home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Meeting Pearls 1 / Meeting Pearls Vol 1 (1994).iso / installed_progs / text / faqs / physics-faq.part4 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1994-05-01  |  51.4 KB

  1. Subject: Sci.physics Frequently Asked Questions - May 1994  - Part 4/4
  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/part4
  7. Last-modified: 26-APR-1994
  8.  
  9. --------------------------------------------------------------------------------
  10.                FREQUENTLY ASKED QUESTIONS ON SCI.PHYSICS - Part 4/4
  11. --------------------------------------------------------------------------------
  12. Item 22.
  13.  
  14. Why do Mirrors Reverse Left and Right?          updated 04-MAR-1994 by SIC
  15. --------------------------------------          original by Scott I. Chase
  16.  
  17.     The simple answer is that they don't.  Look in a mirror and wave
  18. your right hand.  On which side of the mirror is the hand that waved?  The
  19. right side, of course. 
  20.  
  21.     Mirrors DO reverse In/Out.  Imaging holding an arrow in your hand.  
  22. If you point it up, it will point up in the mirror.  If you point it to the 
  23. left, it will point to the left in the mirror.  But if you point it toward 
  24. the mirror, it will point right back at you.  In and Out are reversed. 
  25.  
  26.     If you take a three-dimensional, rectangular, coordinate system,
  27. (X,Y,Z), and point the Z axis such that the vector equation X x Y = Z is
  28. satisfied, then the coordinate system is said to be right-handed.  Imagine
  29. Z pointing toward the mirror.  X and Y are unchanged (remember the arrows?)
  30. but Z will point back at you.  In the mirror, X x Y = - Z.  The image
  31. contains a left-handed coordinate system. 
  32.  
  33.     This has an important effect, familiar mostly to chemists and
  34. physicists. It changes the chirality, or handedness of objects viewed in
  35. the mirror. Your left hand looks like a right hand, while your right hand
  36. looks like a left hand.  Molecules often come in pairs called
  37. stereoisomers, which differ not in the sequence or number of atoms, but
  38. only in that one is the mirror image of the other, so that no rotation or
  39. stretching can turn one into the other.  Your hands make a good laboratory
  40. for this effect.  They are distinct, even though they both have the same
  41. components connected in the same way. They are a stereo pair, identical
  42. except for "handedness". 
  43.  
  44.     People sometimes think that mirrors *do* reverse left/right, and
  45. that the effect is due to the fact that our eyes are aligned horizontally
  46. on our faces.  This can be easily shown to be untrue by looking in any
  47. mirror with one eye closed! 
  48.  
  49. Reference:  _The Left Hand of the Electron_, by Isaac Asimov, contains 
  50. a very readable discussion of handedness and mirrors in physics.
  51.  
  52. ********************************************************************************
  53. Item 23.
  54.  
  55. What is the Mass of a Photon?                   updated 24-JUL-1992 by SIC
  56.                                                 original by Matt Austern
  57.  
  58. Or, "Does the mass of an object depend on its velocity?"
  59.  
  60.     This question usually comes up in the context of wondering whether
  61. photons are really "massless," since, after all, they have nonzero energy. 
  62. The problem is simply that people are using two different definitions of
  63. mass.  The overwhelming consensus among physicists today is to say that 
  64. photons are massless.  However, it is possible to assign a "relativistic 
  65. mass" to a photon which depends upon its wavelength.  This is based upon 
  66. an old usage of the word "mass" which, though not strictly wrong, is not 
  67. used much today.
  68.  
  69.     The old definition of mass, called "relativistic mass," assigns
  70. a mass to a particle proportional to its total energy E, and involved
  71. the speed of light, c, in the proportionality constant:
  72.  
  73.                 m = E / c^2.                                        (1) 
  74.  
  75. This definition gives every object a velocity-dependent mass.
  76.  
  77.     The modern definition assigns every object just one mass, an 
  78. invariant quantity that does not depend on velocity.  This is given by
  79.  
  80.                 m = E_0 / c^2,                                      (2)
  81.  
  82. where E_0 is the total energy of that object at rest.  
  83.  
  84.     The first definition is often used in popularizations, and in some
  85. elementary textbooks.  It was once used by practicing physicists, but for
  86. the last few decades, the vast majority of physicists have instead used the
  87. second definition.  Sometimes people will use the phrase "rest mass," or
  88. "invariant mass," but this is just for emphasis: mass is mass.  The
  89. "relativistic mass" is never used at all.  (If you see "relativistic mass"
  90. in your first-year physics textbook, complain! There is no reason for books
  91. to teach obsolete terminology.) 
  92.  
  93.     Note, by the way, that using the standard definition of mass, the
  94. one given by Eq. (2), the equation "E = m c^2" is *not* correct.  Using the
  95. standard definition, the relation between the mass and energy of an object
  96. can be written as 
  97.  
  98.                 E   = m c^2 / sqrt(1 -v^2/c^2),                     (3) 
  99. or as
  100.  
  101.                 E^2 = m^2 c^4  +  p^2 c^2,                          (4)
  102.  
  103. where v is the object's velocity, and p is its momentum.
  104.  
  105.     In one sense, any definition is just a matter of convention.  In
  106. practice, though, physicists now use this definition because it is much
  107. more convenient.  The "relativistic mass" of an object is really just the
  108. same as its energy, and there isn't any reason to have another word for
  109. energy: "energy" is a perfectly good word.  The mass of an object, though,
  110. is a fundamental and invariant property, and one for which we do need a
  111. word. 
  112.  
  113.     The "relativistic mass" is also sometimes confusing because it
  114. mistakenly leads people to think that they can just use it in the Newtonian
  115. relations 
  116.                 F = m a                                             (5) 
  117. and
  118.                 F = G m1 m2 / r^2.                                  (6)
  119.  
  120. In fact, though, there is no definition of mass for which these
  121. equations are true relativistically: they must be generalized.  The
  122. generalizations are more straightforward using the standard definition
  123. of mass than using "relativistic mass."
  124.  
  125.     Oh, and back to photons: people sometimes wonder whether it makes
  126. sense to talk about the "rest mass" of a particle that can never be at
  127. rest.  The answer, again, is that "rest mass" is really a misnomer, and it
  128. is not necessary for a particle to be at rest for the concept of mass to
  129. make sense.  Technically, it is the invariant length of the particle's
  130. four-momentum.  (You can see this from Eq. (4).)  For all photons this is
  131. zero. On the other hand, the "relativistic mass" of photons is frequency
  132. dependent. UV photons are more energetic than visible photons, and so are
  133. more "massive" in this sense, a statement which obscures more than it
  134. elucidates. 
  135.  
