home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Meeting Pearls 1 / Meeting Pearls Vol 1 (1994).iso / installed_progs / text / faqs / physics-faq.part3 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1994-05-01  |  52.2 KB

  1. Subject: Sci.physics Frequently Asked Questions - May 1994 - Part 3/4
  2. Newsgroups: sci.physics,sci.physics.particle,alt.sci.physics.new-theories,news.answers,sci.answers,alt.answers
  3. From: sichase@csa2.lbl.gov (SCOTT I CHASE)
  4. Date: 30 Apr 1994 17:02 PST
  5.  
  6. Archive-name: physics-faq/part3
  7. Last-modified: 26-APR-1994
  8.  
  9. --------------------------------------------------------------------------------
  10.                FREQUENTLY ASKED QUESTIONS ON SCI.PHYSICS - Part 3/4
  11. --------------------------------------------------------------------------------
  12. Item 16.
  13.                                                 updated 9-DEC-1993 by SIC
  14.                                                 Original by Bill Johnson
  15. How to Change Nuclear Decay Rates
  16. ---------------------------------
  17.  
  18. "I've had this idea for making radioactive nuclei decay faster/slower than
  19. they normally do.  You do [this, that, and the other thing].  Will this work?" 
  20.  
  21. Short Answer: Possibly, but probably not usefully.
  22.  
  23. Long Answer:
  24.  
  25.     "One of the paradigms of nuclear science since the very early days
  26. of its study has been the general understanding that the half-life, or
  27. decay constant, of a radioactive substance is independent of extranuclear
  28. considerations."  (Emery, cited below.)  Like all paradigms, this one is
  29. subject to some interpretation. Normal decay of radioactive stuff proceeds
  30. via one of four mechanisms: 
  31.  
  32.     * Emission of an alpha particle -- a helium-4 nucleus -- reducing
  33.     the number of protons and neutrons present in the parent nucleus 
  34.     by two each; 
  35.     * "Beta decay," encompassing several related phenomena in which a
  36.     neutron in the nucleus turns into a proton, or a proton turns into 
  37.     a neutron -- along with some other things including emission of 
  38.     a neutrino.  The "other things", as we shall see, are at the bottom
  39.     of several questions involving perturbation of decay rates; 
  40.     * Emission of one or more gamma rays -- energetic photons -- that
  41.     take a nucleus from an excited state to some other (typically
  42.     ground) state; some of these photons may be replaced by 
  43.     "conversion electrons," of which more shortly; or 
  44.     *Spontaneous fission, in which a sufficiently heavy nucleus simply
  45.     breaks in half.  Most of the discussion about alpha particles will
  46.     also apply to spontaneous fission.
  47.  
  48. Gamma emission often occurs from the daughter of one of the other decay
  49. modes.  We neglect *very* exotic processes like C-14 emission or double
  50. beta decay in this analysis. 
  51.  
  52.     "Beta decay" refers most often to a nucleus with a neutron excess,
  53. which decays by converting a neutron into a proton:
  54.  
  55.          n ----> p + e- + anti-nu(e),
  56.  
  57. where n means neutron, p means proton, e- means electron, and anti-nu(e) 
  58. means an antineutrino of the electron type.  The type of beta decay which
  59. involves destruction of a proton is not familiar to many people, so
  60. deserves a little elaboration.  Either of two processes may occur when this
  61. kind of decay happens: 
  62.  
  63.         p ----> n + e+ + nu(e), 
  64.  
  65. where e+ means positron and nu(e) means electron neutrino; or
  66.  
  67.         p + e- ----> n + nu(e),
  68.  
  69. where e- means a negatively charged electron, which is captured from the
  70. neighborhood of the nucleus undergoing decay.  These processes are called
  71. "positron emission" and "electron capture," respectively.  A given nucleus
  72. which has too many protons for stability may undergo beta decay through
  73. either, and typically both, of these reactions. 
  74.  
  75.     "Conversion electrons" are produced by the process of "internal
  76. conversion," whereby the photon that would normally be emitted in gamma
  77. decay is *virtual* and its energy is absorbed by an atomic electron.  The
  78. absorbed energy is sufficient to unbind the electron from the nucleus
  79. (ignoring a few exceptional cases), and it is ejected from the atom as a
  80. result. 
  81.  
  82.     Now for the tie-in to decay rates.  Both the electron-capture and
  83. internal conversion phenomena require an electron somewhere close to the
  84. decaying nucleus.  In any normal atom, this requirement is satisfied in
  85. spades: the innermost electrons are in states such that their probability
  86. of being close to the nucleus is both large and insensitive to things in
  87. the environment.  The decay rate depends on the electronic wavefunctions,
  88. i.e, how much of their time the inner electrons spend very near the 
  89. nucleus -- but only very weakly. For most nuclides that decay by electron 
  90. capture or internal conversion, most of the time, the probability of 
  91. grabbing or converting an electron is also insensitive to the environment, 
  92. as the innermost electrons are the ones most likely to get grabbed/converted. 
  93.  
  94.     However, there are exceptions, the most notable being the
  95. the astrophysically important isotope beryllium-7.  Be-7 decays purely
  96. by electron capture (positron emission being impossible because of
  97. inadequate decay energy) with a half-life of somewhat over 50 days.  It has
  98. been shown that differences in chemical environment result in half-life
  99. variations of the order of 0.2%, and high pressures produce somewhat
  100. similar changes. Other cases where known changes in decay rate occur are
  101. Zr-89 and Sr-85, also electron capturers; Tc-99m ("m" implying an excited
  102. state), which decays by both beta and gamma emission; and various other
  103. "metastable" things that decay by gamma emission with internal conversion. 
  104. With all of these other cases the magnitude of the effect is less than is
  105. typically the case with Be-7. 
  106.  
  107.     What makes these cases special?  The answer is that one or another
  108. of the usual starting assumptions -- insensitivity of electron wave
  109. function near the nucleus to external forces, or availability of the
  110. innermost electrons for capture/conversion -- are not completely valid. 
  111. Atomic beryllium only has 4 electrons to begin with, so that the "innermost
  112. electrons" are also practically the *outermost* ones and therefore much
  113. more sensitive to chemical effects than usual.  With most of the other
  114. cases, there is so little energy available from the decay (as little as a
  115. few electron volts; compare most radioactive decays, where hundreds or
  116. thousands of *kilo*volts are released), courtesy of accidents of nuclear
  117. structure, that the innermost electrons can't undergo internal conversion. 
  118. Remember that converting an electron requires dumping enough energy into it
  119. to expel it from the atom (more or less); "enough energy," in context, is
  120. typically some tens of keV, so they don't get converted at all in these
  121. cases.  Conversion therefore works only on some of the outer electrons,
  122. which again are more sensitive to the environment. 
