home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Danny Amor's Online Library / Danny Amor's Online Library - Volume 1.iso / html / faqs / faq / physics-faq / part3 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1995-07-25  |  58.6 KB  |  1,138 lines

  1. Subject: Sci.Physics Frequently Asked Questions (3/4) - General Physics
  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: 1 Nov 1994 14:57 PST
  5.  
  6. Archive-name: physics-faq/part3
  7. Last-modified: 13-JUN-1994
  8.  
  9. --------------------------------------------------------------------------------
  10.                FREQUENTLY ASKED QUESTIONS ON SCI.PHYSICS - Part 3/4
  11. --------------------------------------------------------------------------------
  12. Item 13.
  13.  
  14. EFFECTS DUE TO THE FINITE SPEED OF LIGHT       updated 13-JUN-1994 by SIC
  15. ----------------------------------------       original by Scott I. Chase
  16.  
  17.     There are two well known phenomena which are due to the finite
  18. speed of electromagnetic radiation, but are essentially classical in
  19. nature, requiring no other facts of special relativity for their
  20. understanding. 
  21.  
  22. (1) Apparent Superluminal Velocity of Galaxies
  23.  
  24.     A distant object can appear to travel faster than the speed of
  25. light relative to us, provided that it has some component of motion towards
  26. us as well as perpendicular to our line of sight.  Say that on Jan. 1 you
  27. make a position measurement of galaxy X.  One month later, you measure it
  28. again. Assuming you know its distance from us by some independent
  29. measurement, you derive its linear speed, and conclude that it is moving
  30. faster than the speed of light. 
  31.  
  32.     What have you forgotten?  Let's say that on Jan. 1, the object is D
  33. km from us, and that between Jan. 1 and Feb. 1, the object has moved d km
  34. closer to us.  You have assumed that the light you measured on Jan. 1 and
  35. Feb. 1 were emitted exactly one month apart.  Not so.  The first light beam
  36. had further to travel, and was actually emitted (1 + d/c) months before the
  37. second measurement, if we measure c in km/month.  The object has traveled
  38. the given angular distance in more time than you thought.  Similarly, if
  39. the object is moving away from us, the apparent angular velocity will be
  40. too slow, if you do not correct for this effect, which becomes significant
  41. when the object is moving along a line close to our line of sight. 
  42.  
  43.     Note that most extragalactic objects are moving away from us due to
  44. the Hubble expansion.  So for most objects, you don't get superluminal
  45. apparent velocities.  But the effect is still there, and you need to take
  46. it into account if you want to measure velocities by this technique. 
  47.  
  48. References: 
  49.  
  50. Considerations about the Apparent 'Superluminal Expansions' in 
  51. Astrophysics, E. Recami, A. Castellino, G.D. Maccarrone, M. Rodono,
  52. Nuovo Cimento 93B, 119 (1986).
  53.  
  54. Apparent Superluminal Sources, Comparative Cosmology and the Cosmic 
  55. Distance Scale, Mon. Not. R. Astr. Soc. 242, 423-427 (1990).
  56.  
  57. (2) Terrell Rotation
  58.  
  59.     Consider a cube moving across your field of view with speed near
  60. the speed of light.  The trailing face of the cube is edge on to your line
  61. of sight as it passes you.  However, the light from the back edge of that
  62. face (the edge of the square farthest from you) takes longer to get to your
  63. eye than the light from the front edge.  At any given instant you are
  64. seeing light from the front edge at time t and the back edge at time
  65. t-(L/c), where L is the length of an edge.  This means you see the back
  66. edge where it was some time earlier. This has the effect of *rotating* the
  67. *image* of the cube on your retina. 
  68.  
  69.     This does not mean that the cube itself rotates.  The *image* is
  70. rotated. And this depends only on the finite speed of light, not any other
  71. postulate or special relativity.  You can calculate the rotation angle by
  72. noting that the side face of the cube is Lorentz contracted to L' =
  73. L/gamma. This will correspond to a rotation angle of arccos(1/gamma). 
  74.  
  75.     It turns out, if you do the math for a sphere, that the amount of
  76. apparent rotation exactly cancels the Lorentz contraction.  The object
  77. itself is flattened, but then you see *behind* it as it flies by just
  78. enough to restore it to its original size.  So the image of a sphere is
  79. unaffected by the Lorentz flattening that it experiences. 
  80.  
  81.     Another implication of this is that if the object is moving at
  82. nearly the speed of light, although it is contracted into an
  83. infinitesimally thin pancake, you see it rotated by almost a full 90
  84. degrees, so you see the complete trailing face of the object, and it 
  85. doesn't disappear from view.  In the case of the sphere, you see the 
  86. transverse cross-section (which suffers no contraction), so that it still 
  87. appears to be exactly a sphere. 
  88.  
