home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Nebula 1994 June / NEBULA_SE.ISO / Documents / FAQ / Physics-faq / part1 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1993-07-03  |  75.6 KB

  1. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!news.media.mit.edu!uhog.mit.edu!wupost!howland.reston.ans.net!agate!overload.lbl.gov!csa5.lbl.gov!sichase
  2. From: sichase@csa2.lbl.gov (SCOTT I CHASE)
  3. Newsgroups: sci.physics,alt.sci.physics.new-theories,news.answers,sci.answers,alt.answers
  4. Subject: Sci.physics Frequently Asked Questions - July 1993  - Part 1/2
  5. Followup-To: sci.physics
  6. Date: 1 Jul 1993 12:22 PST
  7. Organization: Lawrence Berkeley Laboratory - Berkeley, CA, USA
  8. Lines: 1421
  9. Sender: sichase@csa5.lbl.gov (SCOTT I CHASE)
  10. Approved: news-answers-request@MIT.Edu
  11. Distribution: world
  12. Expires: Thu, 1 August 1993 00:00:00 GMT
  13. Message-ID: <1JUL199312225070@csa5.lbl.gov>
  14. Reply-To: sichase@csa2.lbl.gov
  15. NNTP-Posting-Host: csa5.lbl.gov
  16. Summary: This posting contains a list of Frequently Asked Questions 
  17.     (and their answers) about physics, and should be read by anyone who
  18.     wishes to post to the sci.physics.* newsgroups.
  19. Keywords: Sci.physics FAQ July 1993 Part 1/2
  20. News-Software: VAX/VMS VNEWS 1.41    
  21. Xref: senator-bedfellow.mit.edu sci.physics:55989 alt.sci.physics.new-theories:3845 news.answers:9946 sci.answers:285 alt.answers:492
  22.  
  23. Archive-name: physics-faq/part1
  24. Last-modified: 1993/06/16
  25.  
  26. --------------------------------------------------------------------------------
  27.               FREQUENTLY ASKED QUESTIONS ON SCI.PHYSICS - Part 1/2
  28. --------------------------------------------------------------------------------
  29.  
  30.     This Frequently Asked Questions List is posted monthly, on or near 
  31. the first of the month, to the USENET newsgroups sci.physics.research,
  32. sci.physics and alt.sci.physics.new-theories in an attempt to provide good 
  33. answers to frequently asked questions and other reference material which is 
  34. worth preserving. If you have corrections or answers to other frequently 
  35. asked questions that you would like included in this posting, send E-mail 
  36. to sichase@csa2.lbl.gov (Scott I. Chase).
  37.  
  38.     The FAQ is distributed to all interested parties whenever sufficient
  39. changes have accumulated to  warrant such a mailing.  To request that your
  40. address be added to the list, send mail to my address, above, and include 
  41. the words "FAQ Mailing List" in  the subject header of your message.  Please
  42. send your request from the exact address you would like to use for receipt 
  43. of the FAQ.  To faciliate mailing, the FAQ is now being distributed as a 
  44. multi-part posting.
  45.  
  46.     If you are a new reader of the Physics newsgroups, please read 
  47. item #1, below.   If you do not wish to read the FAQ at all, add 
  48. "Frequently Asked Questions" to your .KILL file.  
  49.  
  50.     A listing of new items can be found above the subject index, so 
  51. that you can quickly identify new subjects of interest.  To locate old
  52. items which have been updated since the last posting, look for the stars (*)
  53. in the subject index, which indicate new material.
  54.  
  55.     Items which have been submitted by a single individual are 
  56. attributed to the original author.  All other contributors have been thanked
  57. privately.  
  58.  
  59. New Items: NONE
  60.  
  61. Index of Subjects
  62. -----------------
  63.  1.*An Introduction to the Physics Newsgroups on USENET
  64.  2. Gravitational Radiation
  65.  3. Energy Conservation in Cosmology and Red Shift 
  66.  4. Effects Due to the Finite Speed of Light
  67.  5. The Top Quark 
  68.  6. Tachyons
  69.  7. Special Relativistic Paradoxes and Puzzles
  70.     (a) The Barn and the Pole
  71.     (b) The Twin Paradox
  72.     (c) The Superluminal Scissors
  73.  8. The Particle Zoo
  74.  9. Olbers' Paradox
  75. 10. What is Dark Matter?
  76. 11. Hot Water Freezes Faster than Cold!
  77. 12. Why are Golf Balls Dimpled?
  78. 13. How to Change Nuclear Decay Rates
  79. 14. Some Frequently Asked Questions About Black Holes
  80. 15. Below Absolute Zero - What Does Negative Temperature Mean?
  81. 16. Which Way Will my Bathtub Drain?
  82. 17. Why do Mirrors Reverse Left and Right?
  83. 18. What is the Mass of a Photon?
  84. 19. Why Do Stars Twinkle While Planets Do Not? 
  85. 20. Baryogenesis - Why Are There More Protons Than Antiprotons?
  86. 21. Time Travel - Fact or Fiction?
  87. 22. The Nobel Prize for Physics
  88. 23.*Open Questions
  89. 24. Accessing and Using Online Physics Resources
  90.  
  91. ********************************************************************************
  92. Item 1.                                         updated 17-JUN-1993 by SIC
  93.  
  94. An Introduction to the Physics Newsgroups on USENET
  95. ---------------------------------------------------
  96.  
  97.     The USENET hierarchy contains three newsgroups dedicated to the
  98. discussion of physics and physics-related topics.  These are sci.physics,
  99. sci.physics.research, and alt.sci.physics.new-theories.  
  100.  
  101.     Sci.Physics is an unmoderated newsgroup dedicated to the discussion
  102. of physics, news from the physics community, and physics-related social
  103. issues.  Sci.Physics.Research is a moderated newgroup designed to offer an
  104. environment with less traffic and more opportunity for discussion of
  105. serious topics in physics among experts and beginners alike.  The current
  106. moderators of sci.physics.research are John Baez (jbaez@math.mit.edu), 
  107. William Johnson(mwj@beta.lanl.gov), Cameron Randale (Dale) Bass 
  108. (crb7q@kelvin.seas.Virginia.edu), and Lee Sawyer (sawyer@utahep.uta.edu).
  109. Alt.sci.physics.new-theories is an open forum for discussion of any
  110. topics related to conventional or unconventional physics.  In this 
  111. context, "unconventional physics" includes any ideas on physical science,
  112. whether or not they are widely accepted by the mainstream physics community.
  113.  
  114.     People from a wide variety of non-physics backgrounds, as well
  115. as students and experts in all areas of physics participate in the ongoing
  116. discussions on sci.physics and sci.physics.research.  Professors, industrial 
  117. scientists, graduate students, etc., are all on hand to bring physics 
  118. expertise to bear on almost any question.   But the only requirement for 
  119. participation is interest in physics, so feel free to post -- but before 
  120. you do, please do the following: 
  121.  
  122. (1) Read this posting, a.k.a., the FAQ.  It contains good answers,
  123. contributed by the readership,  to some of the most frequently asked
  124. questions. 
  125.  
  126. (2) Understand "netiquette."  If you are not sure what this means,
  127. subscribe to news.announce.newusers and read the excellent discussion of
  128. proper net behavior that is posted there periodically.  
  129.  
  130. (3) Be aware that there is another newsgroup dedicated to the discussion of
  131. "alternative" physics.  It is alt.sci.physics.new-theories, and is the
  132. appropriate forum for discussion of physics ideas which are not widely
  133. accepted by the physics community.  Sci.Physics is not the group for such
  134. discussions.  A quick look at items posted to both groups will make the
  135. distinction apparent. 
  136.  
  137. (4) Read the responses already posted in the thread to which you want to
  138. contribute.  If a good answer is already posted, or the point you wanted
  139. to make has already been made, let it be.  Old questions have probably been
  140. thoroughly discussed by the time you get there - save bandwidth by posting
  141. only new information.  Post to as narrow a geographic region as is 
  142. appropriate.  If your comments are directed at only one person, try E-mail.
  143.  
  144. (5) Get the facts right!  Opinions may differ, but facts should not.  It is
  145. very tempting for new participants to jump in with quick answers to physics
  146. questions posed to the group.  But it is very easy to end up feeling silly
  147. when people barrage you with corrections.  So before you give us all a
  148. physics lesson you'll regret - look it up. 
  149.  
  150. (6) Don't post textbook problems in the hope that someone will do your 
  151. homework for you.  Do you own homework; it's good for you.   On the other 
  152. hand, questions, even about elementary physics, are always welcome.  So 
  153. if you want to discuss the physics which is relevent to your homework,
  154. feel free to do so.  Be warned that you may still have plenty of 
  155. work to do, trying to figure out which of the many answers you get are 
  156. correct.
  157.  
  158. (7) Be prepared for heated discussion.  People have strong opinions about
  159. the issues, and discussions can get a little "loud" at times. Don't take it
  160. personally if someone seems to always jump all over everything you say. 
  161. Everyone was jumping all over everybody long before you got there!  You
  162. can keep the discussion at a low boil by trying to stick to the facts. 
  163. Clearly separate facts from opinion - don't let people think you are
  164. confusing your opinions with scientific truth.  And keep the focus of
  165. discussion on the ideas, not the people who post them. 
  166.  
  167. (8) Tolerate everyone.  People of many different points of view, and widely
  168. varying educational backgrounds from around the world participate in this
  169. newsgroup.  Respect for others will be returned in kind.  Personal
  170. criticism is usually not welcome. 
  171.  
  172. ********************************************************************************
  173. Item 2.
  174.  
  175. Gravitational Radiation                         updated: 4-May-1992 by SIC
  176. -----------------------
  177.  