  123.  
  124.     A real anomaly is the beta emitter Re-187.  Its decay energy is
  125. only about 2.6 keV, practically nothing by nuclear standards.  "That this
  126. decay occurs at all is an example of the effects of the atomic environment
  127. on nuclear decay: the bare nucleus Re-187 [i.e., stripped of all orbital
  128. electrons -- MWJ] is stable against beta decay [but not to bound state
  129. beta decay, in which the outgoing electron is captured by the daughter
  130. nucleus into a tightly bound orbital -SIC] and it is the difference of
  131. 15 keV in the total electronic binding energy of osmium [to which it decays
  132. -- MWJ] and rhenium ... which makes the decay possible" (Emery).  The
  133. practical significance of this little peculiarity, of course, is low, as
  134. Re-187 already has a half life of over 10^10 years.   
  135.  
  136.     Alpha decay and spontaneous fission might also be affected by
  137. changes in the electron density near the nucleus, for a different reason. 
  138. These processes occur as a result of penetration of the "Coulomb barrier"
  139. that inhibits emission of charged particles from the nucleus, and their
  140. rate is *very* sensitive to the height of the barrier.  Changes in the
  141. electron density could, in principle, affect the barrier by some tiny
  142. amount.  However, the magnitude of the effect is *very* small, according to
  143. theoretical calculations; for a few alpha emitters, the change has been
  144. estimated to be of the order of 1 part in 10^7 (!) or less, which would be
  145. unmeasurable in view of the fact that the alpha emitters' half lives aren't
  146. known to that degree of accuracy to begin with. 
  147.  
  148.     All told, the existence of changes in radioactive decay rates due
  149. to the environment of the decaying nuclei is on solid grounds both
  150. experimentally and theoretically.  But the magnitude of the changes is
  151. nothing to get very excited about. 
  152.  
  153. Reference: The best review article on this subject is now 20 years old: G.
  154. T. Emery, "Perturbation of Nuclear Decay Rates," Annual Review of Nuclear
  155. Science vol. 22, p. 165 (1972).  Papers describing specific experiments are
  156. cited in that article, which contains considerable arcane math but also
  157. gives a reasonable qualitative "feel" for what is involved. 
  158.  
  159. ********************************************************************************
  160.  
  161. Item 17.
  162.                         original by Blair P. Houghton
  163.                         (blair@world.std.com)
  164.  
  165. What is a Dippy Bird, and how is it used?
  166. -----------------------------------------
  167.  
  168. The Anatomy and Habits of a Dippy Bird:
  169.  
  170. 1.  The armature:  The body of the bird is a straight tube attached to two
  171. bulbs, approximately the same size, one at either end.  The tube flows into
  172. the upper bulb, like the neck of a funnel, and extends almost to the bottom
  173. of the lower bulb, like the straw in a soda. 
  174.  
  175. 2.  The pivot:  At about the middle of the tube is clamped a transverse
  176. bar, which allows the apparatus to pivot on a stand (the legs).  The bar is
  177. bent very slightly concave dorsally, to unbalance the bird in the forward
  178. direction (thus discouraging dips to the rear).  The ends of the pivot have
  179. downward protrusions, which hit stops on the stand placed so that the bird
  180. is free to rock when in a vertical position, but can not quite rotate
  181. enough to be horizontal during a dip. 
  182.  
  183. 3.  The wick:  The upper bulb is coated in fuzzy material, and has extended
  184. from it a beak, made of or covered in the same material. 
  185.  
  186. 4.  The tail.  The tail has no significant external features, except that
  187. it should not be insulated (skin-oil deposited on the bird's glass parts
  188. from handling will insulate it and can affect its operation). 
  189.  
  190. 5.  The guts:  The bird is partially filled with a somewhat carefully
  191. measured amount of a fluid with suitable lack of viscosity and density and
  192. a low latent heat of evaporation (small d(energy)/d(mass), ld).  For water,
  193. ld is 2250 kJ/kg; for methylene chloride, ld is 406; for mercury, ld is a
  194. wondrous 281; ethyl alcohol has an ld of 880, more than twice that of MC.
  195. Boiling point is not important, here; evaporation and condensation take
  196. place on the surface of a liquid at any temperature.
  197.  
  198. 6.  The frills:  Any hats, eyes, feathers, or liquid coloring have been
  199. added purely for entertainment value. (An anecdote:  as it stood pumping in
  200. the Arizona sun on my kitchen windowsill for several days, the rich,
  201. Kool-Aid red of my bird's motorwater faded to a pale peach.  I have since
  202. retired him to the mantelpiece in the family room). 
  203.  
  204. 7.  Shreddin':  The bird is operated by getting the head wet, taking care
  205. not to make it so wet that it drips down the tube.  (Water on the bottom
  206. bulb will reverse the thermodynamic processes.)  The first cycle will
  207. take somewhat longer than the following cycles.  If you can keep water
  208. where the bird can dip it, the bird will dip for as long as the ambient
  209. humidity remains favorable.
  210.  
  211.  
  212. Come on, how does it really work?
  213. ---------------------------------
  214.  
  215. Short answer:  Thermodynamics plus Mechanics.
  216.  
  217. Medium answer (and essential clues):  Evaporative cooling on the outside;
  218. pV=nRT, evaporation/condensation, and gravity on the inside.
  219.  
  220. Long answer:
  221.  
  222.     Initially the system is at equilibrium, with T equal in both
  223. chambers and pV/n in each compensating for the fluid levels.  Evaporation
  224. of water outside the head draws heat from inside it; the vapor inside
  225. condenses, reducing pV/RT.  This imbalances the pressures, so the vapor in
  226. the abdomen pushes down, which pushes fluid up the thorax, which reduces V
  227. in the head.  Since p is decreasing in the abdomen, evaporation occurs,
  228. increasing n, and drawing heat from outside the body. 
  229.  
  230.     The rising fluid raises the CM above the pivot point; the hips are
  231. slightly concave dorsally, so the bird dips forward.  Tabs on the legs and
  232. the pivot maintain the angle at full dip, for drainage.  The amount of
  233. fluid is set so that at full dip the lower end of the tube is exposed to
  234. the vapor.  (The tube reaches almost to the bottom of the abdomen, like a
  235. straw in a soda, but flows into the head like the neck of a funnel.)  A
  236. bubble of vapor rises in the tube and fluid drains into the abdomen. 
  237.  