  89.     That it took so long historically to realize this is undoubtedly
  90. due to the fact that although we were regularly accelerating particle beams
  91. in 1959 to relativistic speeds, we still do not have the technology to
  92. accelerate any macroscopic objects to speeds necessary to reveal the
  93. effect. 
  94.  
  95. References: 
  96.  
  97.     J. Terrell, Phys Rev. _116_, 1041 (1959).  For a textbook
  98. discussion, see Marion's _Classical Dynamics_, Section 10.5.
  99.  
  100.     Ping-Kang Hsiung, Robert H. Thibadeau, and Robert H. P. Dunn,
  101. Pixel, vol.1 no.1 (Jan/Feb 1990), "Ray Tracing Relativity".  This
  102. article has beautiful computer-generated pictures of Terrell rotation 
  103. and other effects of "SR photography".
  104.  
  105. ********************************************************************************
  106. Item 14.
  107.  
  108. Hot Water Freezes Faster than Cold!             updated 11-May-1992 by SIC
  109. -----------------------------------             original by Richard M. Mathews
  110.  
  111.     You put two pails of water outside on a freezing day.  One has hot
  112. water (95 degrees C) and the other has an equal amount of colder water (50
  113. degrees C).  Which freezes first?  The hot water freezes first!  Why?  
  114.  
  115.     It is commonly argued that the hot water will take some time to
  116. reach the initial temperature of the cold water, and then follow the same
  117. cooling curve.  So it seems at first glance difficult to believe that the
  118. hot water freezes first.  The answer lies mostly in evaporation. The effect
  119. is definitely real and can be duplicated in your own kitchen. 
  120.  
  121.     Every "proof" that hot water can't freeze faster assumes that the
  122. state of the water can be described by a single number.  Remember that
  123. temperature is a function of position.  There are also other factors
  124. besides temperature, such as motion of the water, gas content, etc. With
  125. these multiple parameters, any argument based on the hot water having to
  126. pass through the initial state of the cold water before reaching the
  127. freezing point will fall apart.  The most important factor is evaporation.
  128.  
  129.     The cooling of pails without lids is partly Newtonian and partly by
  130. evaporation of the contents.  The proportions depend on the walls and on
  131. temperature.  At sufficiently high temperatures evaporation is more
  132. important.  If equal masses of water are taken at two starting
  133. temperatures, more rapid evaporation from the hotter one may diminish its
  134. mass enough to compensate for the greater temperature range it must cover
  135. to reach freezing.  The mass lost when cooling is by evaporation is not
  136. negligible. In one experiment, water cooling from 100C lost 16% of its mass
  137. by 0C, and lost a further 12% on freezing, for a total loss of 26%. 
  138.  
  139.     The cooling effect of evaporation is twofold.  First, mass is
  140. carried off so that less needs to be cooled from then on.  Also,
  141. evaporation carries off the hottest molecules, lowering considerably the
  142. average kinetic energy of the molecules remaining. This is why "blowing on
  143. your soup" cools it.  It encourages evaporation by removing the water vapor
  144. above the soup. 
  145.  
  146.     Thus experiment and theory agree that hot water freezes faster than
  147. cold for sufficiently high starting temperatures, if the cooling is by
  148. evaporation.  Cooling in a wooden pail or barrel is mostly by evaporation. 
  149. In fact, a wooden bucket of water starting at 100C would finish freezing in
  150. 90% of the time taken by an equal volume starting at room temperature. The
  151. folklore on this matter may well have started a century or more ago when
  152. wooden pails were usual.  Considerable heat is transferred through the
  153. sides of metal pails, and evaporation no longer dominates the cooling, so
  154. the belief is unlikely to have started from correct observations after
  155. metal pails became common. 
  156.  
  157. References: 
  158.        "Hot water freezes faster than cold water.  Why does it do so?",
  159.         Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American,
  160.         Vol. 237, No. 3, pp 246-257; September, 1977.
  161.  
  162.        "The Freezing of Hot and Cold Water", G.S. Kell in American
  163.         Journal of Physics, Vol. 37, No. 5, pp 564-565; May, 1969.
  164.  
  165. ********************************************************************************
  166. Item 15.
  167.  
  168. Why are Golf Balls Dimpled?                     updated 17-NOV-1993 by CDF
  169. ---------------------------                     original by Craig DeForest
  170.  
  171.     The dimples, paradoxically, *do* increase drag slightly.  But they 
  172. also increase `Magnus lift', that peculiar lifting force experienced by 
  173. rotating bodies travelling through a medium.  Contrary to Freshman physics, 
  174. golf balls do not travel in inverted parabolas.  They follow an 'impetus 
  175. trajectory':
  176.  
  177.                                     *    *       
  178.                               *             *
  179. (golfer)                *                    *
  180.                   *                          * <-- trajectory
  181.  \O/        *                                *
  182.   |   *                                      *
  183. -/ \-T---------------------------------------------------------------ground
  184.  