  136.     Reference: Lev Okun wrote a nice article on this subject in the 
  137. June 1989 issue of Physics Today, which includes a historical discussion 
  138. of the concept of mass in relativistic physics. 
  139.  
  140. ********************************************************************************
  141. Item 24.
  142.                                                 updated 16-MAR-1992 by SIC
  143.                                                 Original by John Blanton
  144. Why Do Stars Twinkle While Planets Do Not? 
  145. -----------------------------------------
  146.  
  147.     Stars, except for the Sun, although they may be millions of miles 
  148. in diameter, are very far away.  They appear as point sources even when
  149. viewed by telescopes.  The planets in our solar system, much smaller than
  150. stars, are closer and can be resolved as disks with a little bit of
  151. magnification (field binoculars, for example). 
  152.  
  153.     Since the Earth's atmosphere is turbulent, all images viewed up
  154. through it tend to "swim."  The result of this is that sometimes a single
  155. point in object space gets mapped to two or more points in image space, and
  156. also sometimes a single point in object space does not get mapped into any
  157. point in image space.  When a star's single point in object space fails to
  158. map to at least one point in image space, the star seems to disappear
  159. temporarily. This does not mean the star's light is lost for that moment. 
  160. It just means that it didn't get to your eye, it went somewhere else. 
  161.  
  162.     Since planets represent several points in object space, it is
  163. highly likely that one or more points in the planet's object space get
  164. mapped to a points in image space, and the planet's image never winks out. 
  165. Each individual ray is twinkling away as badly as any star, but when all of
  166. those individual rays are viewed together, the next effect is averaged out 
  167. to something considerably steadier. 
  168.  
  169.     The result is that stars tend to twinkle, and planets do not. 
  170. Other extended objects in space, even very far ones like nebulae, do not 
  171. twinkle if they are sufficiently large that they have non-zero apparent
  172. diameter when viewed from the Earth.
  173.  
  174. ********************************************************************************
  175. Item 25.                                           original by David Brahm
  176.  
  177. Baryogenesis - Why Are There More Protons Than Antiprotons?
  178. -----------------------------------------------------------
  179.  
  180. (I) How do we really *know* that the universe is not matter-antimatter 
  181. symmetric?  
  182.  
  183. (a) The Moon:  Neil Armstrong did not annihilate, therefore the moon
  184. is made of matter.
  185. (b) The Sun:  Solar cosmic rays are matter, not antimatter.
  186. (c) The other Planets:  We have sent probes to almost all.  Their survival 
  187. demonstrates that the solar system is made of matter.
  188. (d) The Milky Way:  Cosmic rays sample material from the entire galaxy.
  189. In cosmic rays, protons outnumber antiprotons 10^4 to 1.
  190. (e) The Universe at large: This is tougher.  If there were antimatter
  191. galaxies then we should see gamma emissions from annihilation.  Its absence
  192. is strong evidence that at least the nearby clusters of galaxies (e.g., Virgo)
  193. are matter-dominated.  At larger scales there is little proof.
  194.     However,  there is a problem, called the "annihilation catastrophe"
  195. which probably eliminates the possibility of a matter-antimatter symmetric
  196. universe.  Essentially, causality prevents the separation of large chucks
  197. of antimatter from matter fast enough to prevent their mutual annihilation
  198. in in the early universe.  So the Universe is most likely matter dominated.
  199.  
  200. (II) How did it get that way?  
  201.  
  202.     Annihilation has made the asymmetry much greater today than in the
  203. early universe.  At the high temperature of the first microsecond, there 
  204. were large numbers of thermal quark-antiquark pairs.  K&T estimate 30 
  205. million antiquarks for every 30 million and 1 quarks during this epoch.  
  206. That's a tiny asymmetry.  Over time most of the antimatter has annihilated 
  207. with matter, leaving the very small initial excess of matter to dominate 
  208. the Universe.
  209.  
  210.     Here are a few possibilities for why we are matter dominated today:
  211.  
  212. a) The Universe just started that way.
  213.    Not only is this a rather sterile hypothesis, but it doesn't work under
  214.    the popular "inflation" theories, which dilute any initial abundances.
  215. b) Baryogenesis occurred around the Grand Unified (GUT) scale (very early).
  216.    Long thought to be the only viable candidate, GUT's generically have
  217.    baryon-violating reactions, such as proton decay (not yet observed).
  218. c) Baryogenesis occurred at the Electroweak Phase Transition (EWPT).
  219.    This is the era when the Higgs first acquired a vacuum expectation value
  220.    (vev), so other particles acquired masses.  Pure Standard Model physics.
  221.  
  222.     Sakharov enumerated 3 necessary conditions for baryogenesis:
  223.  
  224.     (1)  Baryon number violation.  If baryon number is conserved in all
  225. reactions, then the present baryon asymmetry can only reflect asymmetric
  226. initial conditions, and we are back to case (a), above.
  227.     (2) C and CP violation.  Even in the presence of B-violating
  228. reactions, without a preference for matter over antimatter the B-violation
  229. will take place at the same rate in both directions, leaving no excess.
  230.     (3) Thermodynamic Nonequilibrium.  Because CPT guarantees equal
  231. masses for baryons and antibaryons, chemical equilibrium would drive the 
  232. necessary reactions to correct for any developing asymmetry.  
  233.  
  234.     It turns out the Standard Model satisfies all 3 conditions:
  235.  
  236.     (1) Though the Standard Model conserves B classically (no terms in
  237. the Lagrangian violate B), quantum effects allow the universe to tunnel
  238. between vacua with different values of B.  This tunneling is _very_
  239. suppressed at energies/temperatures below 10 TeV (the "sphaleron mass"),
  240. _may_ occur at e.g. SSC energies (controversial), and _certainly_ occurs at
  241. higher temperatures.
  242.  
  243.     (2) C-violation is commonplace.  CP-violation (that's "charge
  244. conjugation" and "parity") has been experimentally observed in kaon
  245. decays, though strictly speaking the Standard Model probably has
  246. insufficient CP-violation to give the observed baryon asymmetry.
  247.  
  248.     (3) Thermal nonequilibrium is achieved during first-order phase
  249. transitions in the cooling early universe, such as the EWPT (at T = 100 GeV
  250. or so).  As bubbles of the "true vacuum" (with a nonzero Higgs vev)
  251. percolate and grow, baryogenesis can occur at or near the bubble walls.
  252.  
  253.     A major theoretical problem, in fact, is that there may be _too_
  254. _much_ B-violation in the Standard Model, so that after the EWPT is
  255. complete (and condition 3 above is no longer satisfied) any previously
  256. generated baryon asymmetry would be washed out.
  257.  