  238.     The rising bubble transfers heat to the head and the falling fluid
  239. releases gravitational potential energy as heat into the rising bubble and
  240. the abdomen.  The CM drops below the pivot point and the bird bobs up.  The
  241. system is thus reset; it's not quite at equilibrium, but is close enough
  242. that the process can repeat this chain of events. 
  243.  
  244.     The beak acts as a wick, if allowed to dip into a reservoir of
  245. water, to keep the head wet, although it is not necessary for the bird to
  246. drink on every dip. 
  247.  
  248.  
  249. Is that all there is to know about dippy birds?
  250. -----------------------------------------------
  251.  
  252.     Of course not.  Research continues to unravel these unanswered
  253. questions about the amazing dippy-bird:
  254.  
  255. 1.  All of the energy gained by the rising fluid is returned to the system
  256. when the fluid drops; where does this energy go, in what proportions, and
  257. how does this affect the rate at which the bird operates? 
  258.  
  259. 2.  The heat that evaporates the water comes from both the surrounding air
  260. and the inside of the head; but, in what proportion?
  261.  
  262. 3.  Exactly what should the fluid be?  Methylene Chloride is an excellent
  263. candidate, since it's listed in the documentation for recent birds sold by
  264. Edmund Scientific Corp. (trade named Happy Drinking Bird), and because its
  265. latent heat of evaporation (ld) is 406 kJ/kg, compared to 2250 kJ/kg for
  266. water (a 5.5:1 ratio of condensed MC to evaporated water, if all
  267. water-evaporating heat comes from inside the bird).  Ethanol, at 880 kJ/kG,
  268. is only half as efficient.  Mercury would likewise be a good prospective
  269. choice, having an ld of 281 kJ/kG (8:1!), but is expensive and dangerous,
  270. and its density would require careful redesign and greater quality control
  271. in the abdomen and pivot-stops to ensure proper operation at full dip; this
  272. does, however, indicate that the apparatus could be made in miniature,
  273. filled with mercury, and sold through a catalog-store such as The Sharper
  274. Image as a wildly successful yuppie desk-toy (Consider the submission of
  275. this FAQ entry to be prior art for patent purposes). 
  276.  
  277. 4.  Does ambient temperature have an effect on operation aside from the
  278. increase in rate of evaporation of water? I.e., if the temperature and
  279. humidity can be controlled independently such that the rate of evaporation
  280. can be kept constant, what effect does such a change in ambient temperature
  281. and humidity have on the operation of the bird? Is the response transient,
  282. permanent, or composed of both? 
  283.  
  284. Dippy Bird Tips:
  285. ----------------
  286.  
  287.     They have real trouble working at all in humid climates (like
  288. around the U. of Md., where I owned my first one), but can drive you bats
  289. in dry climates (aside from the constant hammering, it's hard to keep the
  290. water up to a level where the bird can get at it...).  The evaporation of
  291. water from the head depends on the diffusibility of water vapor into the
  292. atmosphere; high partial pressures of water vapor in the atmosphere
  293. translate to low rates of evaporation. 
  294.  
  295.     If you handle your bird, clean the glass with alcohol or Windex
  296. or Dawn or something; the oil from your hands has a high specific heat,
  297. which damps the transfer of heat, and a low thermal conductivity, which
  298. attenuates the transfer of heat. Once it's clean, grasp the bird only by
  299. the legs or the tube, which are not thermodynamically significant, or
  300. wear rubber gloves, just like a real EMT.
  301.  
  302.     The hat is there for show; the dippy bird operates okay with or
  303. without it, even though it may reduce the area of evaporation slightly. 
  304. Ditto the feathers and the eyes. 
  305.  
  306. Bibliography:
  307. -------------
  308.  
  309.     Chemical data from Gieck, K., _Engineering Formulas_, 3d. Ed.,
  310. McGraw-Hill, 1979, as translated by J. Walters, B. Sc.  
  311.  
  312.     I've also heard that SciAm had an "Amateur Scientist" column on
  313. this technology a few years ago.  Perhaps someone who understands how a
  314. library works could look up the yr and vol...
  315.  
  316.     Kool-Aid is a trademark of some huge corporation that makes its
  317. money a farthing at a time...
  318.  
  319. ********************************************************************************
  320. Item 18.
  321.  
  322. Some Frequently Asked Questions About Black Holes   updated 2-JUL-1993 by MM 
  323. -------------------------------------------------   original by Matt McIrvin
  324.  
  325. Contents:
  326.  
  327. 1. What is a black hole, really?
  328. 2. What happens to you if you fall in?
  329. 3. Won't it take forever for you to fall in?  Won't it take forever
  330.    for the black hole to even form? 
  331. 4. Will you see the universe end?
  332. 5. What about Hawking radiation?  Won't the black hole evaporate 
  333.    before you get there?
  334. 6. How does the gravity get out of the black hole?
  335. 7. Where did you get that information?
  336.  
  337. 1. What is a black hole, really?
  338.  
  339.     In 1916, when general relativity was new, Karl Schwarzschild worked
  340. out a useful solution to the Einstein equation describing the evolution of
  341. spacetime geometry.  This solution, a possible shape of spacetime, would
  342. describe the effects of gravity *outside* a spherically symmetric,
  343. uncharged, nonrotating object (and would serve approximately to describe
  344. even slowly rotating objects like the Earth or Sun).  It worked in much the
  345. same way that you can treat the Earth as a point mass for purposes of
  346. Newtonian gravity if all you want to do is describe gravity *outside* the
  347. Earth's surface. 
  348.  
  349.     What such a solution really looks like is a "metric," which is a
  350. kind of generalization of the Pythagorean formula that gives the length of
  351. a line segment in the plane.  The metric is a formula that may be used to
  352. obtain the "length" of a curve in spacetime.  In the case of a curve
  353. corresponding to the motion of an object as time passes (a "timelike
  354. worldline,") the "length" computed by the metric is actually the elapsed
  355. time experienced by an object with that motion.  The actual formula depends
  356. on the coordinates chosen in which to express things, but it may be
  357. transformed into various coordinate systems without affecting anything
  358. physical, like the spacetime curvature.  Schwarzschild expressed his metric
  359. in terms of coordinates which, at large distances from the object,
  360. resembled spherical coordinates with an extra coordinate t for time. 
  361. Another coordinate, called r, functioned as a radial coordinate at large
  362. distances; out there it just gave the distance to the massive object. 
  363.  
  364.     Now, at small radii, the solution began to act strangely.  There
  365. was a "singularity" at the center, r=0, where the curvature of spacetime
  366. was infinite.  Surrounding that was a region where the "radial" direction
  367. of decreasing r was actually a direction in *time* rather than in space.