  178.     Gravitational Radiation is to gravity what light is to
  179. electromagnetism. It is produced when massive bodies accelerate.  You can
  180. accelerate any body so as to produce such radiation, but due to the feeble
  181. strength of gravity, it is entirely undetectable except when produced by
  182. intense astrophysical sources such as supernovae, collisions of black
  183. holes, etc.  These are quite far from us, typically, but they are so
  184. intense that they dwarf all possible laboratory sources of such radiation. 
  185.  
  186.     Gravitational waves have a polarization pattern that causes objects
  187. to expand in one direction, while contracting in the perpendicular
  188. direction. That is, they have spin two.  This is because gravity waves are
  189. fluctuations in the tensorial metric of space-time. 
  190.  
  191.     All oscillating radiation fields can be quantized, and in the case
  192. of gravity,  the intermediate boson is called the "graviton" in analogy
  193. with the photon. But quantum gravity is hard, for several reasons: 
  194.         (1) The quantum field theory of gravity is hard, because gauge 
  195. interactions of spin-two fields are not renormalizable.  See Cheng and Li,
  196. Gauge Theory of Elementary Particle Physics (search for "power counting").
  197.         (2) There are conceptual problems - what does it mean to quantize
  198. geometry, or space-time?
  199.  
  200.     It is possible to quantize weak fluctuations in the gravitational
  201. field.  This gives rise to the spin-2 graviton.  But full quantum gravity
  202. has so far escaped formulation.  It is not likely to look much like the
  203. other quantum field theories.  In addition, there are models of gravity
  204. which include additional bosons with different spins.  Some are the
  205. consequence of non-Einsteinian models, such as Brans-Dicke which has a
  206. spin-0 component. Others are included by hand, to give "fifth force"
  207. components to gravity. For example, if you want to add a weak repulsive
  208. short range component, you will need a massive spin-1 boson.  (Even-spin
  209. bosons always attract.  Odd-spin bosons can attract or repel.)  If
  210. antigravity is real, then this has implications for the boson spectrum as
  211. well. 
  212.  
  213.     The spin-two polarization provides the method of detection.  Most
  214. experiments to date use a "Weber bar."  This is a cylindrical, very
  215. massive, bar suspended  by fine wire, free to oscillate in response to a
  216. passing graviton.   A high-sensitivity, low noise, capacitive transducer
  217. can turn the oscillations of the bar into an electric signal for analysis. 
  218. So far such searches have failed.  But they are expected to be
  219. insufficiently sensitive for typical  radiation intensity from known types
  220. of sources. 
  221.  
  222.     A more sensitive technique uses very long baseline laser
  223. interferometry.  This is the principle of LIGO (Laser Interferometric
  224. Gravity wave Observatory).  This is a two-armed detector, with
  225. perpendicular laser beams each travelling several km before meeting to
  226. produce an interference pattern which fluctuates if a gravity wave distorts
  227. the geometry of the detector.  To eliminate noise from seismic effects as
  228. well as human noise sources, two detectors separated by hundreds to
  229. thousands of miles are necessary.  A coincidence measurement then provides
  230. evidence of gravitational radiation.  In order to determine the source of
  231. the signal, a third detector, far from either of the first two, would be
  232. necessary.  Timing differences in the arrival of the signal to the three
  233. detectors would allow triangulation of the angular position in the sky of
  234. the signal. 
  235.  
  236.     The first stage of LIGO, a two detector setup in the U.S., has been
  237. approved by Congress in 1992.  LIGO researchers have started designing a
  238. prototype detector, and are hoping to enroll another nation, probably in
  239. Europe, to fund and be host to the third detector. 
  240.  
  241.     The speed of gravitational radiation (C_gw) depends upon the
  242. specific model of Gravitation that you use.  There are quite a few
  243. competing models (all consistent with all experiments to date) including of
  244. course Einstein's but also Brans-Dicke and several families of others.  
  245. All metric models can support gravity waves.  But not all predict radiation
  246. travelling at C_gw = C_em.  (C_em is the speed of electromagnetic waves.)
  247.  
  248.     There is a class of theories with "prior geometry", in which, as I
  249. understand it, there is an additional metric which does not depend only on
  250. the local matter density.  In such theories, C_gw != C_em in general. 
  251.  
  252.     However, there is good evidence that C_gw is in fact at least
  253. almost C_em. We observe high energy cosmic rays in the 10^20-10^21 eV
  254. region.  Such particles are travelling at up to (1-10^-18)*C_em.  If C_gw <
  255. C_em, then particles with C_gw < v < C_em will radiate Cerenkov
  256. gravitational radiation into the vacuum, and decelerate from the back
  257. reaction.  So evidence of these very fast cosmic rays good evidence that
  258. C_gw >= (1-10^-18)*C_em, very close indeed to C_em.  Bottom line: in a
  259. purely Einsteinian universe, C_gw = C_em. However, a class of models not
  260. yet ruled out experimentally does make other predictions.  
  261.  
  262.     A definitive test would be produced by LIGO in coincidence with
  263. optical measurements of some catastrophic event which generates enough
  264. gravitational radiation to be detected.  Then the "time of flight" of both
  265. gravitons and photons from the source to the Earth could be measured, and
  266. strict direct limits could be set on C_gw. 
  267.  
  268.     For more information, see Gravitational Radiation (NATO ASI - 
  269. Les Houches 1982), specifically the introductory essay by Kip Thorne.
  270.  
  271. ********************************************************************************
  272. Item 3.
  273.  
  274. ENERGY CONSERVATION IN COSMOLOGY AND RED SHIFT  updated: 10-May-1992 by SIC
  275. ----------------------------------------------
  276.  
  277. IS ENERGY CONSERVED IN OUR UNIVERSE? NO
  278.  
  279.     Why?  Every conserved quantity is the result of some symmetry of
  280. nature. This is known as Noether's theorem.  For example, momentum 
  281. conservation is the result of translation invariance, because position  is
  282. the variable conjugate to momentum.  Energy would be conserved due to
  283. time-translation invariance. However, in an expanding or contracting 
  284. universe, there is no time-translation invariance.  Hence energy is not 
  285. conserved.  If you want to learn more about this, read Goldstein's 
  286. Classical Mechanics, and look up Noether's theorem. 
  287.  
  288. DOES RED-SHIFT LEAD TO ENERGY NON-CONSERVATION:  SOMETIMES
  289.  
  290. There are three basic cosmological sources of red-shifted light:
  291. (1) Very massive objects emitting light
  292. (2) Very fast objects emitting light
  293. (3) Expansion of the universe leading to CBR (Cosmic Background 
  294.     Radiation) red-shift
  295.  
  296. About each:
  297. (1) Light has to climb out the gravitational well of a very massive object.
  298.  It gets red-shifted as a result.  As several people have commented, this
  299. does not lead to energy non-conservation, because the photon had negative
  300. gravitational potential energy when it was deep in the well.  No problems
  301. here.  If you want to learn more about this read Misner, Thorne, and
  302. Wheeler's Gravitation, if you dare. 
  303.  
  304. (2) Fast objects moving away from you emit Doppler shifted light.  No 
  305. problems here either.  Energy is only one part a four-vector, so it 
  306. changes from frame to frame.  However, when looked at in a Lorentz 
  307. invariant way, you can convince yourself that everything is OK here too.
  308. If you want to learn more about this, read Taylor and Wheeler's 
  309. Spacetime Physics.
  310.  
  311. (3) CBR has red-shifted over billions of years.  Each photon gets redder
  312. and redder.  And the energy is lost.  This is the only case in which
  313. red-shift leads to energy non-conservation.  Several people have speculated
  314. that radiation pressure "on the universe" causes it to expand more quickly,
  315. and attempt to identify the missing energy with the speed at which the
  316. universe is expanding due to radiation pressure.  This argument is
  317. completely specious.  If you add more radiation to the universe you add
  318. more energy, and the universe is now more closed than ever, and the
  319. expansion rate slows. 
  320.  
  321.     If you really MUST construct a theory in which something like
  322. energy is conserved (which is dubious in a universe without
  323. time-translation invariance), it is possible to arbitrarily define things
  324. so that energy has an extra term which compensates for the loss.  However,
  325. although the resultant quantity may be a constant, it is of questionable
  326. value, and certainly is not an integral associated with time-invariance, so
  327. it is not what everyone calls energy. 
  328.  
  329. ********************************************************************************
  330. Item 4.
  331.  
  332. EFFECTS DUE TO THE FINITE SPEED OF LIGHT       updated 28-May-1992 by SIC
  333. ----------------------------------------
  334.  
  335.     There are two well known phenomena which are due to the finite
  336. speed of electromagnetic radiation, but are essentially classical in
  337. nature, requiring no other facts of special relativity for their
  338. understanding. 
  339.  
  340. (1) Apparent Superluminal Velocity of Galaxies
  341.  
  342.     A distant object can appear to travel faster than the speed of
  343. light relative to us, provided that it has some component of motion towards
  344. us as well as perpendicular to our line of sight.  Say that on Jan. 1 you
  345. make a position measurement of galaxy X.  One month later, you measure it
  346. again. Assuming you know it's distance from us by some independent
  347. measurement, you derive its linear speed, and conclude that it is moving
  348. faster than the speed of light. 
  349.  
  350.     What have you forgotten?  Let's say that on Jan. 1, the object is D
  351. km from us, and that between Jan. 1 and Feb. 1, the object has moved d km
  352. closer to us.  You have assumed that the light you measured on Jan. 1 and
  353. Feb. 1 were emitted exactly one month apart.  Not so.  The first light beam
  354. had further to travel, and was actually emitted (1 + d/c) months before the
  355. second measurement, if we measure c in km/month.  The object has traveled
  356. the given angular distance in more time than you thought.  Similarly, if
  357. the object is moving away from us, the apparent angular velocity will be
  358. too slow, if you do not correct for this effect, which becomes significant
  359. when the object is moving along a line close to our line of sight. 
  360.  