  258. References: Kolb and Turner, _The Early Universe_;
  259.   Dine, Huet, Singleton & Susskind, Phys.Lett.B257:351 (1991);
  260.   Dine, Leigh, Huet, Linde & Linde, Phys.Rev.D46:550 (1992).
  261.  
  262. ********************************************************************************
  263. Item 26.
  264.  
  265. TIME TRAVEL - FACT OR FICTION?                  updated 07-MAR-1994
  266. ------------------------------                  original by Jon J. Thaler
  267.  
  268.     We define time travel to mean departure from a certain place and
  269. time followed (from the traveller's point of view) by arrival at the same
  270. place at an earlier (from the sedentary observer's point of view) time.
  271. Time travel paradoxes arise from the fact that departure occurs after
  272. arrival according to one observer and before arrival according to another. 
  273. In the terminology of special relativity time travel implies that the
  274. timelike ordering of events is not invariant.  This violates our intuitive
  275. notions of causality.  However, intuition is not an infallible guide, so we
  276. must be careful.  Is time travel really impossible, or is it merely another
  277. phenomenon where "impossible" means "nature is weirder than we think?"  The
  278. answer is more interesting than you might think. 
  279.  
  280. THE SCIENCE FICTION PARADIGM:
  281.  
  282.     The B-movie image of the intrepid chrononaut climbing into his time
  283. machine and watching the clock outside spin backwards while those outside
  284. the time machine watch the him revert to callow youth is, according to
  285. current theory, impossible.  In current theory, the arrow of time flows in
  286. only one direction at any particular place.  If this were not true, then
  287. one could not impose a 4-dimensional coordinate system on space-time, and
  288. many nasty consequences would result. Nevertheless, there is a scenario
  289. which is not ruled out by present knowledge.  This usually requires an 
  290. unusual spacetime topology (due to wormholes or strings in general 
  291. relativity) which has not not yet seen, but which may be possible.  In 
  292. this scenario the universe is well behaved in every local region; only by 
  293. exploring the global properties does one discover time travel. 
  294.  
  295. CONSERVATION LAWS:
  296.  
  297.     It is sometimes argued that time travel violates conservation laws.
  298. For example, sending mass back in time increases the amount of energy that
  299. exists at that time.  Doesn't this violate conservation of energy?  This
  300. argument uses the concept of a global conservation law, whereas
  301. relativistically invariant formulations of the equations of physics only
  302. imply local conservation.  A local conservation law tells us that the
  303. amount of stuff inside a small volume changes only when stuff flows in or
  304. out through the surface.  A global conservation law is derived from this by
  305. integrating over all space and assuming that there is no flow in or out at
  306. infinity.  If this integral cannot be performed, then global conservation
  307. does not follow.  So, sending mass back in time might be alright, but it
  308. implies that something strange is happening.  (Why shouldn't we be able to
  309. do the integral?) 
  310.  
  311. GENERAL RELATIVITY:
  312.  
  313.     One case where global conservation breaks down is in general
  314. relativity. It is well known that global conservation of energy does not
  315. make sense in an expanding universe.  For example, the universe cools as it
  316. expands; where does the energy go?  See FAQ article #4 - Energy
  317. Conservation in Cosmology, for details. 
  318.  
  319.     It is interesting to note that the possibility of time travel in GR
  320. has been known at least since 1949 (by Kurt Godel, discussed in [1], page
  321. 168). The GR spacetime found by Godel has what are now called "closed
  322. timelike curves" (CTCs).  A CTC is a worldline that a particle or a person
  323. can follow which ends at the same spacetime point (the same position and
  324. time) as it started.   A solution to GR which contains CTCs cannot have a
  325. spacelike embedding - space must have "holes" (as in donut holes, not holes
  326. punched in a sheet of paper).  A would-be time traveller must go around or
  327. through the holes in a clever way. 
  328.  
  329.     The Godel solution is a curiosity, not useful for constructing a
  330. time machine.  Two recent proposals, one by Morris, et al. [2] and one by
  331. Gott [3], have the possibility of actually leading to practical devices (if
  332. you believe this, I have a bridge to sell you).   As with Godel, in these
  333. schemes nothing is locally strange; time travel results from the unusual
  334. topology of spacetime.  The first uses a wormhole (the inner part of a
  335. black hole, see fig. 1 of [2]) which is held open and manipulated by
  336. electromagnetic forces.  The second uses the conical geometry generated by
  337. an infinitely long string of mass.  If two strings pass by each other, a
  338. clever person can go into the past by traveling a figure-eight path around
  339. the strings.  In this scenario, if the string has non-zero diameter and
  340. finite mass density, there is a CTC without any unusual topology.
  341.  
  342. GRANDFATHER PARADOXES:
  343.  
  344.     With the demonstration that general relativity contains CTCs,
  345. people began studying the problem of self-consistency.  Basically, the
  346. problem is that of the "grandfather paradox:"  What happens if our time
  347. traveller kills her grandmother before her mother was born?  In more
  348. readily analyzable terms, one can ask what are the implications of the
  349. quantum mechanical interference of the particle with its future self.
  350. Boulware [5] shows that there is a problem - unitarity is violated. This is
  351. related to the question of when one can do the global conservation integral
  352. discussed above.  It is an example of the "Cauchy problem" [1, chapter 7]. 
  353.  
  354. OTHER PROBLEMS (and an escape hatch?):
  355.  
  356.     How does one avoid the paradox that a simple solution to GR has
  357. CTCs which QM does not like?  This is not a matter of applying a theory in
  358. a domain where it is expected to fail.  One relevant issue is the
  359. construction of the time machine.  After all, infinite strings aren't
  360. easily obtained.  In fact, it has been shown [4] that Gott's scenario
  361. implies that the total 4-momentum of spacetime must be spacelike.  This
  362. seems to imply that one cannot build a time machine from any collection of
  363. non-tachyonic objects, whose 4-momentum must be timelike.  There are 
  364. implementation problems with the wormhole method as well.
  365.  
  366. TACHYONS:
  367.  
  368. Finally, a diversion on a possibly related topic.
  369.  
  370.     If tachyons exist as physical objects, causality is no longer
  371. invariant. Different observers will see different causal sequences.  This
  372. effect requires only special relativity (not GR), and follows from the fact
  373. that for any spacelike trajectory, reference frames can be found in which
  374. the particle moves backward or forward in time.  This is illustrated by the
  375. pair of spacetime diagrams below.  One must be careful about what is
  376. actually observed; a particle moving backward in time is observed to be a
  377. forward moving anti-particle, so no observer interprets this as time
  378. travel. 
  379.  
  380.                 t
  381. One reference   |                    Events A and C are at the same
  382. frame:          |                    place.  C occurs first.
  383.                 |
  384.                 |                    Event B lies outside the causal
  385.                 |          B         domain of events A and C.