  185.     This is because of the combination of drag (which reduces
  186. horizontal speed late in the trajectory) and Magnus lift, which supports
  187. the ball during the initial part of the trajectory, making it relatively
  188. straight.  The trajectory can even curve upwards at first, depending on
  189. conditions!  Here is a cheesy diagram of a golf ball in flight, with some
  190. relevant vectors: 
  191.  
  192.                              F(magnus)
  193.                              ^
  194.                              |
  195.                 F(drag) <--- O -------> V 
  196.                           \     
  197.                            \----> (sense of rotation)
  198.  
  199.     The Magnus force can be thought of as due to the relative drag on
  200. the air on the top and bottom portions of the golf ball: the top portion is
  201. moving slower relative to the air around it, so there is less drag on the
  202. air that goes over the ball.  The boundary layer is relatively thin, and
  203. air in the not-too-near region moves rapidly relative to the ball.  The
  204. bottom portion moves fast relative to the air around it; there is more drag
  205. on the air passing by the bottom, and the boundary (turbulent) layer is
  206. relatively thick; air in the not-too-near region moves more slowly relative
  207. to the ball. The Bernoulli force produces lift. (Alternatively, one could
  208. say that `the flow lines past the ball are displaced down, so the ball is
  209. pushed up.') 
  210.  
  211.     The difficulty comes near the transition region between laminar
  212. flow and turbulent flow.  At low speeds, the flow around the ball is
  213. laminar.  As speed is increased, the bottom part tends to go turbulent
  214. *first*.  But turbulent flow can follow a surface much more easily than
  215. laminar flow. 
  216.  
  217.     As a result, the (laminar) flow lines around the top break away
  218. from the surface sooner than otherwise, and there is a net displacement
  219. *up* of the flow lines.  The magnus lift goes *negative*. 
  220.  
  221.     The dimples aid the rapid formation of a turbulent boundary layer
  222. around the golf ball in flight, giving more lift.  Without 'em, the ball
  223. would travel in more of a parabolic trajectory, hitting the ground sooner
  224. (and not coming straight down). 
  225.  
  226. References: 
  227.  
  228. Lord Rayleigh, "On the Irregular Flight of a Tennis Ball", _Scientific 
  229. Papers I_, p. 344
  230.  
  231. Briggs Lyman J., "Effect of Spin and Speed on the Lateral Deflection of 
  232. a Baseball; and the Magnus Effect for Smooth Spheres", Am. J. Phys. _27_, 
  233. 589 (1959). [Briggs was trying to explain the mechanism behind the `curve 
  234. ball' in baseball, using specialized apparatus in a wind tunnel at the NBS.  
  235. He stumbled on the reverse effect by accident, because his model `baseball'
  236. had no stitches on it. The stitches on a baseball create turbulence in
  237. flight in much the same way that the dimples on a golf ball do.] 
  238.  
  239. R. Watts and R. Ferver, "The Lateral Force on a Spinning Sphere" Aerodynamics
  240. of a Curveball", Am. J. Phys. _55_, 40 (1986)
  241.  
  242. ********************************************************************************
  243. Item 16.
  244.                                                 updated 9-DEC-1993 by SIC
  245.                                                 Original by Bill Johnson
  246. How to Change Nuclear Decay Rates
  247. ---------------------------------
  248.  
  249. "I've had this idea for making radioactive nuclei decay faster/slower than
  250. they normally do.  You do [this, that, and the other thing].  Will this work?" 
  251.  
  252. Short Answer: Possibly, but probably not usefully.
  253.  
  254. Long Answer:
  255.  
  256.     "One of the paradigms of nuclear science since the very early days
  257. of its study has been the general understanding that the half-life, or
  258. decay constant, of a radioactive substance is independent of extranuclear
  259. considerations."  (Emery, cited below.)  Like all paradigms, this one is
  260. subject to some interpretation. Normal decay of radioactive stuff proceeds
  261. via one of four mechanisms: 
  262.  
  263.     * Emission of an alpha particle -- a helium-4 nucleus -- reducing
  264.     the number of protons and neutrons present in the parent nucleus 
  265.     by two each; 
  266.     * "Beta decay," encompassing several related phenomena in which a
  267.     neutron in the nucleus turns into a proton, or a proton turns into 
  268.     a neutron -- along with some other things including emission of 
  269.     a neutrino.  The "other things", as we shall see, are at the bottom
  270.     of several questions involving perturbation of decay rates; 
  271.     * Emission of one or more gamma rays -- energetic photons -- that
  272.     take a nucleus from an excited state to some other (typically
  273.     ground) state; some of these photons may be replaced by 
  274.     "conversion electrons," of which more shortly; or 
  275.     *Spontaneous fission, in which a sufficiently heavy nucleus simply
  276.     breaks in half.  Most of the discussion about alpha particles will
  277.     also apply to spontaneous fission.
  278.  
