be resolved by
  1508. new physics? 
  1509.  
  1510. 8.  What is the nature of the missing "Dark Matter"?  Is it baryonic, 
  1511. neutrinos, or something more exotic?  
  1512.  
  1513. Particle and Quantum Physics
  1514. ----------------------------
  1515.  
  1516. 1.  Why are the laws of physics not symmetrical between left and right,
  1517. future and past, and between matter and antimatter?  I.e., what is the
  1518. mechanism of CP violation, and what is the origin of parity violation in
  1519. Weak interactions?  Are there right-handed Weak currents too weak to have
  1520. been detected so far?  If so, what broke the symmetry?  Is CP violation 
  1521. explicable entirely within the Standard Model, or is some new force or
  1522. mechanism required?
  1523.  
  1524. 2.  Why are the strengths of the fundamental forces (electromagnetism, weak
  1525. and strong forces, and gravity) what they are?  For example, why is the
  1526. fine structure constant, which measures the strength of electromagnetism,
  1527. about 1/137.036?  Where did this dimensionless constant of nature come from? 
  1528. Do the forces really become Grand Unified at sufficiently high energy?
  1529.  
  1530. 3.  Why are there 3 generations of leptons and quarks?  Why are there mass
  1531. ratios what they are?  For example, the muon is a particle almost exactly
  1532. like the electron except about 207 times heavier.  Why does it exist and
  1533. why precisely that much heavier?   Do the quarks or leptons have any 
  1534. substructure? 
  1535.  
  1536. 4.  Is there a consistent and acceptable relativistic quantum field theory
  1537. describing interacting (not free) fields in four spacetime dimensions?  For
  1538. example, is the Standard Model mathematically consistent?  How about
  1539. Quantum Electrodynamics? 
  1540.  
  1541. 5.  Is QCD a true description of quark dynamics?  Is it possible to
  1542. calculate masses of hadrons (such as the proton, neutron, pion, etc.)
  1543. correctly from the Standard Model?  Does QCD predict a quark/gluon
  1544. deconfinement phase transition at high temperature?  What is the nature of
  1545. the transition?  Does this really happen in Nature? 
  1546.  
  1547. 6.  Why is there more matter than antimatter, at least around here? Is
  1548. there really more matter than antimatter throughout the universe? 
  1549.  
  1550. 7.  What is meant by a "measurement" in quantum mechanics?  Does
  1551. "wavefunction collapse" actually happen as a physical process?  If so, how,
  1552. and under what conditions?  If not, what happens instead? 
  1553.  
  1554. 8.  What are the gravitational effects, if any, of the immense (possibly
  1555. infinite) vacuum energy density seemingly predicted by quantum field
  1556. theory?  Is it really that huge?  If so, why doesn't it act like an
  1557. enormous cosmological constant? 
  1558.  
  1559. 9.  Why doesn't the flux of solar neutrinos agree with predictions?  Is the
  1560. disagreement really significant?  If so, is the discrepancy in models of
  1561. the sun, theories of nuclear physics, or theories of neutrinos?  Are
  1562. neutrinos really massless? 
  1563.  
  1564. The Big Question (TM)
  1565. ---------------------
  1566.  
  1567. This last question sits on the fence between the two categories above:
  1568.  
  1569.     How do you merge Quantum Mechanics and General Relativity to create a
  1570. quantum theory of gravity?  Is Einstein's theory of gravity (classical GR)
  1571. also correct in the microscopic limit, or are there modifications
  1572. possible/required which coincide in the observed limit(s)?  Is gravity
  1573. really curvature, or what else -- and why does it then look like curvature? 
  1574. An answer to this question will necessarily rely upon, and at the same time
  1575. likely be a large part of, the answers to many of the other questions above.
  1576.  
  1577. ********************************************************************************
  1578. Item 26.                                        updated 24-MAY-1993 by SIC
  1579.     
  1580. Accessing and Using Online Physics Resources
  1581. --------------------------------------------
  1582.  
  1583. (I) Particle Physics Databases
  1584.  
  1585.     The Full Listings of the Review of Particle Properties (RPP), as 
  1586. well as other particle physics databases, are accessible on-line.  Here is 
  1587. a summary of the major ones, as described in the RPP:
  1588.  
  1589. (A) SLAC Databases
  1590.  
  1591. PARTICLES   - Full listings of the RPP
  1592. HEP         - Guide to particle physics preprints, journal articles, reports,
  1593.               theses, conference papers, etc.