  361.     Note that most extragalactic objects are moving away from us due to
  362. the Hubble expansion.  So for most objects, you don't get superluminal
  363. apparent velocities.  But the effect is still there, and you need to take
  364. it into account if you want to measure velocities by this technique. 
  365.  
  366. References: 
  367.  
  368. Considerations about the Apparent 'Superluminal Expansions' in 
  369. Astrophysics, E. Recami, A. Castellino, G.D. Maccarrone, M. Rodono,
  370. Nuovo Cimento 93B, 119 (1986).
  371.  
  372. Apparent Superluminal Sources, Comparative Cosmology and the Cosmic 
  373. Distance Scale, Mon. Not. R. Astr. Soc. 242, 423-427 (1990).
  374.  
  375. (2) Terrell Rotation
  376.  
  377.     Consider a cube moving across your field of view with speed near
  378. the speed of light.  The trailing face of the cube is edge on to your line
  379. of sight as it passes you.  However, the light from the back edge of that
  380. face (the edge of the square farthest from you) takes longer to get to your
  381. eye than the light from the front edge.  At any given instant you are
  382. seeing light from the front edge at time t and the back edge at time
  383. t-(L/c), where L is the length of an edge.  This means you see the back
  384. edge where it was some time earlier. This has the effect of *rotating* the
  385. *image* of the cube on your retina. 
  386.  
  387.     This does not mean that the cube itself rotates.  The *image* is
  388. rotated. And this depends only on the finite speed of light, not any other
  389. postulate or special relativity.  You can calculate the rotation angle by
  390. noting that the side face of the cube is Lorentz contracted to L' =
  391. L/gamma. This will correspond to a rotation angle of arccos(1/gamma). 
  392.  
  393.     It turns out, if you do the math for a sphere, that the amount of
  394. apparent rotation exactly cancels the Lorentz contraction.  The object
  395. itself is flattened, but then you see *behind* it as it flies by just
  396. enough to restore it to its original size.  So the image of a sphere is
  397. unaffected by the Lorentz flattening that it experiences. 
  398.  
  399.     Another implication of this is that if the object is moving at
  400. nearly the speed of light, although it is contracted into an
  401. infinitesimally thin pancake, you see it rotated by almost a full 90
  402. degrees, so you see the complete backside of the object, and it doesn't
  403. disappear from view.  In the case of the sphere, you see the transverse
  404. cross-section (which suffers no contraction), so that it still appears to
  405. be exactly a sphere. 
  406.  
  407.     That it took so long historically to realize this is undoubtedly
  408. due to the fact that although we were regularly accelerating particle beams
  409. in 1959 to relativistic speeds, we still do not have the technology to
  410. accelerate any macroscopic objects to speeds necessary to reveal the
  411. effect. 
  412.  
  413. References: J. Terrell, Phys Rev. _116_, 1041 (1959).  For a textbook
  414. discussion, see Marion's _Classical Dynamics_, Section 10.5.
  415.  
  416. ********************************************************************************
  417. Item 5.
  418.  
  419. TOP QUARK                                      updated: 18-APR-1993 by SIC
  420. ---------
  421.  
  422.     The top quark is the hypothetical sixth fundamental strongly
  423. interacting particle (quark).  The known quarks are up (u), down (d),
  424. strange (s), charm (c) and  bottom (b).  The Standard Model requires quarks
  425. to come in pairs in order to prevent mathematical inconsistency due to
  426. certain "anomalous" Feynman diagrams, which cancel if and only if the
  427. quarks are paired.  The pairs are (d,u),(s,c) and (b,?).  The missing
  428. partner of the b is called "top". 
  429.  
  430.     In addition, there is experimental evidence that the b quark has an
  431. "isodoublet" partner, which is so far unseen.  The forward-backward
  432. asymmetry in the reaction e+ + e- -> b + b-bar and the absence of
  433. flavor-changing neutral currents in b decays imply the existence of the
  434. isodoublet partner of the b. ("b-bar", pronounced "bee bar", signifies the
  435. b antiquark.) 
  436.  
  437.     The mass of the top quark is restricted by a variety of
  438. measurements. Due to radiative corrections which depend on the top quark
  439. circulating as a virtual particle inside the loop in the Feynman diagram,
  440. a number of experimentally accessible processes depend on the top quark 
  441. mass.  There are about a dozen such measurements which have been made so 
  442. far, including the width of the Z, b-b-bar mixing (which historically gave 
  443. the first hints that the top quark was very massive), and certain aspects 
  444. of muon decay.  These results collectively limit the top mass to roughly 
  445. 140 +/- 30 GeV.  This uncertainty is a "1-sigma" error bar. 
  446.  
  447.     Direct searches for the top quark have been performed, looking for
  448. the expected decay products in both p-p-bar and e+e- collisions.  The best
  449. current limits on the top mass are: 
  450.         (1) From the absence of Z -> t + t-bar, M(t) > M(Z)/2 = 45 GeV. 
  451. This is a "model independent" result, depending only on the fact that the
  452. top quark should be weakly interacting, coupling to the Z with sufficient
  453. strength to have been detected at the current resolution of the LEP
  454. experiments which have cornered the market on Z physics in the last several
  455. years. 
  456.         (2) From the absence of top quark decay products in the reaction p
  457. + p-bar -> t + t-bar -> hard leptons + X at Fermilab's Tevatron collider,
  458. the CDF (Collider Detector at Fermilab) experiment.  Each top quark is
  459. expect to decay into a W boson and a b quark.  Each W subsequently decays
  460. into either a charged lepton and a neutrino or two quarks.  The cleanest
  461. signature for the production and decay of the t-t-bar pair is the presence
  462. of two high-transverse-momentum (high Pt) leptons (electron or muon) in the 
  463. final state.  Other decay modes have higher branching ratios, but have 
  464. serious experimental backgrounds from W bosons produced in association with 
  465. jets.  The current published lower limit on M(t) from such measurements is 
  466. 91 GeV (95% confidence), 95 GeV (90% confidence).  However, these limits assume 
  467. that the top quark has the expected decay products in the expected branching 
  468. ratios, making these limits "model dependent," and consequently not as 
  469. "hard" as the considerably lower LEP limit of ~45 GeV.  Unpublished results
  470. from CDF and D0 now claim lower top mass limits of 108 GeV and 103 GeV for 
  471. the respective detectors, presumably at 95% confidence.  These numbers
  472. will probably change by the time they make it into print.
  473.  
  474.     The future is very bright for detecting the top quark.  LEP II, the
  475. upgrade of CERN's e+e- collider to E >= 2*Mw = 160 GeV by 1994, will allow
  476. a hard lower limit of roughly 90 GeV to be set.  Meanwhile, upgrades to
  477. CDF, start of a new experiment, D0,  and upgrades to the accelerator
  478. complex at Fermilab have recently allowed higher event rates and better 
  479. detector resolution, should allow production of standard model top quarks of 
  480. mass < 150 GeV in the next two years, and even higher mass further in the 
  481. future, at high enough event rate to identify the decays and give rough mass
  482. measurements.  There have already been a few unpublished "candidate" events 
  483. from CDF and D0, which, if verified, would be the first direct evidence of 
  484. the top quark, with mass in the vacinity of 130 GeV.
  485.  
  486. References: Phys. Rev. Lett. _68_, 447 (1992) and the references therein. 
  487.  
  488. ********************************************************************************
  489. Item 6.
  490.  
  491. Tachyons                                        updated: 22-MAR-1993 by SIC
  492. --------
  493.  
  494.                 There was a young lady named Bright,
  495.                 Whose speed was far faster than light.
  496.                 She went out one day,
  497.                 In a relative way,
  498.                 And returned the previous night!
  499.  
  500.                         -Reginald Buller
  501.  
  502.  
  503.     It is a well known fact that nothing can travel faster than the
  504. speed of light. At best, a massless particle travels at the speed of light.
  505. But is this really true?  In 1962, Bilaniuk, Deshpande, and Sudarshan, Am.
  506. J. Phys. _30_, 718 (1962), said "no".  A very readable paper is Bilaniuk
  507. and Sudarshan, Phys. Today _22_,43 (1969).  I give here a brief overview. 
  508.  
  509.     Draw a graph, with momentum (p) on the x-axis, and energy (E) on
  510. the y-axis.  Then draw the "light cone", two lines with the equations E =
  511. +/- p. This divides our 1+1 dimensional space-time into two regions.  Above
  512. and below are the "timelike" quadrants, and to the left and right are the
  513. "spacelike" quadrants. 
  514.  
  515.     Now the fundamental fact of relativity is that E^2 - p^2 = m^2. 
  516. (Let's take c=1 for the rest of the discussion.)  For any non-zero value of 
  517. m (mass), this is an hyperbola with branches in the timelike regions.  It 
  518. passes through the point (p,E) = (0,m), where the particle is at rest.  Any 
  519. particle with mass m is constrained to move on the upper branch of this 
  520. hyperbola.  (Otherwise, it is "off-shell", a term you hear in association
  521. with virtual particles - but that's another topic.) For massless particles, 
  522. E^2 = p^2, and the particle moves on the light-cone. 
  523.  
  524.     These two cases are given the names tardyon (or bradyon in more
  525. modern usage) and luxon, for "slow particle" and "light particle".  Tachyon
  526. is the name given to the supposed "fast particle" which would move with v>c. 
  527.  
  528.     Now another familiar relativistic equation is E =
  529. m*[1-(v/c)^2]^(-.5).  Tachyons (if they exist) have v > c.  This means that 
  530. E is imaginary!  Well, what if we take the rest mass m, and take it to be
  531. imaginary?  Then E is negative real, and E^2 - p^2 = m^2 < 0.  Or, p^2 -
  532. E^2 = M^2, where M is real.  This is a hyperbola with branches in the
  533. spacelike region of spacetime.  The energy and momentum of a tachyon must
  534. satisfy this relation.