  279. Gamma emission often occurs from the daughter of one of the other decay
  280. modes.  We neglect *very* exotic processes like C-14 emission or double
  281. beta decay in this analysis. 
  282.  
  283.     "Beta decay" refers most often to a nucleus with a neutron excess,
  284. which decays by converting a neutron into a proton:
  285.  
  286.          n ----> p + e- + anti-nu(e),
  287.  
  288. where n means neutron, p means proton, e- means electron, and anti-nu(e) 
  289. means an antineutrino of the electron type.  The type of beta decay which
  290. involves destruction of a proton is not familiar to many people, so
  291. deserves a little elaboration.  Either of two processes may occur when this
  292. kind of decay happens: 
  293.  
  294.         p ----> n + e+ + nu(e), 
  295.  
  296. where e+ means positron and nu(e) means electron neutrino; or
  297.  
  298.         p + e- ----> n + nu(e),
  299.  
  300. where e- means a negatively charged electron, which is captured from the
  301. neighborhood of the nucleus undergoing decay.  These processes are called
  302. "positron emission" and "electron capture," respectively.  A given nucleus
  303. which has too many protons for stability may undergo beta decay through
  304. either, and typically both, of these reactions. 
  305.  
  306.     "Conversion electrons" are produced by the process of "internal
  307. conversion," whereby the photon that would normally be emitted in gamma
  308. decay is *virtual* and its energy is absorbed by an atomic electron.  The
  309. absorbed energy is sufficient to unbind the electron from the nucleus
  310. (ignoring a few exceptional cases), and it is ejected from the atom as a
  311. result. 
  312.  
  313.     Now for the tie-in to decay rates.  Both the electron-capture and
  314. internal conversion phenomena require an electron somewhere close to the
  315. decaying nucleus.  In any normal atom, this requirement is satisfied in
  316. spades: the innermost electrons are in states such that their probability
  317. of being close to the nucleus is both large and insensitive to things in
  318. the environment.  The decay rate depends on the electronic wavefunctions,
  319. i.e, how much of their time the inner electrons spend very near the 
  320. nucleus -- but only very weakly. For most nuclides that decay by electron 
  321. capture or internal conversion, most of the time, the probability of 
  322. grabbing or converting an electron is also insensitive to the environment, 
  323. as the innermost electrons are the ones most likely to get grabbed/converted. 
  324.  
  325.     However, there are exceptions, the most notable being the
  326. the astrophysically important isotope beryllium-7.  Be-7 decays purely
  327. by electron capture (positron emission being impossible because of
  328. inadequate decay energy) with a half-life of somewhat over 50 days.  It has
  329. been shown that differences in chemical environment result in half-life
  330. variations of the order of 0.2%, and high pressures produce somewhat
  331. similar changes. Other cases where known changes in decay rate occur are
  332. Zr-89 and Sr-85, also electron capturers; Tc-99m ("m" implying an excited
  333. state), which decays by both beta and gamma emission; and various other
  334. "metastable" things that decay by gamma emission with internal conversion. 
  335. With all of these other cases the magnitude of the effect is less than is
  336. typically the case with Be-7. 
  337.  
  338.     What makes these cases special?  The answer is that one or more
  339. of the usual starting assumptions -- insensitivity of electron wave
  340. function near the nucleus to external forces, or availability of the
  341. innermost electrons for capture/conversion -- are not completely valid. 
  342. Atomic beryllium only has 4 electrons to begin with, so that the "innermost
  343. electrons" are also practically the *outermost* ones and therefore much
  344. more sensitive to chemical effects than usual.  With most of the other
  345. cases, there is so little energy available from the decay (as little as a
  346. few electron volts; compare most radioactive decays, where hundreds or
  347. thousands of *kilo*volts are released), courtesy of accidents of nuclear
  348. structure, that the innermost electrons can't undergo internal conversion. 
  349. Remember that converting an electron requires dumping enough energy into it
  350. to expel it from the atom (more or less); "enough energy," in context, is
  351. typically some tens of keV, so they don't get converted at all in these
  352. cases.  Conversion therefore works only on some of the outer electrons,
  353. which again are more sensitive to the environment. 
  354.  
  355.     A real anomaly is the beta emitter Re-187.  Its decay energy is
  356. only about 2.6 keV, practically nothing by nuclear standards.  "That this
  357. decay occurs at all is an example of the effects of the atomic environment
  358. on nuclear decay: the bare nucleus Re-187 [i.e., stripped of all orbital
  359. electrons -- MWJ] is stable against beta decay [but not to bound state
  360. beta decay, in which the outgoing electron is captured by the daughter
  361. nucleus into a tightly bound orbital -SIC] and it is the difference of
  362. 15 keV in the total electronic binding energy of osmium [to which it decays
  363. -- MWJ] and rhenium ... which makes the decay possible" (Emery).  The
  364. practical significance of this little peculiarity, of course, is low, as
  365. Re-187 already has a half life of over 10^10 years.   
  366.  