  368. Anything in that region, including light, would be obligated to fall toward
  369. the singularity, to be crushed as tidal forces diverged. This was separated
  370. from the rest of the universe by a place where Schwarzschild's coordinates
  371. blew up, though nothing was wrong with the curvature of spacetime there. 
  372. (This was called the Schwarzschild radius.  Later, other coordinate systems
  373. were discovered in which the blow-up didn't happen; it was an artifact of
  374. the coordinates, a little like the problem of defining the longitude of the
  375. North Pole.  The physically important thing about the Schwarzschild radius
  376. was not the coordinate problem, but the fact that within it the direction
  377. into the hole became a direction in time.) 
  378.  
  379.     Nobody really worried about this at the time, because there was no
  380. known object that was dense enough for that inner region to actually be
  381. outside it, so for all known cases, this odd part of the solution would not
  382. apply.  Arthur Stanley Eddington considered the possibility of a dying star
  383. collapsing to such a density,  but rejected it as aesthetically unpleasant
  384. and proposed that some new physics must intervene.  In 1939, Oppenheimer
  385. and Snyder finally took seriously the possibility that stars a few times
  386. more massive than the sun might be doomed to collapse to such a state at
  387. the end of their lives. 
  388.  
  389.     Once the star gets smaller than the place where Schwarzschild's
  390. coordinates fail (called the Schwarzschild radius for an uncharged,
  391. nonrotating object, or the event horizon) there's no way it can avoid
  392. collapsing further.  It has to collapse all the way to a singularity for
  393. the same reason that you can't keep from moving into the future! Nothing
  394. else that goes into that region afterward can avoid it either, at least in
  395. this simple case.  The event horizon is a point of no return. 
  396.  
  397.     In 1971 John Archibald Wheeler named such a thing a black hole,
  398. since light could not escape from it.  Astronomers have many candidate
  399. objects they think are probably black holes, on the basis of several kinds
  400. of evidence (typically they are dark objects whose large mass can be
  401. deduced from their gravitational effects on other objects, and which
  402. sometimes emit X-rays, presumably from infalling matter).  But the
  403. properties of black holes I'll talk about here are entirely theoretical.
  404. They're based on general relativity, which is a theory that seems supported
  405. by available evidence. 
  406.  
  407. 2. What happens to you if you fall in?
  408.  
  409.     Suppose that, possessing a proper spacecraft and a self-destructive
  410. urge, I decide to go black-hole jumping and head for an uncharged,
  411. nonrotating ("Schwarzschild") black hole.  In this and other kinds of hole,
  412. I won't, before I fall in, be able to see anything within the event
  413. horizon.  But there's nothing *locally* special about the event horizon;
  414. when I get there it won't seem like a particularly unusual place, except
  415. that I will see strange optical distortions of the sky around me from all
  416. the bending of light that goes on.  But as soon as I fall through, I'm
  417. doomed.  No bungee will help me, since bungees can't keep Sunday from
  418. turning into Monday.  I have to hit the singularity eventually, and before
  419. I get there there will be enormous tidal forces-- forces due to the
  420. curvature of spacetime-- which will squash me and my spaceship in some
  421. directions and stretch them in another until I look like a piece of
  422. spaghetti.  At the singularity all of present physics is mute as to what
  423. will happen, but I won't care.  I'll be dead. 
  424.  
  425.     For ordinary black holes of a few solar masses, there are actually
  426. large tidal forces well outside the event horizon, so I probably wouldn't
  427. even make it into the hole alive and unstretched.  For a black hole of 8
  428. solar masses, for instance, the value of r at which tides become fatal is
  429. about 400 km, and the Schwarzschild radius is just 24 km.  But tidal
  430. stresses are proportional to M/r^3.  Therefore the fatal r goes as the cube
  431. root of the mass, whereas the Schwarzschild radius of the black hole is
  432. proportional to the mass.  So for black holes larger than about 1000 solar
  433. masses I could probably fall in alive, and for still larger ones I might
  434. not even notice the tidal forces until I'm through the horizon and doomed. 
  435.  
  436. 3. Won't it take forever for you to fall in?  Won't it take forever
  437.    for the black hole to even form?
  438.  
  439.     Not in any useful sense.  The time I experience before I hit the
  440. event horizon, and even until I hit the singularity-- the "proper time"
  441. calculated by using Schwarzschild's metric on my worldline -- is finite. 
  442. The same goes for the collapsing star; if I somehow stood on the surface of
  443. the star as it became a black hole, I would experience the star's demise in
  444. a finite time. 
  445.  
  446.     On my worldline as I fall into the black hole, it turns out that
  447. the Schwarzschild coordinate called t goes to infinity when I go through
  448. the event horizon.  That doesn't correspond to anyone's proper time,
  449. though; it's just a coordinate called t.  In fact, inside the event
  450. horizon, t is actually a *spatial* direction, and the future corresponds
  451. instead to decreasing r.  It's only outside the black hole that t even
  452. points in a direction of increasing time.  In any case, this doesn't
  453. indicate that I take forever to fall in, since the proper time involved is
  454. actually finite. 
  455.  
  456.     At large distances t *does* approach the proper time of someone who
  457. is at rest with respect to the black hole.  But there isn't any
  458. non-arbitrary sense in which you can call t at smaller r values "the proper
  459. time of a distant observer," since in general relativity there is no
  460. coordinate-independent way to say that two distant events are happening "at
  461. the same time."  The proper time of any observer is only defined locally. 
  462.  
  463.     A more physical sense in which it might be said that things take
  464. forever to fall in is provided by looking at the paths of emerging light
  465. rays.  The event horizon is what, in relativity parlance, is called a
  466. "lightlike surface"; light rays can remain there.  For an ideal
  467. Schwarzschild hole (which I am considering in this paragraph) the horizon
  468. lasts forever, so the light can stay there without escaping.  (If you
  469. wonder how this is reconciled with the fact that light has to travel at the
  470. constant speed c-- well, the horizon *is* traveling at c! Relative speeds
  471. in GR are also only unambiguously defined locally, and if you're at the
  472. event horizon you are necessarily falling in; it comes at you at the speed
  473. of light.)  Light beams aimed directly outward from just outside the
  474. horizon don't escape to large distances until late values of t.  For
  475. someone at a large distance from the black hole and approximately at rest
  476. with respect to it, the coordinate t does correspond well to proper time. 
  477.  
  478.     So if you, watching from a safe distance, attempt to witness my
  479. fall into the hole, you'll see me fall more and more slowly as the light
  480. delay increases.  You'll never see me actually *get to* the event horizon.
  481. My watch, to you, will tick more and more slowly, but will never reach the
  482. time that I see as I fall into the black hole.  Notice that this is really
  483. an optical effect caused by the paths of the light rays. 