  1594. CONF        - Listing of past and future conferences in particle physics
  1595. HEPNAMES    - E-mail addresses of many HEP people
  1596. INST        - Addresses of HEP institutions
  1597. DATAGUIDE   - Adjunct to HEP, indexes papers
  1598. REACTIONS   - Numerical data on reactions (cross-sections, polarizations, etc)
  1599. EXPERIMENTS - Guide to current and past experiments
  1600.  
  1601. Anyone with a SLAC account can access these databases.  Alternately, most
  1602. of us can access them via QSPIRES.  You can access QSPIRES via BITNET with
  1603. the 'send' command ('tell','bsend', or other system-specific command) or by
  1604. using E-mail.  For example, send QSPIRES@SLACVM FIND TITLE Z0 will get you
  1605. a search of HEP for all papers which reference the Z0 in the title.  By
  1606. E-mail, you would send the one line message "FIND TITLE Z0" with a blank
  1607. subject line to QSPIRES@SLACVM.BITNET or QSPIRES@VM.SLAC.STANFORD.EDU.
  1608. QSPIRES is free.  Help can be obtained by mailing "HELP" to QSPIRES.
  1609.  
  1610. For more detailed information, see the RPP, p.I.12, or contact: Louise
  1611. Addis (ADDIS@SLACVM.BITNET) or Harvey Galic (GALIC@SLACVM.BITNET).
  1612.  
  1613. (B) CERN Databases on ALICE
  1614.  
  1615. LIB         - Library catalogue of books, preprints, reports, etc.
  1616. PREP        - Subset of LIB containing preprints, CERN publications, and 
  1617.               conference papers.
  1618. CONF        - Subset of LIB containing upcoming and past conferences since 1986
  1619. DIR         - Directory of Research Institutes in HEP, with addresses, fax,
  1620.               telex, e-mail addresses, and info on research programs
  1621.  
  1622. ALICE can be accessed via DECNET or INTERNET.  It runs on the CERN library's
  1623. VXLIB, alias ALICE.CERN.CH (IP# 128.141.201.44).  Use Username ALICE (no 
  1624. password required.)  Remote users with no access to the CERN Ethernet can
  1625. use QALICE, similar to QSPIRES.  Send E-mail to QALICE@VXLIB.CERN.CH, put
  1626. the query in the subject field and leave the message field black.  For 
  1627. more information, send the subject "HELP" to QALICE or contact CERN 
  1628. Scientific Information Service, CERN, CH-1211 Geneva 23, Switzerland,
  1629. or E-mail MALICE@VXLIB.CERN.CH.
  1630.  
  1631. Regular weekly or monthly searches of the CERN databases can be arranged
  1632. according to a personal search profile.  Contact David Dallman, CERN SIS
  1633. (address above) or E-mail CALLMAN@CERNVM.CERN.CH.
  1634.  
  1635. DIR is available in Filemaker PRO format for Macintosh.  Contact Wolfgang
  1636. Simon (ISI@CERNVM.CERN.CH).
  1637.  
  1638. (C) Particle Data Group Online Service
  1639.  
  1640.     The Particle Data Group is maintaining a new user-friendly computer
  1641. database of the Full Listings from the Review of Particle Properties. Users
  1642. may query by paper, particle, mass range, quantum numbers, or detector and
  1643. can select specific properties or classes of properties like masses or
  1644. decay parameters. All other relevant information (e.g. footnotes and
  1645. references) is included. Complete instructions are available online. 
  1646.  
  1647.     The last complete update of the RPP database was a copy of the Full
  1648. Listings from the Review of Particle Properties which was published as
  1649. Physical Review D45, Part 2 (1 June 1992). A subsequent update made on 27
  1650. April 1993 was complete for unstable mesons, less complete for the W, Z, D
  1651. mesons, and stable baryons, and otherwise was unchanged from the 1992
  1652. version. 
  1653.  
  1654. DECNET access: SET HOST MUSE or SET HOST 42062
  1655. TCP/IP access: TELNET MUSE.LBL.GOV or TELNET 131.243.48.11
  1656. Login to: PDG_PUBLIC with password HEPDATA.
  1657.  
  1658. Contact: Gary S. Wagman, (510)486-6610.  Email: (GSWagman@LBL.GOV).
  1659.  
  1660. (D) Other Databases
  1661.  