  367.     Alpha decay and spontaneous fission might also be affected by
  368. changes in the electron density near the nucleus, for a different reason. 
  369. These processes occur as a result of penetration of the "Coulomb barrier"
  370. that inhibits emission of charged particles from the nucleus, and their
  371. rate is *very* sensitive to the height of the barrier.  Changes in the
  372. electron density could, in principle, affect the barrier by some tiny
  373. amount.  However, the magnitude of the effect is *very* small, according to
  374. theoretical calculations; for a few alpha emitters, the change has been
  375. estimated to be of the order of 1 part in 10^7 (!) or less, which would be
  376. unmeasurable in view of the fact that the alpha emitters' half lives aren't
  377. known to that degree of accuracy to begin with. 
  378.  
  379.     All told, the existence of changes in radioactive decay rates due
  380. to the environment of the decaying nuclei is on solid grounds both
  381. experimentally and theoretically.  But the magnitude of the changes is
  382. nothing to get very excited about. 
  383.  
  384. Reference: The best review article on this subject is now 20 years old: G.
  385. T. Emery, "Perturbation of Nuclear Decay Rates," Annual Review of Nuclear
  386. Science vol. 22, p. 165 (1972).  Papers describing specific experiments are
  387. cited in that article, which contains considerable arcane math but also
  388. gives a reasonable qualitative "feel" for what is involved. 
  389.  
  390. ********************************************************************************
  391. Item 17.
  392.                         original by Blair P. Houghton
  393.                         (blair@world.std.com)
  394.  
  395. What is a Dippy Bird, and how is it used?
  396. -----------------------------------------
  397.  
  398. The Anatomy and Habits of a Dippy Bird:
  399.  
  400. 1.  The armature:  The body of the bird is a straight tube attached to two
  401. bulbs, approximately the same size, one at either end.  The tube flows into
  402. the upper bulb, like the neck of a funnel, and extends almost to the bottom
  403. of the lower bulb, like the straw in a soda. 
  404.  
  405. 2.  The pivot:  At about the middle of the tube is clamped a transverse
  406. bar, which allows the apparatus to pivot on a stand (the legs).  The bar is
  407. bent very slightly concave dorsally, to unbalance the bird in the forward
  408. direction (thus discouraging dips to the rear).  The ends of the pivot have
  409. downward protrusions, which hit stops on the stand placed so that the bird
  410. is free to rock when in a vertical position, but can not quite rotate
  411. enough to be horizontal during a dip. 
  412.  
  413. 3.  The wick:  The upper bulb is coated in fuzzy material, and has extended
  414. from it a beak, made of or covered in the same material. 
  415.  
  416. 4.  The tail.  The tail has no significant external features, except that
  417. it should not be insulated (skin-oil deposited on the bird's glass parts
  418. from handling will insulate it and can affect its operation). 
  419.  
  420. 5.  The guts:  The bird is partially filled with a somewhat carefully
  421. measured amount of a fluid with suitable lack of viscosity and density and
  422. a low latent heat of evaporation (small d(energy)/d(mass), ld).  For water,
  423. ld is 2250 kJ/kg; for methylene chloride, ld is 406; for mercury, ld is a
  424. wondrous 281; ethyl alcohol has an ld of 880, more than twice that of MC.
  425. Boiling point is not important, here; evaporation and condensation take
  426. place on the surface of a liquid at any temperature.
  427.  
  428. 6.  The frills:  Any hats, eyes, feathers, or liquid coloring have been
  429. added purely for entertainment value. (An anecdote:  as it stood pumping in
  430. the Arizona sun on my kitchen windowsill for several days, the rich,
  431. Kool-Aid red of my bird's motorwater faded to a pale peach.  I have since
  432. retired him to the mantelpiece in the family room). 
  433.  
  434. 7.  Shreddin':  The bird is operated by getting the head wet, taking care
  435. not to make it so wet that it drips down the tube.  (Water on the bottom
  436. bulb will reverse the thermodynamic processes.)  The first cycle will
  437. take somewhat longer than the following cycles.  If you can keep water
  438. where the bird can dip it, the bird will dip for as long as the ambient
  439. humidity remains favorable.
  440.  
  441.  
  442. Come on, how does it really work?
  443. ---------------------------------
  444.  
  445. Short answer:  Thermodynamics plus Mechanics.
  446.  
  447. Medium answer (and essential clues):  Evaporative cooling on the outside;
  448. pV=nRT, evaporation/condensation, and gravity on the inside.
  449.  
  450. Long answer:
  451.  
  452.     Initially the system is at equilibrium, with T equal in both
  453. chambers and pV/n in each compensating for the fluid levels.  Evaporation
  454. of water outside the head draws heat from inside it; the vapor inside
  455. condenses, reducing pV/RT.  This imbalances the pressures, so the vapor in
  456. the abdomen pushes down, which pushes fluid up the thorax, which reduces V
  457. in the head.  Since p is decreasing in the abdomen, evaporation occurs,
  458. increasing n, and drawing heat from outside the body. 