  386.      -----------A----------- x       (The intervals are spacelike).
  387.                 |
  388.                 C                    In this frame, tachyon signals
  389.                 |                    travel from A-->B and from C-->B.
  390.                 |                    That is, A and C are possible causes
  391.                                      of event B.
  392.  
  393. Another         t
  394. reference       |                    Events A and C are not at the same
  395. frame:          |                    place.  C occurs first.
  396.                 |
  397.                 |                    Event B lies outside the causal
  398.      -----------A----------- x       domain of events A and C. (The
  399.                 |                    intervals are spacelike)
  400.                 |
  401.                 |   C                In this frame, signals travel from
  402.                 |                    B-->A and from B-->C.  B is the cause
  403.                 |             B      of both of the other two events.
  404.  
  405.     The unusual situation here arises because conventional causality
  406. assumes no superluminal motion.  This tachyon example is presented to
  407. demonstrate that our intuitive notion of causality may be flawed, so one
  408. must be careful when appealing to common sense.  See FAQ article # 7 -
  409. Tachyons, for more about these weird hypothetical particles. 
  410.  
  411. CONCLUSION:
  412.  
  413.     The possible existence of time machines remains an open question. 
  414. None of the papers criticizing the two proposals are willing to
  415. categorically rule out the possibility.  Nevertheless, the notion of time
  416. machines seems to carry with it a serious set of problems. 
  417.  
  418. REFERENCES:
  419.  
  420. 1: S.W. Hawking, and G.F.R. Ellis, "The Large Scale Structure of Space-Time,"
  421.    Cambridge University Press, 1973.
  422. 2: M.S. Morris, K.S. Thorne, and U. Yurtsever, PRL, v.61, p.1446 (1989).
  423.    --> How wormholes can act as time machines.
  424. 3: J.R. Gott, III, PRL, v.66, p.1126 (1991).
  425.    --> How pairs of cosmic strings can act as time machines.
  426. 4: S. Deser, R. Jackiw, and G. 't Hooft, PRL, v.66, p.267 (1992).
  427.    --> A critique of Gott.  You can't construct his machine.
  428. 5: D.G. Boulware, University of Washington preprint UW/PT-92-04.
  429.    Available on the hep-th@xxx.lanl.gov bulletin board: item number 9207054.
  430.    --> Unitarity problems in QM with closed timelike curves.
  431. 6: "Nature", May 7, 1992
  432.    --> Contains a very well written review with some nice figures.
  433.  
  434. ********************************************************************************
  435. Item 27.                                         
  436.  
  437. The EPR Paradox and Bell's Inequality Principle    updated 31-AUG-1993 by SIC
  438. -----------------------------------------------    original by John Blanton
  439.  
  440.     In 1935 Albert Einstein and two colleagues, Boris Podolsky and
  441. Nathan Rosen (EPR) developed a thought experiment to demonstrate what they
  442. felt was a lack of completeness in quantum mechanics.  This so-called "EPR
  443. paradox" has lead to much subsequent, and still on-going, research. This 
  444. article is an introduction to EPR, Bell's inequality, and the real 
  445. experiments which have attempted to address the interesting issues raised 
  446. by this discussion.
  447.  
  448.     One of the principle features of quantum mechanics is that not all
  449. the classical physical observables of a system can be simultaneously known, 
  450. either in practice or in principle.  Instead, there may be several sets of 
  451. observables which give qualitatively different, but nonetheless complete
  452. (maximal possible) descriptions of a quantum mechanical system.  These sets 
  453. are sets of "good quantum numbers," and are also known as "maximal sets of 
  454. commuting observables."  Observables from different sets are "noncommuting 
  455. observables."  
  456.  
  457.     A well known example of noncommuting observables are position and
  458. momentum.  You can put a subatomic particle into a state of well-defined
  459. momentum, but then you cannot know where it is - it is, in fact, everywhere
  460. at once.  It's not just a matter of your inability to measure, but rather,
  461. an intrinsic property of the particle.  Conversely, you can put a particle
  462. in a definite position, but then it's momentum is completely ill-defined.
  463. You can also create states of intermediate knowledge of both observables:
  464. If you confine the particle to some arbitrarily large region of space,
  465. you can define the momentum more and more precisely.  But you can never 
  466. know both, exactly, at the same time.
  467.  
  468.     Position and momentum are continuous observables.  But the same
  469. situation can arise for discrete observables such as spin.  The quantum
  470. mechanical spin of a particle along each of the three space axes are a set
  471. of mutually noncommuting observables.  You can only know the spin along one
  472. axis at a time.  A proton with spin "up" along the x-axis has undefined
  473. spin along the y and z axes.  You cannot simultaneously measure the x and y
  474. spin projections of a proton. EPR sought to demonstrate that this
  475. phenomenon could be exploited to construct an experiment which would
  476. demonstrate a paradox which they believed was inherent in the
  477. quantum-mechanical description of the world. 
  478.  
  479.     They imagined two physical systems that are allowed to interact
  480. initially so that they subsequently will be defined by a single Schrodinger
  481. wave equation (SWE).   [For simplicity, imagine a simple physical 
  482. realization of this idea - a neutral pion at rest in your lab, which decays
  483. into a pair of back-to-back photons.  The pair of photons is described
  484. by a single two-particle wave function.]  Once separated, the two systems
  485. [read: photons] are still described by the same SWE, and a measurement of 
  486. one observable of the first system will determine the measurement of the 
  487. corresponding observable of the second system.  [Example:  The neutral pion
  488. is a scalar particle - it has zero angular momentum.  So the two photons
  489. must speed off in opposite directions with opposite spin. If photon 1 
  490. is found to have spin up along the x-axis, then photon 2 *must* have spin
  491. down along the x-axis, since the total angular momentum of the final-state,
  492. two-photon, system must be the same as the angular momentum of the intial
  493. state, a single neutral pion.  You know the spin of photon 2 even without
  494. measuring it.] Likewise, the measurement of another observable of the first
  495. system will determine the measurement of the corresponding observable of the
  496. second system, even though the systems are no longer physically linked in
  497. the traditional sense of local coupling. 
  498.  
  499.     However, QM prohibits the simultaneous knowledge of more than one
  500. mutually noncommuting observable of either system.  The paradox of EPR is
  501. the following contradiction:  For our coupled systems, we can measure
  502. observable A of system I [for example, photon 1 has spin up along the
  503. x-axis; photon 2 must therefore have x-spin down.] and observable B of 
  504. system II [for example, photon 2 has spin down along the y-axis; therefore
  505. the y-spin of photon 1 must be up.] thereby revealing both observables for 
  506. both systems, contrary to QM.  
  507.  