  484.  
  485.     This is also true for the dying star itself.  If you attempt to
  486. witness the black hole's formation, you'll see the star collapse more and
  487. more slowly, never precisely reaching the Schwarzschild radius. 
  488.  
  489.     Now, this led early on to an image of a black hole as a strange
  490. sort of suspended-animation object, a "frozen star" with immobilized
  491. falling debris and gedankenexperiment astronauts hanging above it in
  492. eternally slowing precipitation.  This is, however, not what you'd see. The
  493. reason is that as things get closer to the event horizon, they also get
  494. *dimmer*.  Light from them is redshifted and dimmed, and if one considers
  495. that light is actually made up of discrete photons, the time of escape of
  496. *the last photon* is actually finite, and not very large.  So things would
  497. wink out as they got close, including the dying star, and the name "black
  498. hole" is justified. 
  499.  
  500.     As an example, take the eight-solar-mass black hole I mentioned
  501. before.  If you start timing from the moment the you see the object half a
  502. Schwarzschild radius away from the event horizon, the light will dim
  503. exponentially from that point on with a characteristic time of about 0.2
  504. milliseconds, and the time of the last photon is about a hundredth of a
  505. second later.  The times scale proportionally to the mass of the black
  506. hole.  If I jump into a black hole, I don't remain visible for long. 
  507.  
  508.     Also, if I jump in, I won't hit the surface of the "frozen star."
  509. It goes through the event horizon at another point in spacetime from
  510. where/when I do. 
  511.  
  512.     (Some have pointed out that I really go through the event horizon a
  513. little earlier than a naive calculation would imply.  The reason is that my
  514. addition to the black hole increases its mass, and therefore moves the
  515. event horizon out around me at finite Schwarzschild t coordinate.  This
  516. really doesn't change the situation with regard to whether an external
  517. observer sees me go through, since the event horizon is still lightlike;
  518. light emitted at the event horizon or within it will never escape to large
  519. distances, and light emitted just outside it will take a long time to get
  520. to an observer, timed, say, from when the observer saw me pass the point
  521. half a Schwarzschild radius outside the hole.) 
  522.  
  523.     All this is not to imply that the black hole can't also be used for
  524. temporal tricks much like the "twin paradox" mentioned elsewhere in this
  525. FAQ.  Suppose that I don't fall into the black hole-- instead, I stop and
  526. wait at a constant r value just outside the event horizon, burning
  527. tremendous amounts of rocket fuel and somehow withstanding the huge
  528. gravitational force that would result.  If I then return home, I'll have
  529. aged less than you.  In this case, general relativity can say something
  530. about the difference in proper time experienced by the two of us, because
  531. our ages can be compared *locally* at the start and end of the journey. 
  532.  
  533. 4. Will you see the universe end?
  534.  
  535.     If an external observer sees me slow down asymptotically as I fall,
  536. it might seem reasonable that I'd see the universe speed up
  537. asymptotically-- that I'd see the universe end in a spectacular flash as I
  538. went through the horizon.  This isn't the case, though.  What an external
  539. observer sees depends on what light does after I emit it.  What I see,
  540. however, depends on what light does before it gets to me.  And there's no
  541. way that light from future events far away can get to me.  Faraway events
  542. in the arbitrarily distant future never end up on my "past light-cone," the
  543. surface made of light rays that get to me at a given time. 
  544.  
  545.     That, at least, is the story for an uncharged, nonrotating black
  546. hole.  For charged or rotating holes, the story is different.  Such holes
  547. can contain, in the idealized solutions, "timelike wormholes" which serve
  548. as gateways to otherwise disconnected regions-- effectively, different
  549. universes.  Instead of hitting the singularity, I can go through the
  550. wormhole.  But at the entrance to the wormhole, which acts as a kind of
  551. inner event horizon, an infinite speed-up effect actually does occur.  If I
  552. fall into the wormhole I see the entire history of the universe outside
  553. play itself out to the end.  Even worse, as the picture speeds up the light
  554. gets blueshifted and more energetic, so that as I pass into the wormhole an
  555. "infinite blueshift" happens which fries me with hard radiation.  There is
  556. apparently good reason to believe that the infinite blueshift would imperil
  557. the wormhole itself, replacing it with a singularity no less pernicious
  558. than the one I've managed to miss.  In any case it would render wormhole
  559. travel an undertaking of questionable practicality. 
  560.  
  561. 5. What about Hawking radiation?  Won't the black hole evaporate
  562.    before you get there?
  563.  
  564.     (First, a caveat: Not a lot is really understood about evaporating
  565. black holes.  The following is largely deduced from information in Wald's
  566. GR text, but what really happens-- especially when the black hole gets very
  567. small-- is unclear.  So take the following with a grain of salt.) 
  568.  
  569. Short answer:  No, it won't.  This demands some elaboration.
  570.  
  571.     From thermodynamic arguments Stephen Hawking realized that a black
  572. hole should have a nonzero temperature, and ought therefore to emit
  573. blackbody radiation.  He eventually figured out a quantum- mechanical
  574. mechanism for this.  Suffice it to say that black holes should very, very
  575. slowly lose mass through radiation, a loss which accelerates as the hole
  576. gets smaller and eventually evaporates completely in a burst of radiation. 
  577. This happens in a finite time according to an outside observer. 
  578.  
  579.     But I just said that an outside observer would *never* observe an
  580. object actually entering the horizon!  If I jump in, will you see the black
  581. hole evaporate out from under me, leaving me intact but marooned in the
  582. very distant future from gravitational time dilation? 
  583.  
  584.     You won't, and the reason is that the discussion above only applies
  585. to a black hole that is not shrinking to nil from evaporation. Remember
  586. that the apparent slowing of my fall is due to the paths of outgoing light
  587. rays near the event horizon.  If the black hole *does* evaporate, the delay
  588. in escaping light caused by proximity to the event horizon can only last as
  589. long as the event horizon does!  Consider your external view of me as I
  590. fall in. 
  591.  
  592.     If the black hole is eternal, events happening to me (by my watch)
  593. closer and closer to the time I fall through happen divergingly later
  594. according to you (supposing that your vision is somehow not limited by the
  595. discreteness of photons, or the redshift). 
  596.  
  597.     If the black hole is mortal, you'll instead see those events happen
  598. closer and closer to the time the black hole evaporates.  Extrapolating,
  599. you would calculate my time of passage through the event horizon as the
  600. exact moment the hole disappears!  (Of course, even if you could see me,
  601. the image would be drowned out by all the radiation from the evaporating
  602. hole.)  I won't experience that cataclysm myself, though; I'll be through
  603. the horizon, leaving only my light behind. As far as I'm concerned, my
  604. grisly fate is unaffected by the evaporation. 