  459.  
  460.     The rising fluid raises the CM above the pivot point; the hips are
  461. slightly concave dorsally, so the bird dips forward.  Tabs on the legs and
  462. the pivot maintain the angle at full dip, for drainage.  The amount of
  463. fluid is set so that at full dip the lower end of the tube is exposed to
  464. the vapor.  (The tube reaches almost to the bottom of the abdomen, like a
  465. straw in a soda, but flows into the head like the neck of a funnel.)  A
  466. bubble of vapor rises in the tube and fluid drains into the abdomen. 
  467.  
  468.     The rising bubble transfers heat to the head and the falling fluid
  469. releases gravitational potential energy as heat into the rising bubble and
  470. the abdomen.  The CM drops below the pivot point and the bird bobs up.  The
  471. system is thus reset; it's not quite at equilibrium, but is close enough
  472. that the process can repeat this chain of events. 
  473.  
  474.     The beak acts as a wick, if allowed to dip into a reservoir of
  475. water, to keep the head wet, although it is not necessary for the bird to
  476. drink on every dip. 
  477.  
  478.  
  479. Is that all there is to know about dippy birds?
  480. -----------------------------------------------
  481.  
  482.     Of course not.  Research continues to unravel these unanswered
  483. questions about the amazing dippy-bird:
  484.  
  485. 1.  All of the energy gained by the rising fluid is returned to the system
  486. when the fluid drops; where does this energy go, in what proportions, and
  487. how does this affect the rate at which the bird operates? 
  488.  
  489. 2.  The heat that evaporates the water comes from both the surrounding air
  490. and the inside of the head; but, in what proportion?
  491.  
  492. 3.  Exactly what should the fluid be?  Methylene Chloride is an excellent
  493. candidate, since it's listed in the documentation for recent birds sold by
  494. Edmund Scientific Corp. (trade named Happy Drinking Bird), and because its
  495. latent heat of evaporation (ld) is 406 kJ/kg, compared to 2250 kJ/kg for
  496. water (a 5.5:1 ratio of condensed MC to evaporated water, if all
  497. water-evaporating heat comes from inside the bird).  Ethanol, at 880 kJ/kG,
  498. is only half as efficient.  Mercury would likewise be a good prospective
  499. choice, having an ld of 281 kJ/kG (8:1!), but is expensive and dangerous,
  500. and its density would require careful redesign and greater quality control
  501. in the abdomen and pivot-stops to ensure proper operation at full dip; this
  502. does, however, indicate that the apparatus could be made in miniature,
  503. filled with mercury, and sold through a catalog-store such as The Sharper
  504. Image as a wildly successful yuppie desk-toy (Consider the submission of
  505. this FAQ entry to be prior art for patent purposes). 
  506.  
  507. 4.  Does ambient temperature have an effect on operation aside from the
  508. increase in rate of evaporation of water? I.e., if the temperature and
  509. humidity can be controlled independently such that the rate of evaporation
  510. can be kept constant, what effect does such a change in ambient temperature
  511. and humidity have on the operation of the bird? Is the response transient,
  512. permanent, or composed of both? 
  513.  
  514. Dippy Bird Tips:
  515. ----------------
  516.  
  517.     They have real trouble working at all in humid climates (like
  518. around the U. of Md., where I owned my first one), but can drive you bats
  519. in dry climates (aside from the constant hammering, it's hard to keep the
  520. water up to a level where the bird can get at it...).  The evaporation of
  521. water from the head depends on the diffusibility of water vapor into the
  522. atmosphere; high partial pressures of water vapor in the atmosphere
  523. translate to low rates of evaporation. 
  524.  
  525.     If you handle your bird, clean the glass with alcohol or Windex
  526. or Dawn or something; the oil from your hands has a high specific heat,
  527. which damps the transfer of heat, and a low thermal conductivity, which
  528. attenuates the transfer of heat. Once it's clean, grasp the bird only by
  529. the legs or the tube, which are not thermodynamically significant, or
  530. wear rubber gloves, just like a real EMT.
  531.  
  532.     The hat is there for show; the dippy bird operates okay with or
  533. without it, even though it may reduce the area of evaporation slightly. 
  534. Ditto the feathers and the eyes. 
  535.  
  536. Bibliography:
  537. -------------
  538.  
  539.     Chemical data from Gieck, K., _Engineering Formulas_, 3d. Ed.,
  540. McGraw-Hill, 1979, as translated by J. Walters, B. Sc.  
  541.  
  542.     I've also heard that SciAm had an "Amateur Scientist" column on
  543. this technology a few years ago.  Perhaps someone who understands how a
  544. library works could look up the yr and vol...