  508.     QM dictates that this should be impossible, creating the
  509. paradoxical implication that measuring one system should "poison" any
  510. measurement of the other system, no matter what the distance between
  511. them. [In one commonly studied interpretation, the mechanism by which
  512. this proceeds is 'instantaneous collapse of the wavefunction'.  But
  513. the rules of QM do not require this interpretation, and several
  514. other perfectly valid interpretations exist.]  The second system
  515. would instantaneously be put into a state of well-defined observable A,
  516. and, consequently, ill-defined observable B, spoiling the measurement.
  517. Yet, one could imagine the two measurements were so far apart in
  518. space that special relativity would prohibit any influence of one
  519. measurement over the other.  [After the neutral-pion decay, we can wait until
  520. the two photons are a light-year apart, and then "simultaneously" measure
  521. the x-spin of photon 1 and the y-spin of photon 2.  QM suggests that if,
  522. for example, the measurement of the photon 1 x-spin happens first, this
  523. measurement must instantaneously force photon 2 into a state of ill-defined
  524. y-spin, even though it is light-years away from photon 1. 
  525.  
  526.     How do we reconcile the fact that photon 2 "knows" that the x-spin
  527. of photon 1 has been measured, even though they are separated by 
  528. light-years of space and far too little time has passed for information
  529. to have travelled to it according to the rules of Special Relativity?  
  530. There are basically two choices.  You can accept the postulates of QM"
  531. as a fact of life, in spite of its seemingly uncomfortable coexistence 
  532. with special relativity, or you can postulate that QM is not complete, 
  533. that there *was* more information available for the description of the 
  534. two-particle system at the time it was created, carried away by both 
  535. photons, and that you just didn't know it because QM does not properly 
  536. account for it.  
  537.  
  538.     So, EPR postulated the existence of hidden variables, some so-far
  539. unknown properties, of the systems should account for the discrepancy. 
  540. Their claim was that QM theory is incomplete; it does not completely
  541. describe the physical reality.  System II knows all about System I 
  542. long before the scientist measures any of the observables, and thereby
  543. supposedly consigning the other noncommuting observables to obscurity.
  544. No instantaneous action-at-a-distance is necessary in this picture, 
  545. which postulates that each System has more parameters than are 
  546. accounted by QM. Niels Bohr, one of the founders of QM, held the opposite 
  547. view and defended a strict interpretation, the Copenhagen Interpretation, 
  548. of QM. 
  549.  
  550.     In 1964 John S. Bell proposed a mechanism to test for the existence
  551. of these hidden parameters, and he developed his inequality principle as
  552. the basis for such a test. 
  553.  
  554.     Use the example of two photons configured in the singlet state,
  555. consider this:  After separation, each photon will have spin values for
  556. each of the three axes of space, and each spin can have one of two values;
  557. call them up and down.  Call the axes A, B and C and call the spin in the A
  558. axis A+ if it is up in that axis, otherwise call it A-.  Use similar
  559. definitions for the other two axes. 
  560.  
  561.     Now perform the experiment.  Measure the spin in one axis of one
  562. particle and the spin in another axis of the other photon.  If EPR were
  563. correct, each photon will simultaneously have properties for spin in each
  564. of axes A, B and C. 
  565.  
  566.     Look at the statistics.  Perform the measurements with a number of
  567. sets of photons.  Use the symbol N(A+, B-) to designate the words "the
  568. number of photons with A+ and B-."  Similarly for N(A+, B+), N(B-, C+),
  569. etc.  Also use the designation N(A+, B-, C+) to mean "the number of photons
  570. with A+, B- and C+," and so on.  It's easy to demonstrate that for a set of
  571. photons 
  572.  
  573. (1)    N(A+, B-) = N(A+, B-, C+) + N(A+, B-, C-)
  574.  
  575. because all of the (A+, B-, C+) and all of the (A+, B-, C-) photons are
  576. included in the designation (A+, B-), and nothing else is included in N(A+,
  577. B-).  You can make this claim if these measurements are connected to some
  578. real properties of the photons. 
  579.  
  580.     Let n[A+, B+] be the designation for "the number of measurements of
  581. pairs of photons in which the first photon measured A+, and the second
  582. photon measured B+."  Use a similar designation for the other possible
  583. results.  This is necessary because this is all it is possible to measure. 
  584. You can't measure both A and B of the same photon.  Bell demonstrated that
  585. in an actual experiment, if (1) is true (indicating real properties), then
  586. the following must be true: 
  587.  
  588. (2)    n[A+, B+] <= n[A+, C+] + n[B+, C-].
  589.  
  590.     Additional inequality relations can be written by just making the
  591. appropriate permutations of the letters A, B and C and the two signs.  This
  592. is Bell's inequality principle, and it is proved to be true if there are
  593. real (perhaps hidden) parameters to account for the measurements. 
  594.  
  595.         At the time Bell's result first became known, the experimental
  596. record was reviewed to see if any known results provided evidence against
  597. locality. None did. Thus an effort began to develop tests of Bell's
  598. inequality. A series of experiments was conducted by Aspect ending with one
  599. in which polarizer angles were changed while the photons were `in flight'.
  600. This was widely regarded at the time as being a reasonably conclusive
  601. experiment confirming the predictions of QM. 
  602.  
  603.     Three years later Franson published a paper showing that the timing
  604. constraints in this experiment were not adequate to confirm that locality
  605. was violated. Aspect measured the time delays between detections of photon
  606. pairs. The critical time delay is that between when a polarizer angle is
  607. changed and when this affects the statistics of detecting photon pairs.
  608. Aspect estimated this time based on the speed of a photon and the distance
  609. between the polarizers and the detectors. Quantum mechanics does not allow
  610. making assumptions about *where* a particle is between detections. We
  611. cannot know *when* a particle traverses a polarizer unless we detect the
  612. particle *at* the polarizer. 
  613.  
  614.     Experimental tests of Bell's inequality are ongoing but none has
  615. yet fully addressed the issue raised by Franson. In addition there is an
  616. issue of detector efficiency. By postulating new laws of physics one can
  617. get the expected correlations without any nonlocal effects unless the
  618. detectors are close to 90% efficient. The importance of these issues is a
  619. matter of judgement. 
  620.  
  621.     The subject is alive theoretically as well.  In the 1970's 
  622. Eberhard derived Bell's result without reference to local hidden variable 
  623. theories; it applies to all local theories.  Eberhard also showed that the 
  624. nonlocal effects that QM predicts cannot be used for superluminal 
  625. communication.  The subject is not yet closed, and may yet provide more 
  626. interesting insights into the subtleties of quantum mechanics.
  627.  
  628. REFERENCES:
  629.  
  630. 1.  A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen:  "Can quantum-mechanical 
  631. description of physical reality be considered complete?"