  535.  
  536.     You can now deduce many interesting properties of tachyons.  For
  537. example, they accelerate (p goes up) if they lose energy (E goes down).
  538. Futhermore, a zero-energy tachyon is "transcendent," or infinitely fast.
  539. This has profound consequences.  For example, let's say that there were
  540. electrically charged tachyons.  Since they would move faster than the speed 
  541. of light in the vacuum, they should produce Cerenkov radiation. This would 
  542. *lower* their energy, causing them to accelerate more!  In other words, 
  543. charged tachyons would probably lead to a runaway reaction releasing an 
  544. arbitrarily large amount of energy.  This suggests that coming up with a 
  545. sensible theory of anything except free (noninteracting) tachyons is likely 
  546. to be difficult.  Heuristically, the problem is that we can get spontaneous 
  547. creation of tachyon-antitachyon pairs, then do a runaway reaction, making 
  548. the vacuum unstable.  To treat this precisely requires quantum field theory, 
  549. which gets complicated.  It is not easy to summarize results here.  However,
  550. one reasonably modern reference is _Tachyons, Monopoles, and Related
  551. Topics_, E. Recami, ed. (North-Holland, Amsterdam, 1978).
  552.  
  553.     However, tachyons are not entirely invisible.  You can imagine that
  554. you might produce them in some exotic nuclear reaction.  If they are
  555. charged, you could "see" them by detecting the Cerenkov light they produce
  556. as they speed away faster and faster.  Such experiments have been done.  So
  557. far, no tachyons have been found.  Even neutral tachyons can scatter off
  558. normal matter with experimentally observable consequences.  Again, no such
  559. tachyons have been found. 
  560.  
  561.     How about using tachyons to transmit information faster than the
  562. speed of light, in violation of Special Relativity?  It's worth noting 
  563. that when one considers the relativistic quantum mechanics of tachyons, the 
  564. question of whether they "really" go faster than the speed of light becomes 
  565. much more touchy!  In this framework, tachyons are *waves* that satisfy a
  566. wave equation.  Let's treat free tachyons of spin zero, for simplicity.   
  567. We'll set c = 1 to keep things less messy.  The wavefunction of a single 
  568. such tachyon can be expected to satisfy the usual equation for spin-zero 
  569. particles, the Klein-Gordon equation:
  570.  
  571.                 (BOX + m^2)phi = 0
  572.  
  573. where BOX is the D'Alembertian, which in 3+1 dimensions is just
  574.  
  575.                 BOX = (d/dt)^2 - (d/dx)^2 - (d/dy)^2 - (d/dz)^2.
  576.  
  577. The difference with tachyons is that m^2 is *negative*, and m is
  578. imaginary.
  579.  
  580. To simplify the math a bit, let's work in 1+1 dimensions, with
  581. coordinates x and t, so that
  582.  
  583.                 BOX = (d/dt)^2 - (d/dx)^2
  584.  
  585. Everything we'll say generalizes to the real-world 3+1-dimensional case.
  586. Now - regardless of m, any solution is a linear combination, or
  587. superposition, of solutions of the form
  588.  
  589.                 phi(t,x) = exp(-iEt + ipx)
  590.  
  591. where E^2 - p^2 = m^2.  When m^2 is negative there are two essentially
  592. different cases.  Either |p| >= |E|, in which case E is real and
  593. we get solutions that look like waves whose crests move along at the
  594. rate |p|/|E| >= 1, i.e., no slower than the speed of light.  Or |p| <
  595. |E|, in which case E is imaginary and we get solutions that look waves
  596. that amplify exponentially as time passes!
  597.  
  598. We can decide as we please whether or not we want to consider the second
  599. sort of solutions.   They seem weird, but then the whole business is
  600. weird, after all.
  601.  
  602. 1)    If we *do* permit the second sort of solution, we can solve the
  603. Klein-Gordon equation with any reasonable initial data - that is, any
  604. reasonable values of phi and its first time derivative at t = 0.  (For
  605. the precise definition of "reasonable," consult your local
  606. mathematician.)  This is typical of wave equations.  And, also typical
  607. of wave equations, we can prove the following thing: If the solution phi
  608. and its time derivative are zero outside the interval [-L,L] when t = 0,
  609. they will be zero outside the interval [-L-|t|, L+|t|] at any time t.
  610. In other words, localized disturbances do not spread with speed faster
  611. than the speed of light!  This seems to go against our notion that
  612. tachyons move faster than the speed of light, but it's a mathematical
  613. fact, known as "unit propagation velocity".
  614.  
  615. 2)    If we *don't* permit the second sort of solution, we can't solve the
  616. Klein-Gordon equation for all reasonable initial data, but only for initial
  617. data whose Fourier transforms vanish in the interval [-|m|,|m|].  By the
  618. Paley-Wiener theorem this has an odd consequence: it becomes
  619. impossible to solve the equation for initial data that vanish outside
  620. some interval [-L,L]!  In other words, we can no longer "localize" our
  621. tachyon in any bounded region in the first place, so it becomes
  622. impossible to decide whether or not there is "unit propagation
  623. velocity" in the precise sense of part 1).    Of course, the crests of
  624. the waves exp(-iEt + ipx) move faster than the speed of light, but these
  625. waves were never localized in the first place!
  626.  
  627.     The bottom line is that you can't use tachyons to send information 
  628. faster than the speed of light from one place to another.  Doing so would 
  629. require creating a message encoded some way in a localized tachyon field,
  630. and sending it off at superluminal speed toward the intended receiver. But 
  631. as we have seen you can't have it both ways - localized tachyon disturbances 
  632. are subluminal and superluminal disturbances are nonlocal.
  633.  
  634. ********************************************************************************
  635. Item 7. Special Relativistic Paradoxes - part (a) 
  636.  
  637. The Barn and the Pole                   updated 4-AUG-1992 by SIC
  638. ---------------------                   original by Robert Firth
  639.  
  640.     These are the props.  You own a barn, 40m long, with automatic
  641. doors at either end, that can be opened and closed simultaneously by a
  642. switch. You also have a pole, 80m long, which of course won't fit in the
  643. barn. 
  644.  
  645.     Now someone takes the pole and tries to run (at nearly the speed of
  646. light) through the barn with the pole horizontal.  Special Relativity (SR)
  647. says that a moving object is contracted in the direction of motion: this is
  648. called the Lorentz Contraction.  So, if the pole is set in motion
  649. lengthwise, then it will contract in the reference frame of a stationary
  650. observer. 
  651.  
  652.     You are that observer, sitting on the barn roof.  You see the pole
  653. coming towards you, and it has contracted to a bit less than 40m. So, as
  654. the pole passes through the barn, there is an instant when it is completely
  655. within the barn.  At that instant, you close both doors.  Of course, you
  656. open them again pretty quickly, but at least momentarily you had the
  657. contracted pole shut up in your barn.  The runner emerges from the far door
  658. unscathed. 
  659.  
  660.     But consider the problem from the point of view of the runner.  She
  661. will regard the pole as stationary, and the barn as approaching at high
  662. speed. In this reference frame, the pole is still 80m long, and the barn
  663. is less than 20 meters long.  Surely the runner is in trouble if the doors 
  664. close while she is inside.  The pole is sure to get caught. 
  665.  
  666.     Well does the pole get caught in the door or doesn't it?  You can't
  667. have it both ways.  This is the "Barn-pole paradox."  The answer is buried
  668. in the misuse of the word "simultaneously" back in the first sentence of
  669. the story.  In SR, that events separated in space that appear simultaneous
  670. in one frame of reference need not appear simultaneous in another frame of
  671. reference. The closing doors are two such separate events. 
  672.  
  673.     SR explains that the two doors are never closed at the same time in
  674. the runner's frame of reference.  So there is always room for the pole.  In
  675. fact, the Lorentz transformation for time is t'=(t-v*x/c^2)/sqrt(1-v^2/c^2).
  676. It's the v*x term in the numerator that causes the mischief here.  In the
  677. runner's frame the further event (larger x) happens earlier.  The far door 
  678. is closed first.  It opens before she gets there, and the near door closes 
  679. behind her. Safe again - either way you look at it, provided you remember 
  680. that simultaneity is not a constant of physics. 
  681.  
  682. References:  Taylor and Wheeler's _Spacetime Physics_ is the classic. 
  683. Feynman's _Lectures_ are interesting as well.
  684.  
  685. ********************************************************************************
  686. Item 7. Special Relativistic Paradoxes - part (b) 
  687.  
  688. The Twin Paradox                                updated 17-AUG-1992 by SIC
  689. ----------------                                original by Kurt Sonnenmoser
  690.  
  691. A Short Story about Space Travel:
  692.  
  693.     Two twins, conveniently named A and B, both know the rules of
  694. Special Relativity.  One of them, B, decides to travel out into space with
  695. a velocity near the speed of light for a time T, after which she returns to
  696. Earth. Meanwhile, her boring sister A sits at home posting to Usenet all
  697. day.  When A finally comes home, what do the two sisters find?  Special
  698. Relativity (SR) tells A that time was slowed down for the relativistic
  699. sister, B, so that upon her return to Earth, she knows that B will be
  700. younger than she is, which she suspects was the the ulterior motive of the
  701. trip from the start. 
  702.  
  703.     But B sees things differently.  She took the trip just to get away 
  704. from the conspiracy theorists on Usenet, knowing full well that from her 
  705. point of view, sitting in the spaceship, it would be her sister, A, who 
  706. was travelling ultrarelativistically for the whole time, so that she would 
  707. arrive home to find that A was much younger than she was.  Unfortunate, but 
  708. worth it just to get away for a while. 
  709.  
  710.     What are we to conclude?  Which twin is really younger?  How can SR
  711. give two answers to the same question?  How do we avoid this apparent
  712. paradox? Maybe twinning is not allowed in SR?  Read on. 
