home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ ftp.pasteur.org/FAQ/ / ftp-pasteur-org-FAQ.zip / FAQ / physics-faq / part3 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1995-10-14  |  57.1 KB

  1. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!paperboy.osf.org!mogul.osf.org!columbus
  2. From: columbus@osf.org
  3. Newsgroups: sci.physics,sci.physics.research,sci.physics.cond-matter,sci.physics.particle,alt.sci.physics.new-theories,sci.answers,alt.answers,news.answers
  4. Subject: sci.physics Frequently Asked Questions (Part 3 of 4)
  5. Supersedes: <physics-faq-3-812040883@osf.org>
  6. Followup-To: sci.physics
  7. Date: 13 Oct 1995 14:40:59 GMT
  8. Organization: Open Software Foundation
  9. Lines: 1082
  10. Approved: news-answers-request@MIT.EDU
  11. Distribution: world
  12. Expires: 17-Nov 1995
  13. Message-ID: <physics-faq-3-813595189@osf.org>
  14. References: <physics-faq-1-813595189@osf.org>
  15. Reply-To: columbus@osf.org (Michael Weiss)
  16. NNTP-Posting-Host: mogul.osf.org
  17. Summary: This posting contains a list of Frequently Asked Questions 
  18.     (and their answers) about physics, and should be read by anyone who 
  19.     wishes to post to the sci.physics.* newsgroups.
  20. Keywords: Sci.physics FAQ
  21. X-Posting-Frequency: posted monthly
  22. Originator: columbus@mogul.osf.org
  23. Xref: senator-bedfellow.mit.edu sci.physics:147072 sci.physics.research:3042 sci.physics.cond-matter:557 sci.physics.particle:5897 alt.sci.physics.new-theories:21140 sci.answers:3265 alt.answers:12766 news.answers:55203
  24.  
  25. Posted-By: auto-faq 3.1.1.2
  26. Archive-name: physics-faq/part3
  27.  
  28. --------------------------------------------------------------------------------
  29.                FREQUENTLY ASKED QUESTIONS ON SCI.PHYSICS - Part 3/4
  30. --------------------------------------------------------------------------------
  31. Item 13.
  32.  
  33. Apparent Superluminal Velocity of Galaxies      updated 5-DEC-1994 by SIC
  34. ------------------------------------------     original by Scott I. Chase
  35.  
  36.     A distant object can appear to travel faster than the speed of
  37. light relative to us, provided that it has some component of motion towards
  38. us as well as perpendicular to our line of sight.  Say that on Jan. 1 you
  39. make a position measurement of galaxy X.  One month later, you measure it
  40. again. Assuming you know its distance from us by some independent
  41. measurement, you derive its linear speed, and conclude that it is moving
  42. faster than the speed of light. 
  43.  
  44.     What have you forgotten?  Let's say that on Jan. 1, the object is D
  45. km from us, and that between Jan. 1 and Feb. 1, the object has moved d km
  46. closer to us.  You have assumed that the light you measured on Jan. 1 and
  47. Feb. 1 were emitted exactly one month apart.  Not so.  The first light beam
  48. had further to travel, and was actually emitted (1 + d/c) months before the
  49. second measurement, if we measure c in km/month.  The object has traveled
  50. the given angular distance in more time than you thought.  Similarly, if
  51. the object is moving away from us, the apparent angular velocity will be
  52. too slow, if you do not correct for this effect, which becomes significant
  53. when the object is moving along a line close to our line of sight. 
  54.  
  55.     Note that most extragalactic objects are moving away from us due to
  56. the Hubble expansion.  So for most objects, you don't get superluminal
  57. apparent velocities.  But the effect is still there, and you need to take
  58. it into account if you want to measure velocities by this technique. 
  59.  
  60. References: 
  61.  
  62. Considerations about the Apparent 'Superluminal Expansions' in 
  63. Astrophysics, E. Recami, A. Castellino, G.D. Maccarrone, M. Rodono,
  64. Nuovo Cimento 93B, 119 (1986).
  65.  
  66. Apparent Superluminal Sources, Comparative Cosmology and the Cosmic 
  67. Distance Scale, Mon. Not. R. Astr. Soc. 242, 423-427 (1990).
  68.  
  69.  
  70. ********************************************************************************
  71. Item 14.
  72.  
  73. Hot Water Freezes Faster than Cold!             updated 11-May-1992 by SIC
  74. -----------------------------------             original by Richard M. Mathews
  75.  
  76.     You put two pails of water outside on a freezing day.  One has hot
  77. water (95 degrees C) and the other has an equal amount of colder water (50
  78. degrees C).  Which freezes first?  The hot water freezes first!  Why?  
  79.  
  80.     It is commonly argued that the hot water will take some time to
  81. reach the initial temperature of the cold water, and then follow the same
  82. cooling curve.  So it seems at first glance difficult to believe that the
  83. hot water freezes first.  The answer lies mostly in evaporation. The effect
  84. is definitely real and can be duplicated in your own kitchen. 
  85.  
  86.     Every "proof" that hot water can't freeze faster assumes that the
  87. state of the water can be described by a single number.  Remember that
  88. temperature is a function of position.  There are also other factors
  89. besides temperature, such as motion of the water, gas content, etc. With
  90. these multiple parameters, any argument based on the hot water having to
  91. pass through the initial state of the cold water before reaching the
  92. freezing point will fall apart.  The most important factor is evaporation.
  93.  
  94.     The cooling of pails without lids is partly Newtonian and partly by
  95. evaporation of the contents.  The proportions depend on the walls and on
  96. temperature.  At sufficiently high temperatures evaporation is more
  97. important.  If equal masses of water are taken at two starting
  98. temperatures, more rapid evaporation from the hotter one may diminish its
  99. mass enough to compensate for the greater temperature range it must cover
  100. to reach freezing.  The mass lost when cooling is by evaporation is not
  101. negligible. In one experiment, water cooling from 100C lost 16% of its mass
  102. by 0C, and lost a further 12% on freezing, for a total loss of 26%. 
  103.  
  104.     The cooling effect of evaporation is twofold.  First, mass is
  105. carried off so that less needs to be cooled from then on.  Also,
  106. evaporation carries off the hottest molecules, lowering considerably the
  107. average kinetic energy of the molecules remaining. This is why "blowing on
  108. your soup" cools it.  It encourages evaporation by removing the water vapor
  109. above the soup. 
  110.  
  111.     Thus experiment and theory agree that hot water freezes faster than
  112. cold for sufficiently high starting temperatures, if the cooling is by
  113. evaporation.  Cooling in a wooden pail or barrel is mostly by evaporation. 
  114. In fact, a wooden bucket of water starting at 100C would finish freezing in
  115. 90% of the time taken by an equal volume starting at room temperature. The
  116. folklore on this matter may well have started a century or more ago when
  117. wooden pails were usual.  Considerable heat is transferred through the
  118. sides of metal pails, and evaporation no longer dominates the cooling, so
  119. the belief is unlikely to have started from correct observations after
  120. metal pails became common. 
  121.  
  122. References: 
  123.        "Hot water freezes faster than cold water.  Why does it do so?",
  124.         Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American,
  125.         Vol. 237, No. 3, pp 246-257; September, 1977.
  126.  
  127.        "The Freezing of Hot and Cold Water", G.S. Kell in American
  128.         Journal of Physics, Vol. 37, No. 5, pp 564-565; May, 1969.
  129.  