  632. Physical Review 41, 777 (15 May 1935).  (The original EPR paper)
  633.  
  634. 2.  D. Bohm:  Quantum Theory, Dover, New York (1957).  (Bohm
  635. discusses some of his ideas concerning hidden variables.)
  636.  
  637. 3.  N. Herbert:  Quantum Reality, Doubleday.  (A very good
  638. popular treatment of EPR and related issues)
  639.  
  640. 4.  M. Gardner: Science - Good, Bad and Bogus, Prometheus Books. 
  641. (Martin Gardner gives a skeptics view of the fringe science
  642. associated with EPR.)
  643.  
  644. 5.  J. Gribbin:  In Search of Schrodinger's Cat, Bantam Books. 
  645. (A popular treatment of EPR and the paradox of "Schrodinger's
  646. cat" that results from the Copenhagen interpretation)
  647.  
  648. 6.  N. Bohr:  "Can quantum-mechanical description of physical
  649. reality be considered  complete?" Physical Review 48, 696 (15 Oct
  650. 1935).  (Niels Bohr's response to EPR)
  651.  
  652. 7.  J. Bell:  "On the Einstein Podolsky Rosen paradox" Physics 1
  653. #3, 195 (1964).
  654.  
  655. 8.  J. Bell:  "On the problem of hidden variables in quantum
  656. mechanics" Reviews of  Modern Physics 38 #3, 447 (July 1966). 
  657.  
  658. 9.  D. Bohm, J. Bub:  "A proposed solution of the measurement
  659. problem in quantum  mechanics by a hidden variable theory"
  660. Reviews of Modern Physics 38  #3, 453 (July 1966).
  661.  
  662. 10.  B. DeWitt:  "Quantum mechanics and reality" Physics Today p.
  663. 30 (Sept 1970).
  664.  
  665. 11.  J. Clauser, A. Shimony:  "Bell's theorem: experimental
  666. tests and implications" Rep.  Prog. Phys. 41, 1881 (1978).
  667.  
  668. 12.  A. Aspect, Dalibard, Roger:  "Experimental test of Bell's
  669. inequalities using time- varying analyzers" Physical Review
  670. Letters 49 #25, 1804 (20 Dec 1982).
  671.  
  672. 13.  A. Aspect, P. Grangier, G. Roger:  "Experimental realization
  673. of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm gedankenexperiment; a new
  674. violation of Bell's inequalities" Physical  Review Letters 49
  675. #2, 91 (12 July 1982).
  676.  
  677. 14.  A. Robinson: "Loophole closed in quantum mechanics test"
  678. Science 219, 40 (7 Jan 1983).
  679.  
  680. 15.  B. d'Espagnat:  "The quantum theory and reality" Scientific
  681. American 241 #5 (November 1979).
  682.  
  683. 16. "Bell's Theorem and Delayed Determinism", Franson, Physical Review D,
  684. pgs. 2529-2532, Vol. 31, No. 10, May 1985.
  685.  
  686. 17. "Bell's Theorem without Hidden Variables", P. H. Eberhard, Il Nuovo 
  687. Cimento, 38 B 1, pgs. 75-80, (1977).
  688.  
  689. 18. "Bell's Theorem and the Different Concepts of Locality", P. H. 
  690. Eberhard, Il Nuovo Cimento 46 B, pgs. 392-419, (1978).
  691. ********************************************************************************
  692. Item 28.
  693.  
  694. The Nobel Prize for Physics (1901-1993)         updated 15-OCT-1993 by SIC
  695. ---------------------------------------         original by Scott I. Chase
  696.  
  697. The following is a complete listing of Nobel Prize awards, from the first
  698. award in 1901.  Prizes were not awarded in every year.  The description 
  699. following the names is an abbreviation of the official citation.  
  700.  
  701. 1901    Wilhelm Konrad Rontgen          X-rays
  702. 1902    Hendrik Antoon Lorentz          Magnetism in radiation phenomena
  703.         Pieter Zeeman
  704. 1903    Antoine Henri Bequerel          Spontaneous radioactivity
  705.         Pierre Curie
  706.         Marie Sklowdowska-Curie 
  707. 1904    Lord Rayleigh                   Density of gases and 
  708.         (a.k.a. John William Strutt)     discovery of argon
  709. 1905    Pilipp Eduard Anton von Lenard  Cathode rays
  710. 1906    Joseph John Thomson             Conduction of electricity by gases
  711. 1907    Albert Abraham Michelson        Precision meteorological investigations
  712. 1908    Gabriel Lippman                 Reproducing colors photographically
  713.                                          based on the phenomenon of interference
  714. 1909    Guglielmo Marconi               Wireless telegraphy
  715.         Carl Ferdinand Braun
  716. 1910    Johannes Diderik van der Waals  Equation of state of fluids
  717. 1911    Wilhelm Wien                    Laws of radiation of heat
  718. 1912    Nils Gustaf Dalen               Automatic gas flow regulators 
  719. 1913    Heike Kamerlingh Onnes          Matter at low temperature
  720. 1914    Max von Laue                    Crystal diffraction of X-rays
  721. 1915    William Henry Bragg             X-ray analysis of crystal structure
  722.         William Lawrence Bragg
  723. 1917    Charles Glover Barkla           Characteristic X-ray spectra of elements
  724. 1918    Max Planck                      Energy quanta
  725. 1919    Johannes Stark                  Splitting of spectral lines in E fields
  726. 1920    Charles-Edouard Guillaume       Anomalies in nickel steel alloys
  727. 1921    Albert Einstein                 Photoelectric Effect
  728. 1922    Niels Bohr                      Structure of atoms
  729. 1923    Robert Andrew Millikan          Elementary charge of electricity
  730. 1924    Karl Manne Georg Siegbahn       X-ray spectroscopy
  731. 1925    James Franck                    Impact of an electron upon an atom
  732.         Gustav Hertz
  733. 1926    Jean Baptiste Perrin            Sedimentation equilibrium
  734. 1927    Arthur Holly Compton            Compton effect
  735.         Charles Thomson Rees Wilson     Invention of the Cloud chamber
  736. 1928    Owen Willans Richardson         Thermionic phenomena, Richardson's Law
  737. 1929    Prince Louis-Victor de Broglie  Wave nature of electrons
  738. 1930    Sir Chandrasekhara Venkata Raman Scattering of light, Raman effect
  739. 1932    Werner Heisenberg               Quantum Mechanics 
  740. 1933    Erwin Schrodinger               Atomic theory
  741.         Paul Adrien Maurice Dirac
  742. 1935    James Chadwick                  The neutron
  743. 1936    Victor Franz Hess               Cosmic rays
  744.     Carl D. Anderson        The positron
  745. 1937    Clinton Joseph Davisson         Crystal diffraction of electrons
  746.         George Paget Thomson
  747. 1938    Enrico Fermi                    New radioactive elements 
  748. 1939    Ernest Orlando Lawrence         Invention of the Cyclotron
  749. 1943    Otto Stern                      Proton magnetic moment
  750. 1944    Isador Isaac Rabi               Magnetic resonance in atomic nuclei
  751. 1945    Wolfgang Pauli                  The Exclusion principle