  605.  
  606.     All of this assumes you can see me at all, of course.  In practice
  607. the time of the last photon would have long been past.  Besides, there's
  608. the brilliant background of Hawking radiation to see through as the hole
  609. shrinks to nothing. 
  610.  
  611.     (Due to considerations I won't go into here, some physicists think
  612. that the black hole won't disappear completely, that a remnant hole will be
  613. left behind.  Current physics can't really decide the question, any more
  614. than it can decide what really happens at the singularity. If someone ever
  615. figures out quantum gravity, maybe that will provide an answer.) 
  616.  
  617. 6. How does the gravity get out of the black hole?
  618.  
  619.     Purely in terms of general relativity, there is no problem here. 
  620. The gravity doesn't have to get out of the black hole.  General relativity
  621. is a local theory, which means that the field at a certain point in
  622. spacetime is determined entirely by things going on at places that can
  623. communicate with it at speeds less than or equal to c.  If a star collapses
  624. into a black hole, the gravitational field outside the black hole may be
  625. calculated entirely from the properties of the star and its external
  626. gravitational field *before* it becomes a black hole. Just as the light
  627. registering late stages in my fall takes longer and longer to get out to
  628. you at a large distance, the gravitational consequences of events late in
  629. the star's collapse take longer and longer to ripple out to the world at
  630. large.  In this sense the black hole *is* a kind of "frozen star": the
  631. gravitational field is a fossil field.  The same is true of the
  632. electromagnetic field that a black hole may possess. 
  633.  
  634.     Often this question is phrased in terms of gravitons, the
  635. hypothetical quanta of spacetime distortion.  If things like gravity
  636. correspond to the exchange of "particles" like gravitons, how can they get
  637. out of the event horizon to do their job? 
  638.  
  639.     First of all, it's important to realize that gravitons are not as
  640. yet even part of a complete theory, let alone seen experimentally.  They
  641. don't exist in general relativity, which is a non-quantum theory.  When
  642. fields are described as mediated by particles, that's quantum theory, and
  643. nobody has figured out how to construct a quantum theory of gravity.  Even
  644. if such a theory is someday built, it may not involve "virtual particles"
  645. in the same way other theories do.  In quantum electrodynamics, the static
  646. forces between particles are described as resulting from the exchange of
  647. "virtual photons," but the virtual photons only appear when one expresses
  648. QED in terms of a quantum- mechanical approximation method called
  649. perturbation theory.  It currently looks like this kind of perturbation
  650. theory doesn't work properly when applied to quantum gravity.  So although
  651. quantum gravity may well involve "real gravitons" (quantized gravitational
  652. waves), it may well not involve "virtual gravitons" as carriers of static
  653. gravitational forces. 
  654.  
  655.     Nevertheless, the question in this form is still worth asking,
  656. because black holes *can* have static electric fields, and we know that
  657. these may be described in terms of virtual photons.  So how do the virtual
  658. photons get out of the event horizon?  The answer is that virtual particles
  659. aren't confined to the interiors of light cones: they can go faster than
  660. light!  Consequently the event horizon, which is really just a surface that
  661. moves at the speed of light, presents no barrier. 
  662.  
  663.     I couldn't use these virtual photons after falling into the hole to
  664. communicate with you outside the hole; nor could I escape from the hole by
  665. somehow turning myself into virtual particles.  The reason is that virtual
  666. particles don't carry any *information* outside the light cone.  That is a
  667. tricky subject for another (future?) FAQ entry.  Suffice it to say that the
  668. reasons virtual particles don't provide an escape hatch for a black hole
  669. are the same as the reasons they can't be used for faster-than-light travel
  670. or communication. 
  671.  
  672. 7. Where did you get that information?
  673.  
  674.     The numbers concerning fatal radii, dimming, and the time of the
  675. last photon came from Misner, Thorne, and Wheeler's _Gravitation_ (San
  676. Francisco: W. H. Freeman & Co., 1973), pp. 860-862 and 872-873. Chapters 32
  677. and 33 (IMHO, the best part of the book) contain nice descriptions of some
  678. of the phenomena I've described. 
  679.  
  680.     Information about evaporation and wormholes came from Robert Wald's
  681. _General Relativity_ (Chicago: University of Chicago Press, 1984). The
  682. famous conformal diagram of an evaporating hole on page 413 has resolved
  683. several arguments on sci.physics (though its veracity is in question). 
  684.  
  685.     Steven Weinberg's _Gravitation and Cosmology_ (New York: John Wiley
  686. and Sons, 1972) provided me with the historical dates.  It discusses some
  687. properties of the Schwarzschild solution in chapter 8 and describes
  688. gravitational collapse in chapter 11. 
  689.  
  690. ********************************************************************************
  691. Item 19.
  692.  
  693. Below Absolute Zero - What Does Negative Temperature Mean?   updated 24-MAR-1993
  694. ----------------------------------------------------------   by Scott I. Chase
  695.  
  696. Questions:  What is negative temperature?  Can you really make a system
  697. which has a temperature below absolute zero?  Can you even give any useful
  698. meaning to the expression 'negative absolute temperature'? 
  699.  
  700. Answer:  Absolutely. :-)
  701.  
  702.     Under certain conditions, a closed system *can* be described by a
  703. negative temperature, and, surprisingly, be *hotter* than the same system
  704. at any positive temperature.  This article describes how it all works. 
  705.  
  706. Step I: What is "Temperature"?
  707. ------------------------------
  708.  
  709.     To get things started, we need a clear definition of "temperature."
  710. Our intuitive notion is that two systems in thermal contact should exchange 
  711. no heat, on average, if and only if they are at the same temperature.  Let's 
  712. call the two systems S1 and S2. The combined system, treating S1 and S2
  713. together, can be S3.  The important question, consideration of which
  714. will lead us to a useful quantitative definition of temperature, is "How will 
  715. the energy of S3 be distributed between S1 and S2?"  I will briefly explain
  716. this below, but I recommend that you read K&K, referenced below, for a 
  717. careful, simple, and thorough explanation of this important and fundamental
  718. result.
  719.  
  720.     With a total energy E, S has many possible internal states
  721. (microstates).  The atoms of S3 can share the total energy in many ways.
  722. Let's say there are N different states.  Each state corresponds to a
  723. particular division of the total energy in the two subsystems S1 and S2.