  713.  
  714. Paradox Resolved:
  715.  
  716.     Much of the confusion surrounding the so-called Twin Paradox
  717. originates from the attempts to put the two twins into different frames ---
  718. without the useful concept of the proper time of a moving body. 
  719.  
  720.     SR offers a conceptually very clear treatment of this problem.
  721. First chose _one_ specific inertial frame of reference; let's call it S.
  722. Second define the paths that A and B take, their so-called world lines. As
  723. an example, take (ct,0,0,0) as representing the world line of A, and
  724. (ct,f(t),0,0) as representing the world line of B (assuming that the the
  725. rest frame of the Earth was inertial). The meaning of the above notation is
  726. that at time t, A is at the spatial location (x1,x2,x3)=(0,0,0) and B is at
  727. (x1,x2,x3)=(f(t),0,0) --- always with respect to S. 
  728.  
  729.     Let us now assume that A and B are at the same place at the time t1
  730. and again at a later time t2, and that they both carry high-quality clocks
  731. which indicate zero at time t1. High quality in this context means that the
  732. precision of the clock is independent of acceleration. [In principle, a
  733. bunch of muons provides such a device (unit of time: half-life of their
  734. decay).] 
  735.  
  736.     The correct expression for the time T such a clock will indicate at
  737. time t2 is the following [the second form is slightly less general than the
  738. first, but it's the good one for actual calculations]: 
  739.  
  740.             t2          t2      _______________ 
  741.             /           /      /             2 |
  742.       T  =  | d\tau  =  | dt \/  1 - [v(t)/c]              (1)
  743.             /           /
  744.           t1          t1
  745.  
  746. where d\tau is the so-called proper-time interval, defined by
  747.  
  748.               2         2      2      2      2
  749.      (c d\tau)  = (c dt)  - dx1  - dx2  - dx3 .
  750.  
  751. Furthermore,
  752.                    d                          d
  753.            v(t) = -- (x1(t), x2(t), x3(t)) = -- x(t)
  754.                   dt                         dt
  755.  
  756. is the velocity vector of the moving object. The physical interpretation
  757. of the proper-time interval, namely that it is the amount the clock time
  758. will advance if the clock moves by dx during dt, arises from considering
  759. the inertial frame in which the clock is at rest at time t --- its
  760. so-called momentary rest frame (see the literature cited below). [Notice
  761. that this argument is only of a heuristic value, since one has to assume
  762. that the absolute value of the acceleration has no effect. The ultimate
  763. justification of this interpretation must come from experiment.]
  764.  
  765.     The integral in (1) can be difficult to evaluate, but certain
  766. important facts are immediately obvious. If the object is at rest with
  767. respect to S, one trivially obtains T = t2-t1. In all other cases, T must
  768. be strictly smaller than t2-t1, since the integrand is always less than or
  769. equal to unity. Conclusion: the traveling twin is younger. Furthermore, if
  770. she moves with constant velocity v most of the time (periods of
  771. acceleration short compared to the duration of the whole trip), T will
  772. approximately be given by      ____________                              
  773.                               /          2 | 
  774.                     (t2-t1) \/  1 - [v/c]    .             (2)
  775.  
  776. The last expression is exact for a round trip (e.g. a circle) with constant
  777. velocity v. [At the times t1 and t2, twin B flies past twin A and they
  778. compare their clocks.] 
  779.  
  780.     Now the big deal with SR, in the present context, is that T (or
  781. d\tau, respectively) is a so-called Lorentz scalar. In other words, its
  782. value does not depend on the choice of S. If we Lorentz transform the
  783. coordinates of the world lines of the twins to another inertial frame S',
  784. we will get the same result for T in S' as in S. This is a mathematical
  785. fact. It shows that the situation of the traveling twins cannot possibly
  786. lead to a paradox _within_ the framework of SR. It could at most be in
  787. conflict with experimental results, which is also not the case. 
  788.  
  789.     Of course the situation of the two twins is not symmetric, although
  790. one might be tempted by expression (2) to think the opposite. Twin A is
  791. at rest in one and the same inertial frame for all times, whereas twin B
  792. is not.  [Formula (1) does not hold in an accelerated frame.]  This breaks 
  793. the apparent symmetry of the two situations, and provides the clearest
  794. nonmathematical hint that one twin will in fact be younger than the other
  795. at the end of the trip.  To figure out *which* twin is the younger one, use
  796. the formulae above in a frame in which they are valid, and you will find
  797. that B is in fact younger, despite her expectations. 
  798.  
  799.     It is sometimes claimed that one has to resort to General
  800. Relativity in order to "resolve" the Twin "Paradox". This is not true. In
  801. flat, or nearly flat space-time (no strong gravity), SR is completely
  802. sufficient, and it has also no problem with world lines corresponding to
  803. accelerated motion. 
  804.  
  805. References: 
  806.         Taylor and Wheeler, _Spacetime Physics_  (An *excellent* discussion)
  807.         Goldstein, _Classical Mechanics_, 2nd edition, Chap.7 (for a good 
  808.         general discussion of Lorentz transformations and other SR basics.) 
  809.  
  810. ********************************************************************************
  811. Item 7. Special Relativistic Paradoxes - part (c) 
  812.  
  813. The Superluminal Scissors                              updated 31-MAR-1993 
  814. -------------------------                        
  815.  
  816.     A Gedankenexperiment:
  817.  
  818.     Imagine a huge pair of scissors, with blades one light-year long.
  819. The handle is only about two feet long, creating a huge lever arm,
  820. initially open by a few degrees.  Then you suddenly close the scissors. 
  821. This action takes about a tenth of a second.  Doesn't the contact point
  822. where the two blades touch move down the blades *much* faster than the
  823. speed of light? After all, the scissors close in a tenth of a second, but
  824. the blades are a light-year long.  That seems to mean that the contact
  825. point has moved down the blades at the remarkable speed of 10 light-years
  826. per second.  This is more than 10^8 times the speed of light!  But this
  827. seems to violate the most important rule of Special Relativity - no signal
  828. can travel faster than the speed of light.  What's going on here? 
  829.  
  830.     Explanation:
  831.  
  832.     We have mistakenly assumed that the scissors do in fact close when
  833. you close the handle.  But, in fact, according to Special Relativity, this
  834. is not at all what happens.  What *does* happen is that the blades of the
  835. scissors flex.  No matter what material you use for the scissors, SR sets a
  836. theoretical upper limit to the rigidity of the material.  In short, when
  837. you close the scissors, they bend. 
  838.  
  839.     The point at which the blades bend propagates down the blade at
  840. some speed less than the speed of light.  On the near side of this point,
  841. the scissors are closed.  On the far side of this point, the scissors
  842. remain open.  You have, in fact, sent a kind of wave down the scissors,
  843. carrying the information that the scissors have been closed.  But this wave
  844. does not travel faster than the speed of light.  It will take at least one
  845. year for the tips of the blades, at the far end of the scissors, to feel
  846. any force whatsoever, and, ultimately, to come together to completely close
  847. the scissors. 
  848.  
  849.     As a practical matter, this theoretical upper limit to the rigidity
  850. of the metal in the scissors is *far* higher than the rigidity of any real
  851. material, so it would, in practice, take much much longer to close a real
  852. pair of metal scissors with blades as long as these. 
  853.  
  854.     One can analyze this problem microscopically as well.  The
  855. electromagnetic force which binds the atoms of the scissors together
  856. propagates at the speeds of light. So if you displace some set of atoms in
  857. the scissor (such as the entire handles), the force will not propagate down
  858. the scissor instantaneously, This means that a scissor this big *must*
  859. cease to act as a rigid body. You can move parts of it without other parts
  860. moving at the same time. It takes some finite time for the changing forces
  861. on the scissor to propagate from atom to atom, letting the far tip of the
  862. blades "know" that the scissors have been closed. 
  863.  
  864.     Caveat:
  865.  
  866.     The contact point where the two blades meet is not a physical
  867. object.  So there is no fundamental reason why it could not move faster
  868. than the speed of light, provided that you arrange your experiment correctly.
  869. In fact it can be done with scissors provided that your scissors are short
  870. enough and wide open to start, very different conditions than those spelled
  871. out in the gedankenexperiment above.  In this case it will take you quite
  872. a while to bring the blades together - more than enough time for light to
  873. travel to the tips of the scissors.  When the blades finally come together,
  874. if they have the right shape, the contact point can indeed move faster
  875. than light.  
  876.  
  877.     Think about the simpler case of two rulers pinned together at an 
  878. edge point at the ends.  Slam the two rulers together and the contact point
  879. will move infinitely fast to the far end of the rulers at the instant
  880. they touch.  So long as the rulers are short enough that contact does not
  881. happen until the signal propagates to the far ends of the rulers, the 
  882. rulers will indeed be straight when they meet.  Only if the rulers are
  883. too long will they be bent like our very long scissors, above, when they
  884. touch.  The contact point can move faster than the speed of light, but
  885. the energy (or signal) of the closing force can not.
  886.  
  887.     An analogy, equivalent in terms of information content, is, say, a 
  888. line of strobe lights.  You want to light them up one at a time, so that 
  889. the `bright' spot travels faster than light.  To do so, you can send a 
  890. _luminal_ signal down the line, telling each strobe light to wait a 
  891. little while before flashing.  If you decrease the wait time with
  892. each successive strobe light, the apparent bright spot will travel faster
  893. than light, since the strobes on the end didn't wait as long after getting
  894. the go-ahead, as did the ones at the beginning.  But the bright spot
  895. can't pass the original signal, because then the strobe lights wouldn't
  896. know to flash.
  897.  
  898. ********************************************************************************
  899. Item 8.
  900.  
  901. The Particle Zoo                                updated 9-OCT-1992 by SIC
  902. ----------------                                original by Matt Austern
  903.  