  752. 1946    Percy Williams Bridgman         Production of extremely high pressures
  753. 1947    Sir Edward Victor Appleton      Physics of the upper atmosphere
  754. 1948    Patrick Maynard Stuart Blackett Cosmic ray showers in cloud chambers
  755. 1949    Hideki Yukawa                   Prediction of Mesons 
  756. 1950    Cecil Frank Powell              Photographic emulsion for meson studies
  757. 1951    Sir John Douglas Cockroft       Artificial acceleration of atomic 
  758.         Ernest Thomas Sinton Walton      particles and transmutation of nuclei
  759. 1952    Felix Bloch                     Nuclear magnetic precision methods 
  760.         Edward Mills Purcell
  761. 1953    Frits Zernike                   Phase-contrast microscope
  762. 1954    Max Born                        Fundamental research in QM
  763.         Walther Bothe                   Coincidence counters
  764. 1955    Willis Eugene Lamb              Hydrogen fine structure
  765.         Polykarp Kusch                  Electron magnetic moment
  766. 1956    William Shockley                Transistors
  767.         John Bardeen
  768.         Walter Houser Brattain
  769. 1957    Chen Ning Yang                  Parity violation 
  770.         Tsung Dao Lee
  771. 1958    Pavel Aleksejevic Cerenkov      Interpretation of the Cerenkov effect
  772.         Il'ja Mickajlovic Frank
  773.         Igor' Evgen'evic Tamm
  774. 1959    Emilio Gino Segre               The Antiproton
  775.         Owen Chamberlain    
  776. 1960    Donald Arthur Glaser            The Bubble Chamber
  777. 1961    Robert Hofstadter               Electron scattering on nucleons
  778.         Rudolf Ludwig Mossbauer         Resonant absorption of photons
  779. 1962    Lev Davidovic Landau            Theory of liquid helium
  780. 1963    Eugene P. Wigner                Fundamental symmetry principles
  781.         Maria Goeppert Mayer            Nuclear shell structure
  782.         J. Hans D. Jensen 
  783. 1964    Charles H. Townes               Maser-Laser principle
  784.         Nikolai G. Basov
  785.         Alexander M. Prochorov
  786. 1965    Sin-Itiro Tomonaga              Quantum electrodynamics
  787.         Julian Schwinger
  788.         Richard P. Feynman
  789. 1966    Alfred Kastler                  Study of Hertzian resonance in atoms
  790. 1967    Hans Albrecht Bethe             Energy production in stars 
  791. 1968    Luis W. Alvarez                 Discovery of many particle resonances
  792. 1969    Murray Gell-Mann                Quark model for particle classification
  793. 1970    Hannes Alfven                   Magneto-hydrodynamics in plasma physics
  794.         Louis Neel                      Antiferromagnetism and ferromagnetism
  795. 1971    Dennis Gabor                    Principles of holography
  796. 1972    John Bardeen                    Superconductivity
  797.         Leon N. Cooper
  798.         J. Robert Schrieffer
  799. 1973    Leo Esaki                       Tunneling in superconductors
  800.         Ivar Giaever 
  801.         Brian D. Josephson              Super-current through tunnel barriers
  802. 1974    Antony Hewish                   Discovery of pulsars
  803.         Sir Martin Ryle                 Pioneering radioastronomy work
  804. 1975    Aage Bohr                       Structure of the atomic nucleus
  805.         Ben Mottelson
  806.         James Rainwater
  807. 1976    Burton Richter                  Discovery of the J/Psi particle
  808.         Samual Chao Chung Ting
  809. 1977    Philip Warren Anderson          Electronic structure of magnetic and 
  810.         Nevill Francis Mott             disordered solids
  811.         John Hasbrouck Van Vleck
  812. 1978    Pyotr Kapitsa                   Liquifaction of helium
  813.         Arno A. Penzias                 Cosmic Microwave Background Radiation
  814.         Robert W. Wilson
  815. 1979    Sheldon Glashow                 Electroweak Theory, especially
  816.         Steven Weinberg                  weak neutral currents
  817.         Abdus Salam                     
  818. 1980    James Cronin                    Discovery of CP violation in the 
  819.         Val Fitch                        asymmetric decay of neutral K-mesons
  820. 1981    Kai M. Seigbahn                 High resolution electron spectroscopy
  821.         Nicolaas Bleombergen            Laser spectroscopy
  822.         Arthur L. Schawlow
  823. 1982    Kenneth G. Wilson               Critical phenomena in phase transitions 
  824. 1983    Subrahmanyan Chandrasekhar      Evolution of stars
  825.         William A. Fowler
  826. 1984    Carlo Rubbia                    Discovery of W,Z
  827.         Simon van der Meer              Stochastic cooling for colliders
  828. 1985    Klaus von Klitzing              Discovery of quantum Hall effect
  829. 1986    Gerd Binning                    Scanning Tunneling Microscopy
  830.         Heinrich Rohrer
  831.         Ernst August Friedrich Ruska    Electron microscopy
  832. 1987    Georg Bednorz                   High-temperature superconductivity
  833.         Alex K. Muller 
  834. 1988    Leon Max Lederman               Discovery of the muon neutrino leading
  835.         Melvin Schwartz                  to classification of particles in 
  836.         Jack Steinberger                 families
  837. 1989    Hans Georg Dehmelt              Penning Trap for charged particles
  838.         Wolfgang Paul                   Paul Trap for charged particles
  839.         Norman F. Ramsey                Control of atomic transitions by the
  840.                                          separated oscillatory fields method
  841. 1990    Jerome Isaac Friedman           Deep inelastic scattering experiments
  842.         Henry Way Kendall                leading to the discovery of quarks
  843.         Richard Edward Taylor
  844. 1991    Pierre-Gilles de Gennes         Order-disorder transitions in liquid 
  845.                                          crystals and polymers
  846. 1992    Georges Charpak                 Multiwire Proportional Chamber
  847. 1993    Russell A. Hulse                Discovery of the first binary pulsar
  848.         Joseph H. Taylor                 and subsequent tests of GR
  849.  
  850. ********************************************************************************
  851. Item 29.
  852.  
  853. Open Questions                                  updated 01-JUN-1993 by SIC
  854. --------------                                  original by John Baez
  855.  