  130. ********************************************************************************
  131. Item 15.
  132.  
  133. Why are Golf Balls Dimpled?                     updated 17-NOV-1993 by CDF
  134. ---------------------------                     original by Craig DeForest
  135.  
  136.     The dimples, paradoxically, *do* increase drag slightly.  But they 
  137. also increase `Magnus lift', that peculiar lifting force experienced by 
  138. rotating bodies travelling through a medium.  Contrary to Freshman physics, 
  139. golf balls do not travel in inverted parabolas.  They follow an 'impetus 
  140. trajectory':
  141.  
  142.                                     *    *       
  143.                               *             *
  144. (golfer)                *                    *
  145.                   *                          * <-- trajectory
  146.  \O/        *                                *
  147.   |   *                                      *
  148. -/ \-T---------------------------------------------------------------ground
  149.  
  150.     This is because of the combination of drag (which reduces
  151. horizontal speed late in the trajectory) and Magnus lift, which supports
  152. the ball during the initial part of the trajectory, making it relatively
  153. straight.  The trajectory can even curve upwards at first, depending on
  154. conditions!  Here is a cheesy diagram of a golf ball in flight, with some
  155. relevant vectors: 
  156.  
  157.                              F(magnus)
  158.                              ^
  159.                              |
  160.                 F(drag) <--- O -------> V 
  161.                           \     
  162.                            \----> (sense of rotation)
  163.  
  164.     The Magnus force can be thought of as due to the relative drag on
  165. the air on the top and bottom portions of the golf ball: the top portion is
  166. moving slower relative to the air around it, so there is less drag on the
  167. air that goes over the ball.  The boundary layer is relatively thin, and
  168. air in the not-too-near region moves rapidly relative to the ball.  The
  169. bottom portion moves fast relative to the air around it; there is more drag
  170. on the air passing by the bottom, and the boundary (turbulent) layer is
  171. relatively thick; air in the not-too-near region moves more slowly relative
  172. to the ball. The Bernoulli force produces lift. (Alternatively, one could
  173. say that `the flow lines past the ball are displaced down, so the ball is
  174. pushed up.') 
  175.  
  176.     The difficulty comes near the transition region between laminar
  177. flow and turbulent flow.  At low speeds, the flow around the ball is
  178. laminar.  As speed is increased, the bottom part tends to go turbulent
  179. *first*.  But turbulent flow can follow a surface much more easily than
  180. laminar flow. 
  181.  
  182.     As a result, the (laminar) flow lines around the top break away
  183. >from the surface sooner than otherwise, and there is a net displacement
  184. *up* of the flow lines.  The magnus lift goes *negative*. 
  185.  
  186.     The dimples aid the rapid formation of a turbulent boundary layer
  187. around the golf ball in flight, giving more lift.  Without 'em, the ball
  188. would travel in more of a parabolic trajectory, hitting the ground sooner
  189. (and not coming straight down). 
  190.  
  191. References: 
  192.  
  193. Lord Rayleigh, "On the Irregular Flight of a Tennis Ball", _Scientific 
  194. Papers I_, p. 344
  195.  
  196. Briggs Lyman J., "Effect of Spin and Speed on the Lateral Deflection of 
  197. a Baseball; and the Magnus Effect for Smooth Spheres", Am. J. Phys. _27_, 
  198. 589 (1959). [Briggs was trying to explain the mechanism behind the `curve 
  199. ball' in baseball, using specialized apparatus in a wind tunnel at the NBS.  
  200. He stumbled on the reverse effect by accident, because his model `baseball'
  201. had no stitches on it. The stitches on a baseball create turbulence in
  202. flight in much the same way that the dimples on a golf ball do.] 
  203.  
  204. R. Watts and R. Ferver, "The Lateral Force on a Spinning Sphere" Aerodynamics
  205. of a Curveball", Am. J. Phys. _55_, 40 (1986)
  206.  
  207. ********************************************************************************
  208. Item 16.
  209.                                                 updated 9-DEC-1993 by SIC
  210.                                                 Original by Bill Johnson
  211. How to Change Nuclear Decay Rates
  212. ---------------------------------
  213.  
  214. "I've had this idea for making radioactive nuclei decay faster/slower than
  215. they normally do.  You do [this, that, and the other thing].  Will this work?" 
  216.  
  217. Short Answer: Possibly, but probably not usefully.
  218.  
  219. Long Answer:
  220.  
  221.     "One of the paradigms of nuclear science since the very early days
  222. of its study has been the general understanding that the half-life, or
  223. decay constant, of a radioactive substance is independent of extranuclear
  224. considerations."  (Emery, cited below.)  Like all paradigms, this one is
  225. subject to some interpretation. Normal decay of radioactive stuff proceeds
  226. via one of four mechanisms: 
  227.  
  228.     * Emission of an alpha particle -- a helium-4 nucleus -- reducing
  229.     the number of protons and neutrons present in the parent nucleus 
  230.     by two each; 
  231.     * "Beta decay," encompassing several related phenomena in which a
  232.     neutron in the nucleus turns into a proton, or a proton turns into 
  233.     a neutron -- along with some other things including emission of 
  234.     a neutrino.  The "other things", as we shall see, are at the bottom
  235.     of several questions involving perturbation of decay rates; 
  236.     * Emission of one or more gamma rays -- energetic photons -- that
  237.     take a nucleus from an excited state to some other (typically
  238.     ground) state; some of these photons may be replaced by 
  239.     "conversion electrons," of which more shortly; or 
  240.     *Spontaneous fission, in which a sufficiently heavy nucleus simply
  241.     breaks in half.  Most of the discussion about alpha particles will
  242.     also apply to spontaneous fission.
  243.  
  244. Gamma emission often occurs from the daughter of one of the other decay
  245. modes.  We neglect *very* exotic processes like C-14 emission or double
  246. beta decay in this analysis. 
  247.  
  248.     "Beta decay" refers most often to a nucleus with a neutron excess,
  249. which decays by converting a neutron into a proton:
  250.  
  251.          n ----> p + e- + anti-nu(e),
  252.  
  253. where n means neutron, p means proton, e- means electron, and anti-nu(e) 
  254. means an antineutrino of the electron type.  The type of beta decay which
  255. involves destruction of a proton is not familiar to many people, so
  256. deserves a little elaboration.  Either of two processes may occur when this
  257. kind of decay happens: 
  258.  
  259.         p ----> n + e+ + nu(e), 
  260.  
  261. where e+ means positron and nu(e) means electron neutrino; or
  262.  
  263.         p + e- ----> n + nu(e),
  264.  
  265. where e- means a negatively charged electron, which is captured from the
  266. neighborhood of the nucleus undergoing decay.  These processes are called
  267. "positron emission" and "electron capture," respectively.  A given nucleus
  268. which has too many protons for stability may undergo beta decay through
  269. either, and typically both, of these reactions. 
  270.  
  271.     "Conversion electrons" are produced by the process of "internal
  272. conversion," whereby the photon that would normally be emitted in gamma
  273. decay is *virtual* and its energy is absorbed by an atomic electron.  The
  274. absorbed energy is sufficient to unbind the electron from the nucleus
  275. (ignoring a few exceptional cases), and it is ejected from the atom as a
  276. result. 
  277.  