  904.     If you look in the Particle Data Book, you will find more than 150
  905. particles listed there.  It isn't quite as bad as that, though... 
  906.  
  907.     The particles are in three categories: leptons, mesons, and
  908. baryons. Leptons are particle that are like the electron: they are
  909. spin-1/2, and they do not undergo the strong interaction.  There are three
  910. charged leptons, the electron, muon, and tau, and three neutral leptons, or
  911. neutrinos.  (The muon and the tau are both short-lived.) 
  912.  
  913.     Mesons and baryons both undergo strong interactions.  The
  914. difference is that mesons have integral spin (0, 1,...), while baryons have
  915. half-integral spin (1/2, 3/2,...).  The most familiar baryons are the
  916. proton and the neutron; all others are short-lived.  The most familiar
  917. meson is the pion; its lifetime is 26 nanoseconds, and all other mesons
  918. decay even faster. 
  919.  
  920.     Most of those 150+ particles are mesons and baryons, or,
  921. collectively, hadrons.  The situation was enormously simplified in the
  922. 1960s by the "quark model," which says that hadrons are made out of
  923. spin-1/2 particles called quarks.  A meson, in this model, is made out of a
  924. quark and an anti-quark, and a baryon is made out of three quarks.  We
  925. don't see free quarks (they are bound together too tightly), but only
  926. hadrons; nevertheless, the evidence for quarks is compelling. Quark masses 
  927. are not very well defined, since they are not free particles, but we can 
  928. give estimates.  The masses below are in GeV; the first is current mass 
  929. and the second constituent mass (which includes some of the effects of the 
  930. binding energy):
  931.  
  932.       Generation:       1             2            3
  933.       U-like:     u=.006/.311   c=1.50/1.65   t=91-200/91-200
  934.       D-like:     d=.010/.315   s=.200/.500   b=5.10/5.10
  935.  
  936.     In the quark model, there are only 12 elementary particles, which
  937. appear in three "generations."  The first generation consists of the up
  938. quark, the down quark, the electron, and the electron neutrino. (Each of
  939. these also has an associated antiparticle.)  These particles make up all of
  940. the ordinary matter we see around us.  There are two other generations,
  941. which are essentially the same, but with heavier particles.  The second
  942. consists of the charm quark, the strange quark, the muon, and the muon
  943. neutrino; and the third consists of the top quark, the bottom quark, the
  944. tau, and the tau neutrino.  (The top has not been directly observed; see
  945. the "Top Quark" FAQ entry for details.)  These three generations are 
  946. sometimes called the "electron family", the "muon family", and the "tau 
  947. family." 
  948.  
  949.     Finally, according to quantum field theory, particles interact by
  950. exchanging "gauge bosons," which are also particles.  The most familiar on
  951. is the photon, which is responsible for electromagnetic interactions. 
  952. There are also eight gluons, which are responsible for strong interactions,
  953. and the W+, W-, and Z, which are responsible for weak interactions. 
  954.  
  955. The picture, then, is this:
  956.  
  957.                 FUNDAMENTAL PARTICLES OF MATTER
  958.   Charge        -------------------------
  959.     -1          |  e    |  mu   |  tau  |
  960.      0          | nu(e) |nu(mu) |nu(tau)|
  961.                 -------------------------       + antiparticles
  962.    -1/3         | down  |strange|bottom |
  963.     2/3         |  up   | charm |  top  |
  964.                 -------------------------
  965.  
  966.                         GAUGE BOSONS
  967.   Charge                                                Force
  968.      0                  photon                          electromagnetism
  969.      0                  gluons (8 of them)              strong force
  970.     +-1                 W+ and W-                       weak force
  971.      0                  Z                               weak force
  972.  
  973.     The Standard Model of particle physics also predict the
  974. existence of a "Higgs boson," which has to do with breaking a symmetry
  975. involving these forces, and which is responsible for the masses of all the
  976. other particles.  It has not yet been found.  More complicated theories
  977. predict additional particles, including, for example, gauginos and sleptons
  978. and squarks (from supersymmetry), W' and Z' (additional weak bosons), X and
  979. Y bosons (from GUT theories), Majorons, familons, axions, paraleptons,
  980. ortholeptons, technipions (from technicolor models), B' (hadrons with
  981. fourth generation quarks), magnetic monopoles, e* (excited leptons), etc. 
  982. None of these "exotica" have yet been seen.  The search is on! 
  983.  
  984. REFERENCES:
  985.  
  986.     The best reference for information on which particles exist, their
  987. masses, etc., is the Particle Data Book.  It is published every two years;
  988. the most recent edition is Physical Review D Vol.45 No.11 (1992). 
  989.  
  990.     There are several good books that discuss particle physics on a
  991. level accessible to anyone who knows a bit of quantum mechanics.  One is
  992. _Introduction to High Energy Physics_, by Perkins.  Another, which takes a
  993. more historical approach and includes many original papers, is
  994. _Experimental Foundations of Particle Physics_, by Cahn and Goldhaber. 
  995.  
  996.     For a book that is accessible to non-physicists, you could try _The
  997. Particle Explosion_ by Close, Sutton, and Marten.  This book has fantastic
  998. photography. 
  999.  
  1000. ********************************************************************************
  1001. Item 9.
  1002.  
  1003. Olbers' Paradox                                updated: 24-JAN-1993 by SIC
  1004. ---------------
  1005.  
  1006.     Why isn't the night sky as uniformly bright as the surface of the
  1007. Sun? If the Universe has infinitely many stars, then it should be.  After
  1008. all, if you move the Sun twice as far away from us, we will intercept
  1009. one-fourth as many  photons, but the Sun will subtend one-fourth of the
  1010. angular area.  So the areal intensity remains constant.  With infinitely
  1011. many stars, every angular element of the sky should have a star, and the
  1012. entire heavens should be a bright as the sun.  We should have the
  1013. impression that we live in the center of a hollow black body whose
  1014. temperature is about 6000 degrees Centigrade.   This is Olbers' paradox.  
  1015. It can be traced as far back as Kepler in 1610.  It was rediscussed by 
  1016. Halley and Cheseaux in the eighteen century, but was not popularized as 
  1017. a paradox until Olbers took up the issue in the nineteenth century.
  1018.  
  1019.     There are many possible explanations which have been considered. 
  1020. Here are a few: 
  1021.         (1) There's too much dust to see the distant stars.
  1022.         (2) The Universe has only a finite number of stars.
  1023.         (3) The distribution of stars is not uniform.  So, for example,
  1024.             there could be an infinity of stars, but they hide behind one
  1025.             another so that only a finite angular area is subtended by them. 
  1026.         (4) The Universe is expanding, so distant stars are red-shifted into
  1027.             obscurity.
  1028.         (5) The Universe is young.  Distant light hasn't even reached us yet.
  1029.  
  1030.     The first explanation is just plain wrong.  In a black body, the
  1031. dust will  heat up too.  It does act like a radiation shield, exponentially
  1032. damping the  distant starlight.  But you can't put enough dust into the
  1033. universe to get rid of enough starlight without also obscuring our own Sun.
  1034. So this idea is bad. 
  1035.  
  1036.     The premise of the second explanation may technically be correct.
  1037. But the number of stars, finite as it might be, is still large enough to 
  1038. light up the entire sky, i.e., the total amount of luminous matter  in the 
  1039. Universe is too large to allow this escape.  The number of stars is close 
  1040. enough to infinite for the purpose of lighting up the sky.  The third 
  1041. explanation might be partially correct.  We just don't know.  If the stars 
  1042. are distributed fractally, then there could be large patches of empty space, 
  1043. and the sky could appear dark except in small areas. 
  1044.  
  1045.     But the final two possibilities are are surely each correct and
  1046. partly responsible.  There are numerical arguments that suggest that the
  1047. effect of the finite age of the Universe is the larger effect.  We live
  1048. inside a spherical shell of "Observable Universe" which has radius equal to
  1049. the lifetime of the Universe.  Objects more than about 15 billions years
  1050. old are too far away for their light ever to reach us. 
  1051.  
  1052.     Historically, after Hubble discovered that the Universe was
  1053. expanding, but before the Big Bang was firmly established by the discovery
  1054. of the cosmic background radiation, Olbers' paradox was presented as proof
  1055. of special relativity.  You needed the red-shift (an SR effect) to get rid
  1056. of the starlight.  This effect certainly contributes.  But the finite age
  1057. of the Universe is the most important effect. 
  1058.  
  1059. References:  Ap. J. _367_, 399 (1991). The author, Paul Wesson, is said to
  1060. be on a personal crusade to end the confusion surrounding Olbers' paradox. 
  1061.  
  1062. _Darkness at Night: A Riddle of the Universe_, Edward Harrison, Harvard
  1063. University Press, 1987
  1064.  
  1065. ********************************************************************************
  1066. Item 10.
  1067.  
  1068. What is Dark Matter?                            updated 11-MAY-1993 by SIC
  1069. --------------------
  1070.  
  1071.     The story of dark matter is best divided into two parts.  First we
  1072. have the reasons that we know that it exists.  Second is the collection of
  1073. possible explanations as to what it is. 
  1074.  
  1075. Why the Universe Needs Dark Matter
  1076. ----------------------------------
  1077.  
  1078.     We believe that that the Universe is critically balanced between
  1079. being open and closed.  We derive this fact from the observation of the
  1080. large scale structure of the Universe.  It requires a certain amount of
  1081. matter to accomplish this result.  Call it M. 
  1082.  