  856.     While for the most part a FAQ covers the answers to frequently
  857. asked questions whose answers are known, in physics there are also plenty
  858. of simple and interesting questions whose answers are not known. Before you
  859. set about answering these questions on your own, it's worth noting that
  860. while nobody knows what the answers are, there has been at least a little,
  861. and sometimes a great deal, of work already done on these subjects. People
  862. have said a lot of very intelligent things about many of these questions. 
  863. So do plenty of research and ask around before you try to cook up a theory
  864. that'll answer one of these and win you the Nobel prize!  You can expect to
  865. really know physics inside and out before you make any progress on these. 
  866.  
  867.     The following partial list of "open" questions is divided into two
  868. groups, Cosmology and Astrophysics, and Particle and Quantum Physics. 
  869. However, given the implications of particle physics on cosmology, the
  870. division is somewhat artificial, and, consequently, the categorization is 
  871. somewhat arbitrary.  
  872.  
  873.     (There are many other interesting and fundamental questions in 
  874. fields such as condensed matter physics, nonlinear dynamics, etc., which 
  875. are not part of the set of related questions in cosmology and quantum 
  876. physics which are discussed below.  Their omission is not a judgement 
  877. about importance, but merely a decision about the scope of this article.)
  878.     
  879. Cosmology and Astrophysics
  880. --------------------------
  881.  
  882. 1.  What happened at, or before the Big Bang?  Was there really an initial
  883. singularity?  Of course, this question might not make sense, but it might.
  884. Does the history of universe go back in time forever, or only a finite
  885. amount? 
  886.  
  887. 2.  Will the future of the universe go on forever or not?  Will there be a
  888. "big crunch" in the future?  Is the Universe infinite in spatial extent? 
  889.  
  890. 3.  Why is there an arrow of time; that is, why is the future so much
  891. different from the past?
  892.  
  893. 4.  Is spacetime really four-dimensional?   If so, why - or is that just a
  894. silly question?  Or is spacetime not really a manifold at all if examined
  895. on a short enough distance scale? 
  896.  
  897. 5.  Do black holes really exist?  (It sure seems like it.)  Do they really
  898. radiate energy and evaporate the way Hawking predicts?  If so, what happens
  899. when, after a finite amount of time, they radiate completely away?  What's
  900. left?  Do black holes really violate all conservation laws except
  901. conservation of energy, momentum, angular momentum and electric charge? 
  902. What happens to the information contained in an object that falls into a 
  903. black hole?  Is it lost when the black hole evaporates?  Does this require 
  904. a modification of quantum mechanics?
  905.  
  906. 6.  Is the Cosmic Censorship Hypothesis true?  Roughly, for generic
  907. collapsing isolated gravitational systems are the singularities that might
  908. develop guaranteed to be hidden beyond a smooth event horizon?  If Cosmic
  909. Censorship fails, what are these naked singularities like?  That is, what 
  910. weird physical consequences would they have? 
  911.  
  912. 7.  Why are the galaxies distributed in clumps and filaments?  Is most of
  913. the matter in the universe baryonic?  Is this a matter to be resolved by
  914. new physics? 
  915.  
  916. 8.  What is the nature of the missing "Dark Matter"?  Is it baryonic, 
  917. neutrinos, or something more exotic?  
  918.  
  919. Particle and Quantum Physics
  920. ----------------------------
  921.  
  922. 1.  Why are the laws of physics not symmetrical between left and right,
  923. future and past, and between matter and antimatter?  I.e., what is the
  924. mechanism of CP violation, and what is the origin of parity violation in
  925. Weak interactions?  Are there right-handed Weak currents too weak to have
  926. been detected so far?  If so, what broke the symmetry?  Is CP violation 
  927. explicable entirely within the Standard Model, or is some new force or
  928. mechanism required?
  929.  
  930. 2.  Why are the strengths of the fundamental forces (electromagnetism, weak
  931. and strong forces, and gravity) what they are?  For example, why is the
  932. fine structure constant, which measures the strength of electromagnetism,
  933. about 1/137.036?  Where did this dimensionless constant of nature come from? 
  934. Do the forces really become Grand Unified at sufficiently high energy?
  935.  
  936. 3.  Why are there 3 generations of leptons and quarks?  Why are there mass
  937. ratios what they are?  For example, the muon is a particle almost exactly
  938. like the electron except about 207 times heavier.  Why does it exist and
  939. why precisely that much heavier?   Do the quarks or leptons have any 
  940. substructure? 
  941.  
  942. 4.  Is there a consistent and acceptable relativistic quantum field theory
  943. describing interacting (not free) fields in four spacetime dimensions?  For
  944. example, is the Standard Model mathematically consistent?  How about
  945. Quantum Electrodynamics? 
  946.  
  947. 5.  Is QCD a true description of quark dynamics?  Is it possible to
  948. calculate masses of hadrons (such as the proton, neutron, pion, etc.)
  949. correctly from the Standard Model?  Does QCD predict a quark/gluon
  950. deconfinement phase transition at high temperature?  What is the nature of
  951. the transition?  Does this really happen in Nature? 
  952.  
  953. 6.  Why is there more matter than antimatter, at least around here? Is
  954. there really more matter than antimatter throughout the universe? 
  955.  
  956. 7.  What is meant by a "measurement" in quantum mechanics?  Does
  957. "wavefunction collapse" actually happen as a physical process?  If so, how,
  958. and under what conditions?  If not, what happens instead? 
  959.  
  960. 8.  What are the gravitational effects, if any, of the immense (possibly
  961. infinite) vacuum energy density seemingly predicted by quantum field
  962. theory?  Is it really that huge?  If so, why doesn't it act like an
  963. enormous cosmological constant? 
  964.  
  965. 9.  Why doesn't the flux of solar neutrinos agree with predictions?  Is the
  966. disagreement really significant?  If so, is the discrepancy in models of
  967. the sun, theories of nuclear physics, or theories of neutrinos?  Are
  968. neutrinos really massless? 
  969.  
  970. The Big Question (TM)
  971. ---------------------
  972.  
  973. This last question sits on the fence between the two categories above:
  974.  
  975.     How do you merge Quantum Mechanics and General Relativity to create a
  976. quantum theory of gravity?  Is Einstein's theory of gravity (classical GR)
  977. also correct in the microscopic limit, or are there modifications
  978. possible/required which coincide in the observed limit(s)?  Is gravity
  979. really curvature, or what else -- and why does it then look like curvature? 
  980. An answer to this question will necessarily rely upon, and at the same time
  981. likely be a large part of, the answers to many of the other questions above.
  982.  
  983. ********************************************************************************
  984. END OF FAQ
  985.  
  986.  
  987.