  278.     Now for the tie-in to decay rates.  Both the electron-capture and
  279. internal conversion phenomena require an electron somewhere close to the
  280. decaying nucleus.  In any normal atom, this requirement is satisfied in
  281. spades: the innermost electrons are in states such that their probability
  282. of being close to the nucleus is both large and insensitive to things in
  283. the environment.  The decay rate depends on the electronic wavefunctions,
  284. i.e, how much of their time the inner electrons spend very near the 
  285. nucleus -- but only very weakly. For most nuclides that decay by electron 
  286. capture or internal conversion, most of the time, the probability of 
  287. grabbing or converting an electron is also insensitive to the environment, 
  288. as the innermost electrons are the ones most likely to get grabbed/converted. 
  289.  
  290.     However, there are exceptions, the most notable being the
  291. the astrophysically important isotope beryllium-7.  Be-7 decays purely
  292. by electron capture (positron emission being impossible because of
  293. inadequate decay energy) with a half-life of somewhat over 50 days.  It has
  294. been shown that differences in chemical environment result in half-life
  295. variations of the order of 0.2%, and high pressures produce somewhat
  296. similar changes. Other cases where known changes in decay rate occur are
  297. Zr-89 and Sr-85, also electron capturers; Tc-99m ("m" implying an excited
  298. state), which decays by both beta and gamma emission; and various other
  299. "metastable" things that decay by gamma emission with internal conversion. 
  300. With all of these other cases the magnitude of the effect is less than is
  301. typically the case with Be-7. 
  302.  
  303.     What makes these cases special?  The answer is that one or more
  304. of the usual starting assumptions -- insensitivity of electron wave
  305. function near the nucleus to external forces, or availability of the
  306. innermost electrons for capture/conversion -- are not completely valid. 
  307. Atomic beryllium only has 4 electrons to begin with, so that the "innermost
  308. electrons" are also practically the *outermost* ones and therefore much
  309. more sensitive to chemical effects than usual.  With most of the other
  310. cases, there is so little energy available from the decay (as little as a
  311. few electron volts; compare most radioactive decays, where hundreds or
  312. thousands of *kilo*volts are released), courtesy of accidents of nuclear
  313. structure, that the innermost electrons can't undergo internal conversion. 
  314. Remember that converting an electron requires dumping enough energy into it
  315. to expel it from the atom (more or less); "enough energy," in context, is
  316. typically some tens of keV, so they don't get converted at all in these
  317. cases.  Conversion therefore works only on some of the outer electrons,
  318. which again are more sensitive to the environment. 
  319.  
  320.     A real anomaly is the beta emitter Re-187.  Its decay energy is
  321. only about 2.6 keV, practically nothing by nuclear standards.  "That this
  322. decay occurs at all is an example of the effects of the atomic environment
  323. on nuclear decay: the bare nucleus Re-187 [i.e., stripped of all orbital
  324. electrons -- MWJ] is stable against beta decay [but not to bound state
  325. beta decay, in which the outgoing electron is captured by the daughter
  326. nucleus into a tightly bound orbital -SIC] and it is the difference of
  327. 15 keV in the total electronic binding energy of osmium [to which it decays
  328. -- MWJ] and rhenium ... which makes the decay possible" (Emery).  The
  329. practical significance of this little peculiarity, of course, is low, as
  330. Re-187 already has a half life of over 10^10 years.   
  331.  
  332.     Alpha decay and spontaneous fission might also be affected by
  333. changes in the electron density near the nucleus, for a different reason. 
  334. These processes occur as a result of penetration of the "Coulomb barrier"
  335. that inhibits emission of charged particles from the nucleus, and their
  336. rate is *very* sensitive to the height of the barrier.  Changes in the
  337. electron density could, in principle, affect the barrier by some tiny
  338. amount.  However, the magnitude of the effect is *very* small, according to
  339. theoretical calculations; for a few alpha emitters, the change has been
  340. estimated to be of the order of 1 part in 10^7 (!) or less, which would be
  341. unmeasurable in view of the fact that the alpha emitters' half lives aren't
  342. known to that degree of accuracy to begin with. 
  343.  
  344.     All told, the existence of changes in radioactive decay rates due
  345. to the environment of the decaying nuclei is on solid grounds both
  346. experimentally and theoretically.  But the magnitude of the changes is
  347. nothing to get very excited about. 
  348.  
  349. Reference: The best review article on this subject is now 20 years old: G.
  350. T. Emery, "Perturbation of Nuclear Decay Rates," Annual Review of Nuclear
  351. Science vol. 22, p. 165 (1972).  Papers describing specific experiments are
  352. cited in that article, which contains considerable arcane math but also
  353. gives a reasonable qualitative "feel" for what is involved. 
  354.  
  355. ********************************************************************************
  356. Item 17.
  357.                         original by Blair P. Houghton
  358.                         (blair@world.std.com)
  359.  
  360. What is a Dippy Bird, and how is it used?
  361. -----------------------------------------
  362.  
  363. The Anatomy and Habits of a Dippy Bird:
  364.  
  365. 1.  The armature:  The body of the bird is a straight tube attached to two
  366. bulbs, approximately the same size, one at either end.  The tube flows into
  367. the upper bulb, like the neck of a funnel, and extends almost to the bottom
  368. of the lower bulb, like the straw in a soda. 
  369.  
  370. 2.  The pivot:  At about the middle of the tube is clamped a transverse
  371. bar, which allows the apparatus to pivot on a stand (the legs).  The bar is
  372. bent very slightly concave dorsally, to unbalance the bird in the forward
  373. direction (thus discouraging dips to the rear).  The ends of the pivot have
  374. downward protrusions, which hit stops on the stand placed so that the bird
  375. is free to rock when in a vertical position, but can not quite rotate
  376. enough to be horizontal during a dip. 
  377.  
  378. 3.  The wick:  The upper bulb is coated in fuzzy material, and has extended
  379. >from it a beak, made of or covered in the same material. 
  380.  
  381. 4.  The tail.  The tail has no significant external features, except that
  382. it should not be insulated (skin-oil deposited on the bird's glass parts
  383. >from handling will insulate it and can affect its operation). 
  384.  
  385. 5.  The guts:  The bird is partially filled with a somewhat carefully
  386. measured amount of a fluid with suitable lack of viscosity and density and
  387. a low latent heat of evaporation (small d(energy)/d(mass), ld).  For water,
  388. ld is 2250 kJ/kg; for methylene chloride, ld is 406; for mercury, ld is a
  389. wondrous 281; ethyl alcohol has an ld of 880, more than twice that of MC.
  390. Boiling point is not important, here; evaporation and condensation take
  391. place on the surface of a liquid at any temperature.
  392.  
  393. 6.  The frills:  Any hats, eyes, feathers, or liquid coloring have been
  394. added purely for entertainment value. (An anecdote:  as it stood pumping in
  395. the Arizona sun on my kitchen windowsill for several days, the rich,
  396. Kool-Aid red of my bird's motorwater faded to a pale peach.  I have since
  397. retired him to the mantelpiece in the family room). 
  398.  
  399. 7.  Shreddin':  The bird is operated by getting the head wet, taking care
  400. not to make it so wet that it drips down the tube.  (Water on the bottom
  401. bulb will reverse the thermodynamic processes.)  The first cycle will
  402. take somewhat longer than the following cycles.  If you can keep water
  403. where the bird can dip it, the bird will dip for as long as the ambient
  404. humidity remains favorable.
  405.  
  406.  
  407. Come on, how does it really work?
  408. ---------------------------------
  409.  