  1083.     We can estimate the total BARYONIC matter of the universe by
  1084. studying Big Bang nucleosynthesis.  This is done by connecting the observed
  1085. He/H ratio of the Universe today to the amount of baryonic matter present
  1086. during the early hot phase when most of the helium was produced.  Once the 
  1087. temperature of the Universe dropped below the neutron-proton mass difference, 
  1088. neutrons began decaying into protons.  If the early baryon density was low, 
  1089. then it was hard for a proton to find a neutron with which to make helium 
  1090. before too many of the neutrons decayed away to account for the amount of 
  1091. helium we see today.  So by measuring the He/H ratio today, we can estimate 
  1092. the necessary baryon density shortly after the Big Bang, and, consequently, 
  1093. the total number of baryons today.  It turns out that you need about 0.05 M 
  1094. total baryonic matter to account for the known ratio of light isotopes.  So 
  1095. only 1/20 of the total mass of they Universe is baryonic matter.
  1096.  
  1097.     Unfortunately, the best estimates of the total mass of everything
  1098. that we can see with our telescopes is roughly 0.01 M.  Where is the other
  1099. 99% of the stuff of the Universe?  Dark Matter!
  1100.  
  1101.     So there are two conclusions.  We only see 0.01 M out of 0.05 M 
  1102. baryonic matter in the Universe.  The rest must be in baryonic dark matter
  1103. halos surrounding galaxies.  And there must be some non-baryonic dark matter 
  1104. to account for the remaining 95% of the matter required to give omega, the 
  1105. mass of universe, in units of critical mass, equal to unity. 
  1106.  
  1107.     For those who distrust the conventional Big Bang models, and don't
  1108. want to rely upon fancy cosmology to derive the presence of dark matter,
  1109. there are other more direct means.   It has been observed in clusters of
  1110. galaxies that the motion of galaxies within a cluster suggests that they
  1111. are bound by a total gravitational force due to about 5-10 times as much
  1112. matter as can be accounted for from luminous matter in said galaxies.  And 
  1113. within an individual galaxy, you can measure the rate of rotation of the
  1114. stars about the galactic center of rotation.  The resultant "rotation
  1115. curve" is simply related to the distribution of matter in the galaxy.  The
  1116. outer stars in galaxies seem to rotate too fast for the amount of matter
  1117. that we see in the galaxy.  Again, we need about 5 times more matter than
  1118. we can see via electromagnetic radiation.  These results can be explained
  1119. by assuming that there is a "dark matter halo" surrounding every galaxy. 
  1120.  
  1121. What is Dark Matter
  1122. -------------------
  1123.  
  1124.     This is the open question.  There are many possibilities, and
  1125. nobody really knows much about this yet.  Here are a few of the many
  1126. published suggestions, which are being currently hunted for by
  1127. experimentalists all over the world.  Remember, you need at least one
  1128. baryonic candidate and one non-baryonic candidate to make everything
  1129. work out, so there there may be more than one correct choice among 
  1130. the possibilities given here. 
  1131.  
  1132. (1) Normal matter which has so far eluded our gaze, such as 
  1133.         (a) dark galaxies
  1134.         (b) brown dwarfs
  1135.         (c) planetary material (rock, dust, etc.)
  1136.  
  1137. (2) Massive Standard Model neutrinos.  If any of the neutrinos are massive,
  1138. then this could be the missing mass.  On the other hand, if they are 
  1139. too heavy, like the purported 17 KeV neutrino would have been, massive
  1140. neutrinos create almost as many problems as they solve in this regard. 
  1141.  
  1142. (3) Exotica (See the "Particle Zoo" FAQ entry for some details)
  1143.  
  1144.     Massive exotica would provide the missing mass.  For our purposes, 
  1145. these fall into two classes: those which have been proposed for other
  1146. reasons but happen to solve the dark matter problem, and those which have
  1147. been proposed specifically to provide the missing dark matter. 
  1148.  
  1149.     Examples of objects in the first class are axions, additional
  1150. neutrinos, supersymmetric particles, and a host of others. Their properties
  1151. are constrained by the theory which predicts them, but by virtue of their
  1152. mass, they solve the dark matter problem if they exist in the correct
  1153. abundance. 
  1154.  
  1155.     Particles in the second class are generally classed in loose groups. 
  1156. Their properties are not specified, but they are merely required to be
  1157. massive and have other properties such that they would so far have eluded
  1158. discovery in the many experiments which have looked for new particles. 
  1159. These include WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), CHAMPS, and a
  1160. host of others. 
  1161.  
  1162. References:  _Dark Matter in the Universe_ (Jerusalem Winter School for
  1163. Theoretical Physics, 1986-7), J.N. Bahcall, T. Piran, & S. Weinberg editors.
  1164. _Dark Matter_ (Proceedings of the XXIIIrd Recontre de Moriond) J. Audouze and 
  1165. J. Tran Thanh Van. editors.
  1166.  
  1167. ********************************************************************************
  1168. Item 11.
  1169.  
  1170. Hot Water Freezes Faster than Cold!             updated 11-May-1992 by SIC
  1171. -----------------------------------             original by Richard M. Mathews
  1172.  
  1173.     You put two pails of water outside on a freezing day.  One has hot
  1174. water (95 degrees C) and the other has an equal amount of colder water (50
  1175. degrees C).  Which freezes first?  The hot water freezes first!  Why?  
  1176.  
  1177.     It is commonly argued that the hot water will take some time to
  1178. reach the initial temperature of the cold water, and then follow the same
  1179. cooling curve.  So it seems at first glance difficult to believe that the
  1180. hot water freezes first.  The answer lies mostly in evaporation. The effect
  1181. is definitely real and can be duplicated in your own kitchen. 
  1182.  
  1183.     Every "proof" that hot water can't freeze faster assumes that the
  1184. state of the water can be described by a single number.  Remember that
  1185. temperature is a function of position.  There are also other factors
  1186. besides temperature, such as motion of the water, gas content, etc. With
  1187. these multiple parameters, any argument based on the hot water having to
  1188. pass through the initial state of the cold water before reaching the
  1189. freezing point will fall apart.  The most important factor is evaporation.
  1190.  
  1191.     The cooling of pails without lids is partly Newtonian and partly by
  1192. evaporation of the contents.  The proportions depend on the walls and on
  1193. temperature.  At sufficiently high temperatures evaporation is more
  1194. important.  If equal masses of water are taken at two starting
  1195. temperatures, more rapid evaporation from the hotter one may diminish its
  1196. mass enough to compensate for the greater temperature range it must cover
  1197. to reach freezing.  The mass lost when cooling is by evaporation is not
  1198. negligible. In one experiment, water cooling from 100C lost 16% of its mass
  1199. by 0C, and lost a further 12% on freezing, for a total loss of 26%. 
  1200.  
  1201.     The cooling effect of evaporation is twofold.  First, mass is
  1202. carried off so that less needs to be cooled from then on.  Also,
  1203. evaporation carries off the hottest molecules, lowering considerably the
  1204. average kinetic energy of the molecules remaining. This is why "blowing on
  1205. your soup" cools it.  It encourages evaporation by removing the water vapor
  1206. above the soup. 
  1207.  
  1208.     Thus experiment and theory agree that hot water freezes faster than
  1209. cold for sufficiently high starting temperatures, if the cooling is by
  1210. evaporation.  Cooling in a wooden pail or barrel is mostly by evaporation. 
  1211. In fact, a wooden bucket of water starting at 100C would finish freezing in
  1212. 90% of the time taken by an equal volume starting at room temperature. The
  1213. folklore on this matter may well have started a century or more ago when
  1214. wooden pails were usual.  Considerable heat is transferred through the
  1215. sides of metal pails, and evaporation no longer dominates the cooling, so
  1216. the belief is unlikely to have started from correct observations after
  1217. metal pails became common. 
  1218.  
  1219. References: 
  1220.        "Hot water freezes faster than cold water.  Why does it do so?",
  1221.         Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American,
  1222.         Vol. 237, No. 3, pp 246-257; September, 1977.
  1223.  
  1224.        "The Freezing of Hot and Cold Water", G.S. Kell in American
  1225.         Journal of Physics, Vol. 37, No. 5, pp 564-565; May, 1969.
  1226.  
  1227. ********************************************************************************
  1228. Item 12.
  1229.  
  1230. Why are Golf Balls Dimpled?                     updated 14-May-1992 by SIC
  1231. ---------------------------                     original by Craig DeForest
  1232.  
  1233.     The dimples, paradoxically, *do* increase drag slightly.  But they 
  1234. also increase `Magnus lift', that peculiar lifting force experienced by 
  1235. rotating bodies travelling through a medium.  Contrary to Freshman physics, 
  1236. golf balls do not travel in inverted parabolas.  They follow an 'impetus 
  1237. trajectory':
  1238.  
  1239.                                     *    *       
  1240.                               *             *
  1241. (golfer)                *                    *
  1242.                   *                          * <-- trajectory
  1243.  \O/        *                                *
  1244.   |   *                                      *
  1245. -/ \-T---------------------------------------------------------------ground
  1246.  
  1247.     This is because of the combination of drag (which reduces
  1248. horizontal speed late in the trajectory) and Magnus lift, which supports
  1249. the ball during the initial part of the trajectory, making it relatively
  1250. straight.  The trajectory can even curve upwards at first, depending on
  1251. conditions!  Here is a cheesy diagram of a golf ball in flight, with some
  1252. relevant vectors: 
  1253.  
  1254.                              F(magnus)
  1255.                              ^
  1256.                              |
  1257.                 F(drag) <--- O -------> V 
  1258.                           \     
  1259.                            \----> (sense of rotation)
  1260.  
  1261.     The Magnus force can be thought of as due to the relative drag on
  1262. the air on the top and bottom portions of the golf ball: the top portion is
  1263. moving slower relative to the air around it, so there is less drag on the
  1264. air that goes over the ball.  The boundary layer is relatively thin, and
  1265. air in the not-too-near region moves rapidly relative to the ball.  The
  1266. bottom portion moves fast relative to the air around it; there is more drag
  1267. on the air passing by the bottom, and the boundary (turbulent) layer is
  1268. relatively thick; air in the not-too-near region moves more slowly relative
  1269. to the ball. The Bernoulli force produces lift. (alternatively, one could
  1270. say that `the flow lines past the ball are displaced down, so the ball is
  1271. pushed up.') 