  724. Many microstates can correspond to the same division, E1 in S1 and E2 in
  725. S2. A simple counting argument tells you that only one particular division
  726. of the energy, will occur with any significant probability.  It's the one
  727. with the overwhelmingly largest number of microstates for the total system
  728. S3. That number, N(E1,E2) is just the product of the number of states
  729. allowed in each subsystem, N(E1,E2) = N1(E1)*N2(E2), and, since E1 + E2 =
  730. E, N(E1,E2) reaches a maximum when N1*N2 is stationary with respect to
  731. variations of E1 and E2 subject to the total energy constraint. 
  732.  
  733.     For convenience, physicists prefer to frame the question in terms
  734. of the logarithm of the number of microstates N, and call this the entropy,
  735. S. You can easily see from the above analysis that two systems are in
  736. equilibrium with one another when (dS/dE)_1 = (dS/dE)_2, i.e., the rate of
  737. change of entropy, S, per unit change in energy, E, must be the same for
  738. both systems.  Otherwise, energy will tend to flow from one subsystem to
  739. another as S3 bounces randomly from one microstate to another, the total
  740. energy E3 being constant, as the combined system moves towards a state of
  741. maximal total entropy.  We define the temperature, T, by 1/T = dS/dE, so
  742. that the equilibrium condition becomes the very simple T_1 = T_2. 
  743.  
  744.     This statistical mechanical definition of temperature does in fact
  745. correspond to your intuitive notion of temperature for most systems. So
  746. long as dS/dE is always positive, T is always positive.  For common
  747. situations, like a collection of free particles, or particles in a harmonic
  748. oscillator potential, adding energy always increases the number of
  749. available microstates, increasingly faster with increasing total energy. So
  750. temperature increases with increasing energy, from zero, asymptotically
  751. approaching positive infinity as the energy increases. 
  752.  
  753. Step II: What is "Negative Temperature"?
  754. ----------------------------------------
  755.  
  756.     Not all systems have the property that the entropy increases 
  757. monotonically with energy.  In some cases, as energy is added to the system, 
  758. the number of available microstates, or configurations, actually decreases 
  759. for some range of energies.  For example, imagine an ideal "spin-system", a 
  760. set of N atoms with spin 1/2 one a one-dimensional wire.  The atoms are not 
  761. free to move from their positions on the wire.  The only degree of freedom 
  762. allowed to them is spin-flip:  the spin of a given atom can point up or 
  763. down.  The total energy of the system, in a magnetic field of strength B, 
  764. pointing down, is (N+ - N-)*uB, where u is the magnetic moment of each atom 
  765. and N+ and N- are the number of atoms with spin up and down respectively. 
  766. Notice that with this definition, E is zero when half of the spins are 
  767. up and half are down.  It is negative when the majority are down and 
  768. positive when the majority are up.
  769.  
  770.     The lowest possible energy state, all the spins will point down,
  771. gives the system a total energy of -NuB, and temperature of absolute zero. 
  772. There is only one configuration of the system at this energy, i.e., all the
  773. spins must point down.  The entropy is the log of the number of
  774. microstates, so in this case is log(1) = 0.  If we now add a quantum of
  775. energy, size uB, to the system, one spin is allowed to flip up.  There are
  776. N possibilities, so the entropy is log(N).  If we add another quantum of
  777. energy, there are a total of N(N-1)/2 allowable configurations with two
  778. spins up.  The entropy is increasing quickly, and the temperature is rising
  779. as well. 
  780.  
  781.     However, for this system, the entropy does not go on increasing
  782. forever.  There is a maximum energy, +NuB, with all spins up.  At this
  783. maximal energy, there is again only one microstate, and the entropy is
  784. again zero.  If we remove one quantum of energy from the system, we allow
  785. one spin down.  At this energy there are N available microstates.  The
  786. entropy goes on increasing as the energy is lowered.  In fact the maximal
  787. entropy occurs for total energy zero, i.e., half of the spins up, half
  788. down. 
  789.  
  790.     So we have created a system where, as we add more and more energy,
  791. temperature starts off positive, approaches positive infinity as maximum
  792. entropy is approached, with half of all spins up.  After that, the
  793. temperature becomes negative infinite, coming down in magnitude toward
  794. zero, but always negative, as the energy increases toward maximum. When the
  795. system has negative temperature, it is *hotter* than when it is has
  796. positive system.  If you take two copies of the system, one with positive
  797. and one with negative temperature, and put them in thermal contact, heat
  798. will flow from the negative-temperature system into the positive-temperature
  799. system. 
  800.  
  801. Step III:  What Does This Have to Do With the Real World?
  802. ---------------------------------------------------------
  803.  
  804.     Can this system ever by realized in the real world, or is it just a
  805. fantastic invention of sinister theoretical condensed matter physicists?
  806. Atoms always have other degrees of freedom in addition to spin, usually
  807. making the total energy of the system unbounded upward due to the
  808. translational degrees of freedom that the atom has.  Thus, only certain
  809. degrees of freedom of a particle can have negative temperature.  It makes
  810. sense to define the "spin-temperature" of a collection of atoms, so long as
  811. one condition is met:  the coupling between the atomic spins and the other
  812. degrees of freedom is sufficiently weak, and the coupling between atomic
  813. spins sufficiently strong, that the timescale for energy to flow from the
  814. spins into other degrees of freedom is very large compared to the timescale
  815. for thermalization of the spins among themselves.  Then it makes sense to
  816. talk about the temperature of the spins separately from the temperature of
  817. the atoms as a whole. This condition can easily be met for the case of
  818. nuclear spins in a strong external magnetic field. 
  819.  
  820.     Nuclear and electron spin systems can be promoted to negative
  821. temperatures by suitable radio frequency techniques.   Various experiments
  822. in the calorimetry of negative temperatures, as well as applications of
  823. negative temperature systems as RF amplifiers, etc., can be found in the
  824. articles listed below, and the references therein. 
  825.  
  826. References:
  827.  
  828.         Kittel and Kroemer,_Thermal Physics_, appendix E.
  829.         N.F. Ramsey, "Thermodynamics and statistical mechanics at negative
  830.         absolute temperature,"  Phys. Rev. _103_, 20 (1956).
  831.         M.J. Klein,"Negative Absolute Temperature," Phys. Rev. _104_, 589 (1956).
  832.     
  833. ********************************************************************************
  834. Item 20.
  835.  
  836. Which Way Will my Bathtub Drain?                updated 16-MAR-1993 by SIC
  837. --------------------------------                original by Matthew R. Feinstein
  838.  
  839. Question: Does my bathtub drain differently depending on whether I live 
  840. in the northern or southern hemisphere?
  841.  
  842. Answer: No.  There is a real effect, but it is far too small to be relevant
  843. when you pull the plug in your bathtub.