  410. Short answer:  Thermodynamics plus Mechanics.
  411.  
  412. Medium answer (and essential clues):  Evaporative cooling on the outside;
  413. pV=nRT, evaporation/condensation, and gravity on the inside.
  414.  
  415. Long answer:
  416.  
  417.     Initially the system is at equilibrium, with T equal in both
  418. chambers and pV/n in each compensating for the fluid levels.  Evaporation
  419. of water outside the head draws heat from inside it; the vapor inside
  420. condenses, reducing pV/RT.  This imbalances the pressures, so the vapor in
  421. the abdomen pushes down, which pushes fluid up the thorax, which reduces V
  422. in the head.  Since p is decreasing in the abdomen, evaporation occurs,
  423. increasing n, and drawing heat from outside the body. 
  424.  
  425.     The rising fluid raises the CM above the pivot point; the hips are
  426. slightly concave dorsally, so the bird dips forward.  Tabs on the legs and
  427. the pivot maintain the angle at full dip, for drainage.  The amount of
  428. fluid is set so that at full dip the lower end of the tube is exposed to
  429. the vapor.  (The tube reaches almost to the bottom of the abdomen, like a
  430. straw in a soda, but flows into the head like the neck of a funnel.)  A
  431. bubble of vapor rises in the tube and fluid drains into the abdomen. 
  432.  
  433.     The rising bubble transfers heat to the head and the falling fluid
  434. releases gravitational potential energy as heat into the rising bubble and
  435. the abdomen.  The CM drops below the pivot point and the bird bobs up.  The
  436. system is thus reset; it's not quite at equilibrium, but is close enough
  437. that the process can repeat this chain of events. 
  438.  
  439.     The beak acts as a wick, if allowed to dip into a reservoir of
  440. water, to keep the head wet, although it is not necessary for the bird to
  441. drink on every dip. 
  442.  
  443.  
  444. Is that all there is to know about dippy birds?
  445. -----------------------------------------------
  446.  
  447.     Of course not.  Research continues to unravel these unanswered
  448. questions about the amazing dippy-bird:
  449.  
  450. 1.  All of the energy gained by the rising fluid is returned to the system
  451. when the fluid drops; where does this energy go, in what proportions, and
  452. how does this affect the rate at which the bird operates? 
  453.  
  454. 2.  The heat that evaporates the water comes from both the surrounding air
  455. and the inside of the head; but, in what proportion?
  456.  
  457. 3.  Exactly what should the fluid be?  Methylene Chloride is an excellent
  458. candidate, since it's listed in the documentation for recent birds sold by
  459. Edmund Scientific Corp. (trade named Happy Drinking Bird), and because its
  460. latent heat of evaporation (ld) is 406 kJ/kg, compared to 2250 kJ/kg for
  461. water (a 5.5:1 ratio of condensed MC to evaporated water, if all
  462. water-evaporating heat comes from inside the bird).  Ethanol, at 880 kJ/kG,
  463. is only half as efficient.  Mercury would likewise be a good prospective
  464. choice, having an ld of 281 kJ/kG (8:1!), but is expensive and dangerous,
  465. and its density would require careful redesign and greater quality control
  466. in the abdomen and pivot-stops to ensure proper operation at full dip; this
  467. does, however, indicate that the apparatus could be made in miniature,
  468. filled with mercury, and sold through a catalog-store such as The Sharper
  469. Image as a wildly successful yuppie desk-toy (Consider the submission of
  470. this FAQ entry to be prior art for patent purposes). 
  471.  
  472. 4.  Does ambient temperature have an effect on operation aside from the
  473. increase in rate of evaporation of water? I.e., if the temperature and
  474. humidity can be controlled independently such that the rate of evaporation
  475. can be kept constant, what effect does such a change in ambient temperature
  476. and humidity have on the operation of the bird? Is the response transient,
  477. permanent, or composed of both? 
  478.  
  479. Dippy Bird Tips:
  480. ----------------
  481.  
  482.     They have real trouble working at all in humid climates (like
  483. around the U. of Md., where I owned my first one), but can drive you bats
  484. in dry climates (aside from the constant hammering, it's hard to keep the
  485. water up to a level where the bird can get at it...).  The evaporation of
  486. water from the head depends on the diffusibility of water vapor into the
  487. atmosphere; high partial pressures of water vapor in the atmosphere
  488. translate to low rates of evaporation. 
  489.  
  490.     If you handle your bird, clean the glass with alcohol or Windex
  491. or Dawn or something; the oil from your hands has a high specific heat,
  492. which damps the transfer of heat, and a low thermal conductivity, which
  493. attenuates the transfer of heat. Once it's clean, grasp the bird only by
  494. the legs or the tube, which are not thermodynamically significant, or
  495. wear rubber gloves, just like a real EMT.
  496.  
  497.     The hat is there for show; the dippy bird operates okay with or
  498. without it, even though it may reduce the area of evaporation slightly. 
  499. Ditto the feathers and the eyes. 
  500.  
  501. Bibliography:
  502. -------------
  503.  
  504.     Chemical data from Gieck, K., _Engineering Formulas_, 3d. Ed.,
  505. McGraw-Hill, 1979, as translated by J. Walters, B. Sc.  
  506.  
  507.     I've also heard that SciAm had an "Amateur Scientist" column on
  508. this technology a few years ago.  Perhaps someone who understands how a
  509. library works could look up the yr and vol...
  510.  
  511.     Kool-Aid is a trademark of some huge corporation that makes its
  512. money a farthing at a time...
  513.  
  514. ********************************************************************************
  515. Item 18.
  516.  
  517. Below Absolute Zero - What Does Negative Temperature Mean?   updated 24-MAR-1993
  518. ----------------------------------------------------------   by Scott I. Chase
  519.  
  520. Questions:  What is negative temperature?  Can you really make a system
  521. which has a temperature below absolute zero?  Can you even give any useful
  522. meaning to the expression 'negative absolute temperature'? 
  523.  
  524. Answer:  Absolutely. :-)
  525.  
  526.     Under certain conditions, a closed system *can* be described by a
  527. negative temperature, and, surprisingly, be *hotter* than the same system
  528. at any positive temperature.  This article describes how it all works. 
  529.  
  530. Step I: What is "Temperature"?
  531. ------------------------------
  532.  
  533.     To get things started, we need a clear definition of "temperature."
  534. Actually various kinds of "temperature" appear in the literature of
  535. physics (e.g., kinetic temperature, color temperature).  The relevant
  536. one here is the one from thermodynamics, in some sense the most
  537. fundamental.
  538.  
  539.     Our intuitive notion is that two systems in thermal contact
  540. should exchange no heat, on average, if and only if they are at the
  541. same temperature.  Let's call the two systems S1 and S2. The combined
  542. system, treating S1 and S2 together, can be S3.  The important
  543. question, consideration of which will lead us to a useful quantitative
  544. definition of temperature, is "How will the energy of S3 be
  545. distributed between S1 and S2?"  I will briefly explain this below,
  546. but I recommend that you read K&K, referenced below, for a careful,
  547. simple, and thorough explanation of this important and fundamental
  548. result.
  549.  
  550.     With a total energy E, S has many possible internal states
  551. (microstates).  The atoms of S3 can share the total energy in many ways.
  552. Let's say there are N different states.  Each state corresponds to a
  553. particular division of the total energy in the two subsystems S1 and S2.