  545.  
  546.     Kool-Aid is a trademark of some huge corporation that makes its
  547. money a farthing at a time...
  548.  
  549. ********************************************************************************
  550. Item 18.
  551.  
  552. Below Absolute Zero - What Does Negative Temperature Mean?   updated 24-MAR-1993
  553. ----------------------------------------------------------   by Scott I. Chase
  554.  
  555. Questions:  What is negative temperature?  Can you really make a system
  556. which has a temperature below absolute zero?  Can you even give any useful
  557. meaning to the expression 'negative absolute temperature'? 
  558.  
  559. Answer:  Absolutely. :-)
  560.  
  561.     Under certain conditions, a closed system *can* be described by a
  562. negative temperature, and, surprisingly, be *hotter* than the same system
  563. at any positive temperature.  This article describes how it all works. 
  564.  
  565. Step I: What is "Temperature"?
  566. ------------------------------
  567.  
  568.     To get things started, we need a clear definition of "temperature."
  569. Our intuitive notion is that two systems in thermal contact should exchange 
  570. no heat, on average, if and only if they are at the same temperature.  Let's 
  571. call the two systems S1 and S2. The combined system, treating S1 and S2
  572. together, can be S3.  The important question, consideration of which
  573. will lead us to a useful quantitative definition of temperature, is "How will 
  574. the energy of S3 be distributed between S1 and S2?"  I will briefly explain
  575. this below, but I recommend that you read K&K, referenced below, for a 
  576. careful, simple, and thorough explanation of this important and fundamental
  577. result.
  578.  
  579.     With a total energy E, S has many possible internal states
  580. (microstates).  The atoms of S3 can share the total energy in many ways.
  581. Let's say there are N different states.  Each state corresponds to a
  582. particular division of the total energy in the two subsystems S1 and S2.
  583. Many microstates can correspond to the same division, E1 in S1 and E2 in
  584. S2. A simple counting argument tells you that only one particular division
  585. of the energy, will occur with any significant probability.  It's the one
  586. with the overwhelmingly largest number of microstates for the total system
  587. S3. That number, N(E1,E2) is just the product of the number of states
  588. allowed in each subsystem, N(E1,E2) = N1(E1)*N2(E2), and, since E1 + E2 =
  589. E, N(E1,E2) reaches a maximum when N1*N2 is stationary with respect to
  590. variations of E1 and E2 subject to the total energy constraint. 
  591.  
  592.     For convenience, physicists prefer to frame the question in terms
  593. of the logarithm of the number of microstates N, and call this the entropy,
  594. S. You can easily see from the above analysis that two systems are in
  595. equilibrium with one another when (dS/dE)_1 = (dS/dE)_2, i.e., the rate of
  596. change of entropy, S, per unit change in energy, E, must be the same for
  597. both systems.  Otherwise, energy will tend to flow from one subsystem to
  598. another as S3 bounces randomly from one microstate to another, the total
  599. energy E3 being constant, as the combined system moves towards a state of
  600. maximal total entropy.  We define the temperature, T, by 1/T = dS/dE, so
  601. that the equilibrium condition becomes the very simple T_1 = T_2. 
  602.  
  603.     This statistical mechanical definition of temperature does in fact
  604. correspond to your intuitive notion of temperature for most systems. So
  605. long as dS/dE is always positive, T is always positive.  For common
  606. situations, like a collection of free particles, or particles in a harmonic
  607. oscillator potential, adding energy always increases the number of
  608. available microstates, increasingly faster with increasing total energy. So
  609. temperature increases with increasing energy, from zero, asymptotically
  610. approaching positive infinity as the energy increases. 
  611.  
  612. Step II: What is "Negative Temperature"?
  613. ----------------------------------------
  614.  
  615.     Not all systems have the property that the entropy increases 
  616. monotonically with energy.  In some cases, as energy is added to the system, 
  617. the number of available microstates, or configurations, actually decreases 
  618. for some range of energies.  For example, imagine an ideal "spin-system", a 
  619. set of N atoms with spin 1/2 on a one-dimensional wire.  The atoms are not 
  620. free to move from their positions on the wire.  The only degree of freedom 
  621. allowed to them is spin-flip:  the spin of a given atom can point up or 
  622. down.  The total energy of the system, in a magnetic field of strength B, 
  623. pointing down, is (N+ - N-)*uB, where u is the magnetic moment of each atom 
  624. and N+ and N- are the number of atoms with spin up and down respectively. 
  625. Notice that with this definition, E is zero when half of the spins are 
  626. up and half are down.  It is negative when the majority are down and 
  627. positive when the majority are up.
  628.  
  629.     The lowest possible energy state, all the spins pointing down,
  630. gives the system a total energy of -NuB, and temperature of absolute zero. 