  1662. Durham-RAL and Serpukhov both maintain large databases containing Particle
  1663. Properties, reaction data, experiments, E-mail ID's, cross-section
  1664. compilations (CS), etc.  Except for the Serpukhov CS, these databases
  1665. overlap SPIRES at SLAC considerably, though they are not the same and may
  1666. be more up-to-date.  For details, see the RPP, p.I.14, or contact:
  1667. For Durham-RAL, Mike Whalley (MRW@UKACRL.BITNET,MRW@CERNVM.BITNET) or 
  1668. Dick Roberts (RGR@UKACRL.BITNET).  For Serpukhov, contact Sergey Alekhin 
  1669. (ALEKHIN@M9.IHEP.SU) or Vladimir Exhela (EZHELA@M9.IHEP.SU). 
  1670.  
  1671. (II) Online Preprint Sources
  1672.  
  1673. There are a number of online sources of preprints:
  1674.  
  1675. alg-geom@publications.math.duke.edu (algebraic geometry)
  1676. astro-ph@babbage.sissa.it           (astrophysics)
  1677. cond-mat@babbage.sissa.it           (condensed matter)
  1678. funct-an@babbage.sissa.it           (functional analysis)
  1679. hep-lat@ftp.scri.fsu.edu            (computational and lattice physics)
  1680. hep-ph@xxx.lanl.gov                 (high energy physics phenomenological)
  1681. hep-th@xxx.lanl.gov                 (high energy physics theoretical)
  1682. lc-om@alcom-p.cwru.edu              (liquid crystals, optical materials)
  1683. gr-qc@xxx.lanl.gov                  (general relativity, quantum cosmology)
  1684. nucl-th@xxx.lanl.gov,               (nuclear physics theory)
  1685. nlin-sys@xyz.lanl.gov               (nonlinear science)
  1686.  
  1687.     To get things if you know the preprint number, send a message to 
  1688. the appropriate address with subject header "get (preprint number)" and 
  1689. no message body. If you *don't* know the preprint number, or want to get 
  1690. preprints regularly, or want other information, send a message with 
  1691. subject header "help" and no message body. 
  1692.  
  1693. (III) The World Wide Web
  1694.  
  1695.     There is a wealth of information, on all sorts of topics, available 
  1696. on the World Wide Web [WWW], a distributed HyperText system (a network of 
  1697. documents connected by links which can be activated electronically). 
  1698. Subject matter includes some physics areas such as High Energy Physics,
  1699. Astrophysics abstracts, and Space Science, but also includes such diverse
  1700. subjects as bioscience, musics, and the law.
  1701.  
  1702. * How to get to the Web
  1703.  
  1704.        If you have no clue what WWW is, you can go over the Internet with
  1705. telnet to info.cern.ch (no login required) which brings you to the WWW 
  1706. Home Page at CERN. You are now using the simple line mode browser. To move 
  1707. around the Web, enter the number given after an item. 
  1708.  
  1709. * Browsing the Web
  1710.  
  1711.     If you have a WWW browser up and running, you can move around
  1712. more easily. The by far nicest way of "browsing" through WWW uses the 
  1713. X-Terminal based tool "XMosaic". Binaries for many platforms (ready for use) 
  1714. and sources are available via anonymous FTP from ftp.ncsa.uiuc.edu in directory 
  1715. Web/xmosaic.  The general FTP repository for browser software is info.cern.ch
  1716. (including a hypertext browser/editor for NeXTStep 3.0)
  1717.  
  1718. * For Further Information
  1719.  
  1720.     For questions related to WWW, try consulting the WWW-FAQ: Its most 
  1721. recent version is available via anonymous FTP on rtfm.mit.edu in 
  1722. /pub/usenet/news.answers/www-faq , or on WWW at 
  1723. http://www.vuw.ac.nz:80/overseas/www-faq.html
  1724.  
  1725.     The official contact (in fact the midwife of the World Wide Web) 
  1726. is Tim Berners-Lee, timbl@info.cern.ch. For general matters on WWW, try 
  1727. www-request@info.cern.ch or Robert Cailliau (responsible for the "physics" 
  1728. content of the Web, cailliau@cernnext.cern.ch).
  1729.  
  1730. (IV) Other Archive Sites 
  1731.  
  1732.     There is an FTP archive site of preprints and programs
  1733. for nonlinear dynamics, signal processing, and related subjects on node
  1734. lyapunov.ucsd.edu (132.239.86.10) at the Institute for Nonlinear Science,
  1735. UCSD.  Just login anonymously, using your host id as your password. Contact
  1736. Matt Kennel (mbk@inls1.ucsd.edu) for more information.
  1737.  
  1738. ********************************************************************************
  1739. END OF FAQ
  1740.  
  1741.