  554. Many microstates can correspond to the same division, E1 in S1 and E2 in
  555. S2. A simple counting argument tells you that only one particular division
  556. of the energy, will occur with any significant probability.  It's the one
  557. with the overwhelmingly largest number of microstates for the total system
  558. S3. That number, N(E1,E2) is just the product of the number of states
  559. allowed in each subsystem, N(E1,E2) = N1(E1)*N2(E2), and, since E1 + E2 =
  560. E, N(E1,E2) reaches a maximum when N1*N2 is stationary with respect to
  561. variations of E1 and E2 subject to the total energy constraint. 
  562.  
  563.     For convenience, physicists prefer to frame the question in terms
  564. of the logarithm of the number of microstates N, and call this the entropy,
  565. S. You can easily see from the above analysis that two systems are in
  566. equilibrium with one another when (dS/dE)_1 = (dS/dE)_2, i.e., the rate of
  567. change of entropy, S, per unit change in energy, E, must be the same for
  568. both systems.  Otherwise, energy will tend to flow from one subsystem to
  569. another as S3 bounces randomly from one microstate to another, the total
  570. energy E3 being constant, as the combined system moves towards a state of
  571. maximal total entropy.  We define the temperature, T, by 1/T = dS/dE, so
  572. that the equilibrium condition becomes the very simple T_1 = T_2. 
  573.  
  574.     This statistical mechanical definition of temperature does in fact
  575. correspond to your intuitive notion of temperature for most systems. So
  576. long as dS/dE is always positive, T is always positive.  For common
  577. situations, like a collection of free particles, or particles in a harmonic
  578. oscillator potential, adding energy always increases the number of
  579. available microstates, increasingly faster with increasing total energy. So
  580. temperature increases with increasing energy, from zero, asymptotically
  581. approaching positive infinity as the energy increases. 
  582.  
  583. Step II: What is "Negative Temperature"?
  584. ----------------------------------------
  585.  
  586.     Not all systems have the property that the entropy increases 
  587. monotonically with energy.  In some cases, as energy is added to the system, 
  588. the number of available microstates, or configurations, actually decreases 
  589. for some range of energies.  For example, imagine an ideal "spin-system", a 
  590. set of N atoms with spin 1/2 on a one-dimensional wire.  The atoms are not 
  591. free to move from their positions on the wire.  The only degree of freedom 
  592. allowed to them is spin-flip:  the spin of a given atom can point up or 
  593. down.  The total energy of the system, in a magnetic field of strength B, 
  594. pointing down, is (N+ - N-)*uB, where u is the magnetic moment of each atom 
  595. and N+ and N- are the number of atoms with spin up and down respectively. 
  596. Notice that with this definition, E is zero when half of the spins are 
  597. up and half are down.  It is negative when the majority are down and 
  598. positive when the majority are up.
  599.  
  600.     The lowest possible energy state, all the spins pointing down,
  601. gives the system a total energy of -NuB, and temperature of absolute zero. 
  602. There is only one configuration of the system at this energy, i.e., all the
  603. spins must point down.  The entropy is the log of the number of
  604. microstates, so in this case is log(1) = 0.  If we now add a quantum of
  605. energy, size uB, to the system, one spin is allowed to flip up.  There are
  606. N possibilities, so the entropy is log(N).  If we add another quantum of
  607. energy, there are a total of N(N-1)/2 allowable configurations with two
  608. spins up.  The entropy is increasing quickly, and the temperature is rising
  609. as well. 
  610.  
  611.     However, for this system, the entropy does not go on increasing
  612. forever.  There is a maximum energy, +NuB, with all spins up.  At this
  613. maximal energy, there is again only one microstate, and the entropy is
  614. again zero.  If we remove one quantum of energy from the system, we allow
  615. one spin down.  At this energy there are N available microstates.  The
  616. entropy goes on increasing as the energy is lowered.  In fact the maximal
  617. entropy occurs for total energy zero, i.e., half of the spins up, half
  618. down. 
  619.  
  620.     So we have created a system where, as we add more and more energy,
  621. temperature starts off positive, approaches positive infinity as maximum
  622. entropy is approached, with half of all spins up.  After that, the
  623. temperature becomes negative infinite, coming down in magnitude toward
  624. zero, but always negative, as the energy increases toward maximum. When the
  625. system has negative temperature, it is *hotter* than when it is has
  626. positive temperature. If you take two copies of the system, one with positive
  627. and one with negative temperature, and put them in thermal contact, heat
  628. will flow from the negative-temperature system into the positive-temperature
  629. system. 
  630.  
  631. Step III:  What Does This Have to Do With the Real World?
  632. ---------------------------------------------------------
  633.  
  634.     Can this system ever by realized in the real world, or is it just a
  635. fantastic invention of sinister theoretical condensed matter physicists?
  636. Atoms always have other degrees of freedom in addition to spin, usually
  637. making the total energy of the system unbounded upward due to the
  638. translational degrees of freedom that the atom has.  Thus, only certain
  639. degrees of freedom of a particle can have negative temperature.  It makes
  640. sense to define the "spin-temperature" of a collection of atoms, so long as
  641. one condition is met:  the coupling between the atomic spins and the other
  642. degrees of freedom is sufficiently weak, and the coupling between atomic
  643. spins sufficiently strong, that the timescale for energy to flow from the
  644. spins into other degrees of freedom is very large compared to the timescale
  645. for thermalization of the spins among themselves.  Then it makes sense to
  646. talk about the temperature of the spins separately from the temperature of
  647. the atoms as a whole. This condition can easily be met for the case of
  648. nuclear spins in a strong external magnetic field. 
  649.  
  650.     Nuclear and electron spin systems can be promoted to negative
  651. temperatures by suitable radio frequency techniques.   Various experiments
  652. in the calorimetry of negative temperatures, as well as applications of
  653. negative temperature systems as RF amplifiers, etc., can be found in the
  654. articles listed below, and the references therein. 
  655.  
  656. References:
  657.  
  658.         Kittel and Kroemer,_Thermal Physics_, appendix E.
  659.         N.F. Ramsey, "Thermodynamics and statistical mechanics at negative
  660.         absolute temperature,"  Phys. Rev. _103_, 20 (1956).
  661.         M.J. Klein,"Negative Absolute Temperature," Phys. Rev. _104_, 589 (1956).
  662.     
  663. ********************************************************************************
  664. Item 19.
  665.  
  666. Which Way Will my Bathtub Drain?                updated 16-MAR-1993 by SIC
  667. --------------------------------                original by Matthew R. Feinstein
  668.  
  669. Question: Does my bathtub drain differently depending on whether I live 
  670. in the northern or southern hemisphere?
  671.  
  672. Answer: No.  There is a real effect, but it is far too small to be relevant
  673. when you pull the plug in your bathtub.
  674.  
  675.     Because the earth rotates, a fluid that flows along the earth's
  676. surface feels a "Coriolis" acceleration perpendicular to its velocity.
  677. In the northern hemisphere low pressure storm systems spin counterclockwise.
  678. In the southern hemisphere, they spin clockwise because the direction 
  679. of the Coriolis acceleration is reversed.  This effect leads to the 
  680. speculation that the bathtub vortex that you see when you pull the plug 
  681. >from the drain spins one way in the north and the other way in the south.
  682.  