  844.  
  845.     Because the earth rotates, a fluid that flows along the earth's
  846. surface feels a "Coriolis" acceleration perpendicular to its velocity.
  847. In the northern hemisphere low pressure storm systems spin counterclockwise.
  848. In the southern hemisphere, they spin clockwise because the direction 
  849. of the Coriolis acceleration is reversed.  This effect leads to the 
  850. speculation that the bathtub vortex that you see when you pull the plug 
  851. from the drain spins one way in the north and the other way in the south.
  852.  
  853.     But this acceleration is VERY weak for bathtub-scale fluid
  854. motions.  The order of magnitude of the Coriolis acceleration can be
  855. estimated from size of the "Rossby number" (see below).  The effect of the 
  856. Coriolis acceleration on your bathtub vortex is SMALL.  To detect its 
  857. effect on your bathtub, you would have to get out and wait until the motion 
  858. in the water is far less than one rotation per day.  This would require 
  859. removing thermal currents, vibration, and any other sources of noise.  Under 
  860. such conditions, never occurring in the typical home, you WOULD see an 
  861. effect.  To see what trouble it takes to actually see the effect, see the 
  862. reference below.  Experiments have been done in both the northern and 
  863. southern hemispheres to verify that under carefully controlled conditions, 
  864. bathtubs drain in opposite directions due to the Coriolis acceleration from 
  865. the Earth's rotation. 
  866.  
  867.     Coriolis accelerations are significant when the Rossby number is 
  868. SMALL.     So, suppose we want a Rossby number of 0.1 and a bathtub-vortex
  869. length scale of 0.1 meter.  Since the earth's rotation rate is about
  870. 10^(-4)/second, the fluid velocity should be less than or equal to
  871. 2*10^(-6) meters/second.  This is a very small velocity.  How small is it? 
  872. Well, we can take the analysis a step further and calculate another, more
  873. famous dimensionless parameter, the Reynolds number. 
  874.  
  875.     The Reynolds number is = L*U*density/viscosity
  876.  
  877.     Assuming that physicists bathe in hot water the viscosity will be
  878. about 0.005 poise and the density will be about 1.0, so the Reynolds Number
  879. is about 4*10^(-2). 
  880.  
  881.     Now, life at low Reynolds numbers is different from life at high
  882. Reynolds numbers.  In particular, at low Reynolds numbers, fluid physics is
  883. dominated by friction and diffusion, rather than by inertia: the time it
  884. would take for a particle of fluid to move a significant distance due to an
  885. acceleration is greater than the time it takes for the particle to break up
  886. due to diffusion. 
  887.  
  888.     The same effect has been accused of responsibility for the 
  889. direction water circulates when you flush a toilet.  This is surely 
  890. nonsense.  In this case, the water rotates in the direction which the pipe 
  891. points which carries the water from the tank to the bowl.
  892.  
  893. Reference: Trefethen, L.M. et al, Nature 207 1084-5 (1965).
  894.  
  895. ********************************************************************************
  896. Item 21.                                         original by Scott I. Chase
  897.  
  898. Does Antimatter Fall Up or Down?
  899. --------------------------------
  900.  
  901. This question has never been subject to a successful direct experiment. 
  902. In other words, nobody has ever directly measured the gravititational 
  903. acceleration of antimatter.  So the bottom line is that we don't know yet.  
  904. However, there is a lot more to say than just that, with regard to both
  905. theory and experiment.  Here is a summary of the current state of affairs.
  906.  
  907. (1) Is is even theoretically possible for antimatter to fall up?
  908.  
  909. Answer: According to GR, antimatter falls down.
  910.  
  911. If you believe that General Relativity is the exact true theory of 
  912. gravity, then there is only one possible conclusion - by the equivalence
  913. principle, antiparticles must fall down with the same acceleration as 
  914. normal matter.
  915.  
  916. On the other hand: there are other models of gravity which are not ruled out 
  917. by direct experiment which are distinct from GR in that antiparticles can 
  918. fall down at different rates than normal matter, or even fall up, due to 
  919. additional forces which couple to the mass of the particle in ways which are 
  920. different than GR.  Some people don't like to call these new couplings 
  921. 'gravity.'  They call them, generically, the 'fifth force,' defining gravity 
  922. to be only the GR part of the force.  But this is mostly a semantic 
  923. distinction.  The bottom line is that antiparticles won't fall like normal 
  924. particles if one of these models is correct.  
  925.  
  926. There are also a variety of arguments, based upon different aspects of 
  927. physics, against the possibility of antigravity.  These include constraints
  928. imposed by conservation of energy (the "Morrison argument"), the detectable 
  929. effects of virtual antiparticles (the "Schiff argument"), and the absense
  930. of gravitational effect in kaon regeneration experiments.  Each of these
  931. does in fact rule out *some* models of antigravity.  But none of them 
  932. absolutely excludes all possible models of antigravity.  See the reference
  933. below for all the details on these issues.
  934.  
  935. (2) Haven't people done experiments to study this question?
  936.  
  937. There are no valid *direct* experimental tests of whether antiparticles
  938. fall up or down.  There was one well-known experiment by Fairbank at 
  939. Stanford in which he tried to measure the fall of positrons.  He found that
  940. they fell normally, but later analyses of his experiment revealed that
  941. he had not accounted for all the sources of stray electromagnetic fields.
  942. Because gravity is so much weaker than EM, this is a difficult experimental
  943. problem.  A modern assessment of the Fairbank experiment is that it was
  944. inconclusive.  
  945.  
  946. In order to reduce the effect of gravity, it would be nice to repeat the
  947. Fairbank experiment using objects with the same magnitude of electric 
  948. charge as positrons, but with much more mass, to increase the relative
  949. effect of gravity on the motion of the particle.  Antiprotons are 1836
  950. times more massive than positrons, so give you three orders of magnitude
  951. more sensitivity.  Unfortunately, making many slow antiprotons which you
  952. can watch fall is very difficult.  An experiment is under development
  953. at CERN right now to do just that, and within the next couple of years
  954. the results should be known.
  955.  
  956. Most people expect that antiprotons *will* fall.  But it is important
  957. to keep an open mind - we have never directly observed the effect of 
  958. gravity on antiparticles.  This experiment, if successful, will definitely
  959. be "one for the textbooks."
  960.  
  961. Reference: Nieto and Goldman, "The Arguments Against 'Antigravity' and 
  962. the Gravitational Acceleration of Antimatter,"  Physics Reports, v.205,
  963. No. 5, p.221.
  964.  
  965. ********************************************************************************
  966. END OF FAQ PART 3/4
  967.  
  968.