  1272.  
  1273.     The difficulty comes near the transition region between laminar
  1274. flow and turbulent flow.  At low speeds, the flow around the ball is
  1275. laminar.  As speed is increased, the bottom part tends to go turbulent
  1276. *first*.  But turbulent flow can follow a surface much more easily than
  1277. laminar flow. 
  1278.  
  1279.     As a result, the (laminar) flow lines around the top break away
  1280. from the surface sooner than otherwise, and there is a net displacement
  1281. *up* of the flow lines.  The magnus lift goes *negative*. 
  1282.  
  1283.     The dimples aid the rapid formation of a turbulent boundary layer
  1284. around the golf ball in flight, giving more lift.  Without 'em, the ball
  1285. would travel in more of a parabolic trajectory, hitting the ground sooner.
  1286. (and not coming straight down.) 
  1287.  
  1288. References: Perhaps the best (and easy-to-read) reference on this effect is
  1289. a paper in American Journal of Physics by one Lyman Briggs, c. 1947. 
  1290. Briggs was trying to explain the mechanism behind the `curve ball' in
  1291. baseball, using specialized apparatus in a wind tunnel at the NBS.  He
  1292. stumbled on the reverse effect by accident, because his model `baseball'
  1293. had no stitches on it. The stitches on a baseball create turbulence in
  1294. flight in much the same way that the dimples on a golf ball do. 
  1295.  
  1296. ********************************************************************************
  1297. Item 13.
  1298.                                                 updated 4-SEP-1992 by SIC
  1299.                                                 Original by Bill Johnson
  1300. How to Change Nuclear Decay Rates
  1301. ---------------------------------
  1302.  
  1303. "I've had this idea for making radioactive nuclei decay faster/slower than
  1304. they normally do.  You do [this, that, and the other thing].  Will this work?" 
  1305.  
  1306. Short Answer: Possibly, but probably not usefully.
  1307.  
  1308. Long Answer:
  1309.  
  1310.     "One of the paradigms of nuclear science since the very early days
  1311. of its study has been the general understanding that the half-life, or
  1312. decay constant, of a radioactive substance is independent of extranuclear
  1313. considerations."  (Emery, cited below.)  Like all paradigms, this one is
  1314. subject to some interpretation. Normal decay of radioactive stuff proceeds
  1315. via one of four mechanisms: 
  1316.  
  1317.     * Emission of an alpha particle -- a helium-4 nucleus -- reducing
  1318.     the number of protons and neutrons present in the parent nucleus 
  1319.     by two each; 
  1320.     * "Beta decay," encompassing several related phenomena in which a
  1321.     neutron in the nucleus turns into a proton, or a proton turns into 
  1322.     a neutron -- along with some other things including emission of 
  1323.     a neutrino.  The "other things", as we shall see, are at the bottom
  1324.     of several questions involving perturbation of decay rates; 
  1325.     * Emission of one or more gamma rays -- energetic photons -- that
  1326.     take a nucleus from an excited state to some other (typically
  1327.     ground) state; some of these photons may be replaced by 
  1328.     "conversion electrons," of which more shortly; or 
  1329.     *Spontaneous fission, in which a sufficiently heavy nucleus simply
  1330.     breaks in half.  Most of the discussion about alpha particles will
  1331.     also apply to spontaneous fission.
  1332.  
  1333. Gamma emission often occurs from the daughter of one of the other decay
  1334. modes.  We neglect *very* exotic processes like C-14 emission or double
  1335. beta decay in this analysis. 
  1336.  
  1337.     "Beta decay" refers most often to a nucleus with a neutron excess,
  1338. which decays by converting a neutron into a proton:
  1339.  
  1340.          n ----> p + e- + anti-nu(e),
  1341.  
  1342. where n means neutron, p means proton, e- means electron, and anti-nu(e) 
  1343. means an antineutrino of the electron type.  The type of beta decay which
  1344. involves destruction of a proton is not familiar to many people, so
  1345. deserves a little elaboration.  Either of two processes may occur when this
  1346. kind of decay happens: 
  1347.  
  1348.         p ----> n + e+ + nu(e), 
  1349.  
  1350. where e+ means positron and nu(e) means electron neutrino; or
  1351.  
  1352.         p + e- ----> n + nu(e),
  1353.  
  1354. where e- means a negatively charged electron, which is captured from the
  1355. neighborhood of the nucleus undergoing decay.  These processes are called
  1356. "positron emission" and "electron capture," respectively.  A given nucleus
  1357. which has too many protons for stability may undergo beta decay through
  1358. either, and typically both, of these reactions. 
  1359.  
  1360.     "Conversion electrons" are produced by the process of "internal
  1361. conversion," whereby the photon that would normally be emitted in gamma
  1362. decay is *virtual* and its energy is absorbed by an atomic electron.  The
  1363. absorbed energy is sufficient to unbind the electron from the nucleus
  1364. (ignoring a few exceptional cases), and it is ejected from the atom as a
  1365. result. 
  1366.  
  1367.     Now for the tie-in to decay rates.  Both the electron-capture and
  1368. internal conversion phenomena require an electron somewhere close to the
  1369. decaying nucleus.  In any normal atom, this requirement is satisfied in
  1370. spades: the innermost electrons are in states such that their probability
  1371. of being close to the nucleus is both large and insensitive to things in
  1372. the environment.  The decay rate depends on the electronic wavefunctions,
  1373. i.e, how much of their time the inner electrons spend very near the 
  1374. nucleus -- but only very weakly. For most nuclides that decay by electron 
  1375. capture or internal conversion, most of the time, the probability of 
  1376. grabbing or converting an electron is also insensitive to the environment, 
  1377. as the innermost electrons are the ones most likely to get grabbed/converted. 
  1378.  
  1379.     However, there are exceptions, the most notable being the
  1380. the astrophysically important isotope beryllium-7.  Be-7 decays purely
  1381. by electron capture (positron emission being impossible because of
  1382. inadequate decay energy) with a half-life of somewhat over 50 days.  It has
  1383. been shown that differences in chemical environment result in half-life
  1384. variations of the order of 0.2%, and high pressures produce somewhat
  1385. similar changes. Other cases where known changes in decay rate occur are
  1386. Zr-89 and Sr-85, also electron capturers; Tc-99m ("m" implying an excited
  1387. state), which decays by both beta and gamma emission; and various other
  1388. "metastable" things that decay by gamma emission with internal conversion. 
  1389. With all of these other cases the magnitude of the effect is less than is
  1390. typically the case with Be-7. 
  1391.  
  1392.     What makes these cases special?  The answer is that one or another
  1393. of the usual starting assumptions -- insensitivity of electron wave
  1394. function near the nucleus to external forces, or availability of the
  1395. innermost electrons for capture/conversion -- are not completely valid. 
  1396. Atomic beryllium only has 4 electrons to begin with, so that the "innermost
  1397. electrons" are also practically the *outermost* ones and therefore much
  1398. more sensitive to chemical effects than usual.  With most of the other
  1399. cases, there is so little energy available from the decay (as little as a
  1400. few electron volts; compare most radioactive decays, where hundreds or
  1401. thousands of *kilo*volts are released), courtesy of accidents of nuclear
  1402. structure, that the innermost electrons can't undergo internal conversion. 
  1403. Remember that converting an electron requires dumping enough energy into it
  1404. to expel it from the atom (more or less); "enough energy," in context, is
  1405. typically some tens of keV, so they don't get converted at all in these
  1406. cases.  Conversion therefore works only on some of the outer electrons,
  1407. which again are more sensitive to the environment. 
  1408.  
  1409.     A real anomaly is the beta emitter Re-187.  Its decay energy is
  1410. only about 2.6 keV, practically nothing by nuclear standards.  "That this
  1411. decay occurs at all is an example of the effects of the atomic environment
  1412. on nuclear decay: the bare nucleus Re-187 [i.e., stripped of all orbital
  1413. electrons -- MWJ] is stable against beta decay and it is the difference of
  1414. 15 keV in the total electronic binding energy of osmium [to which it decays
  1415. -- MWJ] and rhenium ... which makes the decay possible" (Emery).  The
  1416. practical significance of this little peculiarity, of course, is low, as
  1417. Re-187 already has a half life of over 10^10 years. 
  1418.  
  1419.     Alpha decay and spontaneous fission might also be affected by
  1420. changes in the electron density near the nucleus, for a different reason. 
  1421. These processes occur as a result of penetration of the "Coulomb barrier"
  1422. that inhibits emission of charged particles from the nucleus, and their
  1423. rate is *very* sensitive to the height of the barrier.  Changes in the
  1424. electron density could, in principle, affect the barrier by some tiny
  1425. amount.  However, the magnitude of the effect is *very* small, according to
  1426. theoretical calculations; for a few alpha emitters, the change has been
  1427. estimated to be of the order of 1 part in 10^7 (!) or less, which would be
  1428. unmeasurable in view of the fact that the alpha emitters' half lives aren't
  1429. known to that degree of accuracy to begin with. 
  1430.  
  1431.     All told, the existence of changes in radioactive decay rates due
  1432. to the environment of the decaying nuclei is on solid grounds both
  1433. experimentally and theoretically.  But the magnitude of the changes is
  1434. nothing to get very excited about. 
  1435.  
  1436. Reference: The best review article on this subject is now 20 years old: G.
  1437. T. Emery, "Perturbation of Nuclear Decay Rates," Annual Review of Nuclear
  1438. Science vol. 22, p. 165 (1972).  Papers describing specific experiments are
  1439. cited in that article, which contains considerable arcane math but also
  1440. gives a reasonable qualitative "feel" for what is involved. 
  1441.  
  1442. ********************************************************************************
  1443. END OF FAQ PART 1/2
  1444.