  683.     But this acceleration is VERY weak for bathtub-scale fluid
  684. motions.  The order of magnitude of the Coriolis acceleration can be
  685. estimated from size of the "Rossby number" (see below).  The effect of the 
  686. Coriolis acceleration on your bathtub vortex is SMALL.  To detect its 
  687. effect on your bathtub, you would have to get out and wait until the motion 
  688. in the water is far less than one rotation per day.  This would require 
  689. removing thermal currents, vibration, and any other sources of noise.  Under 
  690. such conditions, never occurring in the typical home, you WOULD see an 
  691. effect.  To see what trouble it takes to actually see the effect, see the 
  692. reference below.  Experiments have been done in both the northern and 
  693. southern hemispheres to verify that under carefully controlled conditions, 
  694. bathtubs drain in opposite directions due to the Coriolis acceleration from 
  695. the Earth's rotation. 
  696.  
  697.     Coriolis accelerations are significant when the Rossby number is 
  698. SMALL.     So, suppose we want a Rossby number of 0.1 and a bathtub-vortex
  699. length scale of 0.1 meter.  Since the earth's rotation rate is about
  700. 10^(-4)/second, the fluid velocity should be less than or equal to
  701. 2*10^(-6) meters/second.  This is a very small velocity.  How small is it? 
  702. Well, we can take the analysis a step further and calculate another, more
  703. famous dimensionless parameter, the Reynolds number. 
  704.  
  705.     The Reynolds number is = L*U*density/viscosity
  706.  
  707.     Assuming that physicists bathe in hot water the viscosity will be
  708. about 0.005 poise and the density will be about 1.0, so the Reynolds Number
  709. is about 4*10^(-2). 
  710.  
  711.     Now, life at low Reynolds numbers is different from life at high
  712. Reynolds numbers.  In particular, at low Reynolds numbers, fluid physics is
  713. dominated by friction and diffusion, rather than by inertia: the time it
  714. would take for a particle of fluid to move a significant distance due to an
  715. acceleration is greater than the time it takes for the particle to break up
  716. due to diffusion. 
  717.  
  718.     The same effect has been accused of responsibility for the 
  719. direction water circulates when you flush a toilet.  This is surely 
  720. nonsense.  In this case, the water rotates in the direction which the pipe 
  721. points which carries the water from the tank to the bowl.
  722.  
  723. Reference: Trefethen, L.M. et al, Nature 207 1084-5 (1965).
  724.  
  725. ********************************************************************************
  726. Item 20.
  727.  
  728. Why do Mirrors Reverse Left and Right?          updated 04-MAR-1994 by SIC
  729. --------------------------------------          original by Scott I. Chase
  730.  
  731.     The simple answer is that they don't.  Look in a mirror and wave
  732. your right hand.  On which side of the mirror is the hand that waved?  The
  733. right side, of course. 
  734.  
  735.     Mirrors DO reverse In/Out.  Imagine holding an arrow in your hand.  
  736. If you point it up, it will point up in the mirror.  If you point it to the 
  737. left, it will point to the left in the mirror.  But if you point it toward 
  738. the mirror, it will point right back at you.  In and Out are reversed. 
  739.  
  740.     If you take a three-dimensional, rectangular, coordinate system,
  741. (X,Y,Z), and point the Z axis such that the vector equation X x Y = Z is
  742. satisfied, then the coordinate system is said to be right-handed.  Imagine
  743. Z pointing toward the mirror.  X and Y are unchanged (remember the arrows?)
  744. but Z will point back at you.  In the mirror, X x Y = - Z.  The image
  745. contains a left-handed coordinate system. 
  746.  
  747.     This has an important effect, familiar mostly to chemists and
  748. physicists. It changes the chirality, or handedness, of objects viewed in
  749. the mirror. Your left hand looks like a right hand, while your right hand
  750. looks like a left hand.  Molecules often come in pairs called
  751. stereoisomers, which differ not in the sequence or number of atoms, but
  752. only in that one is the mirror image of the other, so that no rotation or
  753. stretching can turn one into the other.  Your hands make a good laboratory
  754. for this effect.  They are distinct, even though they both have the same
  755. components connected in the same way. They are a stereo pair, identical
  756. except for "handedness". 
  757.  
  758.     People sometimes think that mirrors *do* reverse left/right, and
  759. that the effect is due to the fact that our eyes are aligned horizontally
  760. on our faces.  This can be easily shown to be untrue by looking in any
  761. mirror with one eye closed! 
  762.  
  763. Reference:  _The Left Hand of the Electron_, by Isaac Asimov, contains 
  764. a very readable discussion of handedness and mirrors in physics.
  765.  
  766. ********************************************************************************
  767. Item 21.
  768.                                                 updated 16-MAR-1992 by SIC
  769.                                                 Original by John Blanton
  770. Why Do Stars Twinkle While Planets Do Not? 
  771. -----------------------------------------
  772.  
  773.     Stars, except for the Sun, although they may be millions of miles 
  774. in diameter, are very far away.  They appear as point sources even when
  775. viewed by telescopes.  The planets in our solar system, much smaller than
  776. stars, are closer and can be resolved as disks with a little bit of
  777. magnification (field binoculars, for example). 
  778.  
  779.     Since the Earth's atmosphere is turbulent, all images viewed up
  780. through it tend to "swim."  The result of this is that sometimes a single
  781. point in object space gets mapped to two or more points in image space, and
  782. also sometimes a single point in object space does not get mapped into any
  783. point in image space.  When a star's single point in object space fails to
  784. map to at least one point in image space, the star seems to disappear
  785. temporarily. This does not mean the star's light is lost for that moment. 
  786. It just means that it didn't get to your eye, it went somewhere else. 
  787.  
  788.     Since planets represent several points in object space, it is
  789. highly likely that one or more points in the planet's object space get
  790. mapped to a points in image space, and the planet's image never winks out. 
  791. Each individual ray is twinkling away as badly as any star, but when all of
  792. those individual rays are viewed together, the next effect is averaged out 
  793. to something considerably steadier. 
  794.  
  795.     The result is that stars tend to twinkle, and planets do not. 
  796. Other extended objects in space, even very far ones like nebulae, do not 
  797. twinkle if they are sufficiently large that they have non-zero apparent
  798. diameter when viewed from the Earth.
  799.  
  800. ********************************************************************************
  801. Item 22.
  802.  
  803. TIME TRAVEL - FACT OR FICTION?                  updated 07-MAR-1994
  804. ------------------------------                  original by Jon J. Thaler
  805.  
  806.     We define time travel to mean departure from a certain place and
  807. time followed (from the traveller's point of view) by arrival at the same
  808. place at an earlier (from the sedentary observer's point of view) time.
  809. Time travel paradoxes arise from the fact that departure occurs after
  810. arrival according to one observer and before arrival according to another. 
  811. In the terminology of special relativity time travel implies that the
  812. timelike ordering of events is not invariant.  This violates our intuitive
  813. notions of causality.  However, intuition is not an infallible guide, so we
  814. must be careful.  Is time travel really impossible, or is it merely another
  815. phenomenon where "impossible" means "nature is weirder than we think?"  The
  816. answer is more interesting than you might think. 
  817.  
  818. THE SCIENCE FICTION PARADIGM:
  819.  
  820.     The B-movie image of the intrepid chrononaut climbing into his time
  821. machine and watching the clock outside spin backwards while those outside
  822. the time machine watch the him revert to callow youth is, according to
  823. current theory, impossible.  In current theory, the arrow of time flows in
  824. only one direction at any particular place.  If this were not true, then
  825. one could not impose a 4-dimensional coordinate system on space-time, and
  826. many nasty consequences would result. Nevertheless, there is a scenario
  827. which is not ruled out by present knowledge.  This usually requires an 
  828. unusual spacetime topology (due to wormholes or strings in general 
  829. relativity) which has not yet seen, but which may be possible.  In 
  830. this scenario the universe is well behaved in every local region; only by 
  831. exploring the global properties does one discover time travel. 
  832.  
  833. CONSERVATION LAWS:
  834.  
  835.     It is sometimes argued that time travel violates conservation laws.
  836. For example, sending mass back in time increases the amount of energy that
  837. exists at that time.  Doesn't this violate conservation of energy?  This
  838. argument uses the concept of a global conservation law, whereas
  839. relativistically invariant formulations of the equations of physics only
  840. imply local conservation.  A local conservation law tells us that the
  841. amount of stuff inside a small volume changes only when stuff flows in or
  842. out through the surface.  A global conservation law is derived from this by
  843. integrating over all space and assuming that there is no flow in or out at
  844. infinity.  If this integral cannot be performed, then global conservation
  845. does not follow.  So, sending mass back in time might be all right, but it
  846. implies that something strange is happening.  (Why shouldn't we be able to
  847. do the integral?) 
  848.  
  849. GENERAL RELATIVITY:
  850.  
  851.     One case where global conservation breaks down is in general
  852. relativity. It is well known that global conservation of energy does not
  853. make sense in an expanding universe.  For example, the universe cools as it
  854. expands; where does the energy go?  See FAQ article #7 - Energy
  855. Conservation in Cosmology, for details. 
  856.  
  857.     It is interesting to note that the possibility of time travel in GR
  858. has been known at least since 1949 (by Kurt Godel, discussed in [1], page
  859. 168). The GR spacetime found by Godel has what are now called "closed
  860. timelike curves" (CTCs).  A CTC is a worldline that a particle or a person
  861. can follow which ends at the same spacetime point (the same position and
  862. time) as it started.   A solution to GR which contains CTCs cannot have a
  863. spacelike embedding - space must have "holes" (as in donut holes, not holes
  864. punched in a sheet of paper).  A would-be time traveller must go around or
  865. through the holes in a clever way. 
  866.  
  867.     The Godel solution is a curiosity, not useful for constructing a
  868. time machine.  Two recent proposals, one by Morris, et al. [2] and one by
  869. Gott [3], have the possibility of actually leading to practical devices (if
  870. you believe this, I have a bridge to sell you).   As with Godel, in these
  871. schemes nothing is locally strange; time travel results from the unusual
  872. topology of spacetime.  The first uses a wormhole (the inner part of a
  873. black hole, see fig. 1 of [2]) which is held open and manipulated by
  874. electromagnetic forces.  The second uses the conical geometry generated by
  875. an infinitely long string of mass.  If two strings pass by each other, a
  876. clever person can go into the past by traveling a figure-eight path around
  877. the strings.  In this scenario, if the string has non-zero diameter and
  878. finite mass density, there is a CTC without any unusual topology.
  879.  
  880. GRANDFATHER PARADOXES:
  881.  
  882.     With the demonstration that general relativity contains CTCs,
  883. people began studying the problem of self-consistency.  Basically, the
  884. problem is that of the "grandfather paradox":  What happens if our time
  885. traveller kills her grandmother before her mother was born?  In more
  886. readily analyzable terms, one can ask what are the implications of the
  887. quantum mechanical interference of the particle with its future self.
  888. Boulware [5] shows that there is a problem - unitarity is violated. This is
  889. related to the question of when one can do the global conservation integral
  890. discussed above.  It is an example of the "Cauchy problem" [1, chapter 7]. 
  891.  
  892. OTHER PROBLEMS (and an escape hatch?):
  893.  
  894.     How does one avoid the paradox that a simple solution to GR has
  895. CTCs which QM does not like?  This is not a matter of applying a theory in
  896. a domain where it is expected to fail.  One relevant issue is the
  897. construction of the time machine.  After all, infinite strings aren't
  898. easily obtained.  In fact, it has been shown [4] that Gott's scenario
  899. implies that the total 4-momentum of spacetime must be spacelike.  This
  900. seems to imply that one cannot build a time machine from any collection of
  901. non-tachyonic objects, whose 4-momentum must be timelike.  There are 
  902. implementation problems with the wormhole method as well.
  903.  
  904. TACHYONS:
  905.  
  906. Finally, a diversion on a possibly related topic.
  907.  
  908.     If tachyons exist as physical objects, causality is no longer
  909. invariant. Different observers will see different causal sequences.  This
  910. effect requires only special relativity (not GR), and follows from the fact
  911. that for any spacelike trajectory, reference frames can be found in which
  912. the particle moves backward or forward in time.  This is illustrated by the
  913. pair of spacetime diagrams below.  One must be careful about what is
  914. actually observed; a particle moving backward in time is observed to be a
  915. forward moving anti-particle, so no observer interprets this as time
  916. travel. 
  917.  
  918.                 t
  919. One reference   |                    Events A and C are at the same
  920. frame:          |                    place.  C occurs first.
  921.                 |
  922.                 |                    Event B lies outside the causal
  923.                 |          B         domain of events A and C.
  924.      -----------A----------- x       (The intervals are spacelike).
  925.                 |
  926.                 C                    In this frame, tachyon signals
  927.                 |                    travel from A-->B and from C-->B.
  928.                 |                    That is, A and C are possible causes
  929.                                      of event B.
  930.  
  931. Another         t
  932. reference       |                    Events A and C are not at the same
  933. frame:          |                    place.  C occurs first.
  934.                 |
  935.                 |                    Event B lies outside the causal
  936.      -----------A----------- x       domain of events A and C. (The
  937.                 |                    intervals are spacelike)
  938.                 |
  939.                 |   C                In this frame, signals travel from
  940.                 |                    B-->A and from B-->C.  B is the cause
  941.                 |             B      of both of the other two events.
  942.  
  943.     The unusual situation here arises because conventional causality
  944. assumes no superluminal motion.  This tachyon example is presented to
  945. demonstrate that our intuitive notion of causality may be flawed, so one
  946. must be careful when appealing to common sense.  See FAQ article # 25 -
  947. Tachyons, for more about these weird hypothetical particles. 
  948.  
  949. CONCLUSION:
  950.  
  951.     The possible existence of time machines remains an open question. 
  952. None of the papers criticizing the two proposals are willing to
  953. categorically rule out the possibility.  Nevertheless, the notion of time
  954. machines seems to carry with it a serious set of problems. 
  955.  
  956. REFERENCES:
  957.  
  958. 1: S.W. Hawking, and G.F.R. Ellis, "The Large Scale Structure of Space-Time,"
  959.    Cambridge University Press, 1973.
  960. 2: M.S. Morris, K.S. Thorne, and U. Yurtsever, PRL, v.61, p.1446 (1989).
  961.    --> How wormholes can act as time machines.
  962. 3: J.R. Gott, III, PRL, v.66, p.1126 (1991).
  963.    --> How pairs of cosmic strings can act as time machines.
  964. 4: S. Deser, R. Jackiw, and G. 't Hooft, PRL, v.66, p.267 (1992).
  965.    --> A critique of Gott.  You can't construct his machine.
  966. 5: D.G. Boulware, University of Washington preprint UW/PT-92-04.
  967.    Available on the hep-th@xxx.lanl.gov bulletin board: item number 9207054.
  968.    --> Unitarity problems in QM with closed timelike curves.
  969. 6: "Nature", May 7, 1992
  970.    --> Contains a very well written review with some nice figures.
  971.  
  972. ********************************************************************************
  973. Item 23.
  974.  
  975. Open Questions                                  updated 01-JUN-1993 by SIC
  976. --------------                                  original by John Baez
  977.  
  978.     While for the most part a FAQ covers the answers to frequently
  979. asked questions whose answers are known, in physics there are also plenty
  980. of simple and interesting questions whose answers are not known. Before you
  981. set about answering these questions on your own, it's worth noting that
  982. while nobody knows what the answers are, there has been at least a little,
  983. and sometimes a great deal, of work already done on these subjects. People
  984. have said a lot of very intelligent things about many of these questions. 
  985. So do plenty of research and ask around before you try to cook up a theory
  986. that'll answer one of these and win you the Nobel prize!  You can expect to
  987. really know physics inside and out before you make any progress on these. 
  988.  
  989.     The following partial list of "open" questions is divided into two
  990. groups, Cosmology and Astrophysics, and Particle and Quantum Physics. 
  991. However, given the implications of particle physics on cosmology, the
  992. division is somewhat artificial, and, consequently, the categorization is 
  993. somewhat arbitrary.  
  994.  
  995.     (There are many other interesting and fundamental questions in 
  996. fields such as condensed matter physics, nonlinear dynamics, etc., which 
  997. are not part of the set of related questions in cosmology and quantum 
  998. physics which are discussed below.  Their omission is not a judgement 
  999. about importance, but merely a decision about the scope of this article.)
  1000.     
  1001. Cosmology and Astrophysics
  1002. --------------------------
  1003.  
  1004. 1.  What happened at or before the Big Bang?  Was there really an initial
  1005. singularity?  Of course, this question might not make sense, but it might.
  1006. Does the history of the Universe go back in time forever, or only a finite
  1007. amount? 
  1008.  
  1009. 2.  Will the future of the universe go on forever or not?  Will there be a
  1010. "big crunch" in the future?  Is the Universe infinite in spatial extent? 
  1011.  
  1012. 3.  Why is there an arrow of time; that is, why is the future so much
  1013. different from the past?
  1014.  
  1015. 4.  Is spacetime really four-dimensional?   If so, why - or is that just a
  1016. silly question?  Or is spacetime not really a manifold at all if examined
  1017. on a short enough distance scale? 
  1018.  
  1019. 5.  Do black holes really exist?  (It sure seems like it.)  Do they really
  1020. radiate energy and evaporate the way Hawking predicts?  If so, what happens
  1021. when, after a finite amount of time, they radiate completely away?  What's
  1022. left?  Do black holes really violate all conservation laws except
  1023. conservation of energy, momentum, angular momentum and electric charge? 
  1024. What happens to the information contained in an object that falls into a 
  1025. black hole?  Is it lost when the black hole evaporates?  Does this require 
  1026. a modification of quantum mechanics?
  1027.  
  1028. 6.  Is the Cosmic Censorship Hypothesis true?  Roughly, for generic
  1029. collapsing isolated gravitational systems are the singularities that might
  1030. develop guaranteed to be hidden beyond a smooth event horizon?  If Cosmic
  1031. Censorship fails, what are these naked singularities like?  That is, what 
  1032. weird physical consequences would they have? 
  1033.  
  1034. 7.  Why are the galaxies distributed in clumps and filaments?  Is most of
  1035. the matter in the universe baryonic?  Is this a matter to be resolved by
  1036. new physics? 
  1037.  
  1038. 8.  What is the nature of the missing "Dark Matter"?  Is it baryonic, 
  1039. neutrinos, or something more exotic?  
  1040.  
  1041. Particle and Quantum Physics
  1042. ----------------------------
  1043.  
  1044. 1.  Why are the laws of physics not symmetrical between left and right,
  1045. future and past, and between matter and antimatter?  I.e., what is the
  1046. mechanism of CP violation, and what is the origin of parity violation in
  1047. Weak interactions?  Are there right-handed Weak currents too weak to have
  1048. been detected so far?  If so, what broke the symmetry?  Is CP violation 
  1049. explicable entirely within the Standard Model, or is some new force or
  1050. mechanism required?
  1051.  
  1052. 2.  Why are the strengths of the fundamental forces (electromagnetism, weak
  1053. and strong forces, and gravity) what they are?  For example, why is the
  1054. fine structure constant, which measures the strength of electromagnetism,
  1055. about 1/137.036?  Where did this dimensionless constant of nature come from? 
  1056. Do the forces really become Grand Unified at sufficiently high energy?
  1057.  
  1058. 3.  Why are there 3 generations of leptons and quarks?  Why are their mass
  1059. ratios what they are?  For example, the muon is a particle almost exactly
  1060. like the electron except about 207 times heavier.  Why does it exist and
  1061. why precisely that much heavier?   Do the quarks or leptons have any 
  1062. substructure? 
  1063.  
  1064. 4.  Is there a consistent and acceptable relativistic quantum field theory
  1065. describing interacting (not free) fields in four spacetime dimensions?  For
  1066. example, is the Standard Model mathematically consistent?  How about
  1067. Quantum Electrodynamics? 
  1068.  
  1069. 5.  Is QCD a true description of quark dynamics?  Is it possible to
  1070. calculate masses of hadrons (such as the proton, neutron, pion, etc.)
  1071. correctly from the Standard Model?  Does QCD predict a quark/gluon
  1072. deconfinement phase transition at high temperature?  What is the nature of
  1073. the transition?  Does this really happen in Nature? 
  1074.  
  1075. 6.  Why is there more matter than antimatter, at least around here? Is
  1076. there really more matter than antimatter throughout the universe? 
  1077.  
  1078. 7.  What is meant by a "measurement" in quantum mechanics?  Does
  1079. "wavefunction collapse" actually happen as a physical process?  If so, how,
  1080. and under what conditions?  If not, what happens instead? 
  1081.  
  1082. 8.  What are the gravitational effects, if any, of the immense (possibly
  1083. infinite) vacuum energy density seemingly predicted by quantum field
  1084. theory?  Is it really that huge?  If so, why doesn't it act like an
  1085. enormous cosmological constant? 
  1086.  
  1087. 9.  Why doesn't the flux of solar neutrinos agree with predictions?  Is the
  1088. disagreement really significant?  If so, is the discrepancy in models of
  1089. the sun, theories of nuclear physics, or theories of neutrinos?  Are
  1090. neutrinos really massless? 
  1091.  
  1092. The Big Question (TM)
  1093. ---------------------
  1094.  
  1095. This last question sits on the fence between the two categories above:
  1096.  
  1097.     How do you merge Quantum Mechanics and General Relativity to create a
  1098. quantum theory of gravity?  Is Einstein's theory of gravity (classical GR)
  1099. also correct in the microscopic limit, or are there modifications
  1100. possible/required which coincide in the observed limit(s)?  Is gravity
  1101. really curvature, or what else -- and why does it then look like curvature? 
  1102. An answer to this question will necessarily rely upon, and at the same time
  1103. likely be a large part of, the answers to many of the other questions above.
  1104.  
  1105. ********************************************************************************
  1106. END OF FAQ PART 3/4
  1107.