  631. There is only one configuration of the system at this energy, i.e., all the
  632. spins must point down.  The entropy is the log of the number of
  633. microstates, so in this case is log(1) = 0.  If we now add a quantum of
  634. energy, size uB, to the system, one spin is allowed to flip up.  There are
  635. N possibilities, so the entropy is log(N).  If we add another quantum of
  636. energy, there are a total of N(N-1)/2 allowable configurations with two
  637. spins up.  The entropy is increasing quickly, and the temperature is rising
  638. as well. 
  639.  
  640.     However, for this system, the entropy does not go on increasing
  641. forever.  There is a maximum energy, +NuB, with all spins up.  At this
  642. maximal energy, there is again only one microstate, and the entropy is
  643. again zero.  If we remove one quantum of energy from the system, we allow
  644. one spin down.  At this energy there are N available microstates.  The
  645. entropy goes on increasing as the energy is lowered.  In fact the maximal
  646. entropy occurs for total energy zero, i.e., half of the spins up, half
  647. down. 
  648.  
  649.     So we have created a system where, as we add more and more energy,
  650. temperature starts off positive, approaches positive infinity as maximum
  651. entropy is approached, with half of all spins up.  After that, the
  652. temperature becomes negative infinite, coming down in magnitude toward
  653. zero, but always negative, as the energy increases toward maximum. When the
  654. system has negative temperature, it is *hotter* than when it is has
  655. positive temperature. If you take two copies of the system, one with positive
  656. and one with negative temperature, and put them in thermal contact, heat
  657. will flow from the negative-temperature system into the positive-temperature
  658. system. 
  659.  
  660. Step III:  What Does This Have to Do With the Real World?
  661. ---------------------------------------------------------
  662.  
  663.     Can this system ever by realized in the real world, or is it just a
  664. fantastic invention of sinister theoretical condensed matter physicists?
  665. Atoms always have other degrees of freedom in addition to spin, usually
  666. making the total energy of the system unbounded upward due to the
  667. translational degrees of freedom that the atom has.  Thus, only certain
  668. degrees of freedom of a particle can have negative temperature.  It makes
  669. sense to define the "spin-temperature" of a collection of atoms, so long as
  670. one condition is met:  the coupling between the atomic spins and the other
  671. degrees of freedom is sufficiently weak, and the coupling between atomic
  672. spins sufficiently strong, that the timescale for energy to flow from the
  673. spins into other degrees of freedom is very large compared to the timescale
  674. for thermalization of the spins among themselves.  Then it makes sense to
  675. talk about the temperature of the spins separately from the temperature of
  676. the atoms as a whole. This condition can easily be met for the case of
  677. nuclear spins in a strong external magnetic field. 
  678.  
  679.     Nuclear and electron spin systems can be promoted to negative
  680. temperatures by suitable radio frequency techniques.   Various experiments
  681. in the calorimetry of negative temperatures, as well as applications of
  682. negative temperature systems as RF amplifiers, etc., can be found in the
  683. articles listed below, and the references therein. 
  684.  
  685. References:
  686.  
  687.         Kittel and Kroemer,_Thermal Physics_, appendix E.
  688.         N.F. Ramsey, "Thermodynamics and statistical mechanics at negative
  689.         absolute temperature,"  Phys. Rev. _103_, 20 (1956).
  690.         M.J. Klein,"Negative Absolute Temperature," Phys. Rev. _104_, 589 (1956).
  691.     
  692. ********************************************************************************
  693. Item 19.
  694.  
  695. Which Way Will my Bathtub Drain?                updated 16-MAR-1993 by SIC
  696. --------------------------------                original by Matthew R. Feinstein
  697.  
  698. Question: Does my bathtub drain differently depending on whether I live 
  699. in the northern or southern hemisphere?
  700.  
  701. Answer: No.  There is a real effect, but it is far too small to be relevant
  702. when you pull the plug in your bathtub.
  703.  
  704.     Because the earth rotates, a fluid that flows along the earth's
  705. surface feels a "Coriolis" acceleration perpendicular to its velocity.
  706. In the northern hemisphere low pressure storm systems spin counterclockwise.
  707. In the southern hemisphere, they spin clockwise because the direction 
  708. of the Coriolis acceleration is reversed.  This effect leads to the 
  709. speculation that the bathtub vortex that you see when you pull the plug 
  710. from the drain spins one way in the north and the other way in the south.
  711.  
  712.     But this acceleration is VERY weak for bathtub-scale fluid
  713. motions.  The order of magnitude of the Coriolis acceleration can be
  714. estimated from size of the "Rossby number" (see below).  The effect of the 
  715. Coriolis acceleration on your bathtub vortex is SMALL.  To detect its 
  716. effect on your bathtub, you would have to get out and wait until the motion 
  717. in the water is far less than one rotation per day.  This would require 
  718. removing thermal currents, vibration, and any other sources of noise.  Under 
  719. such conditions, never occurring in the typical home, you WOULD see an 
  720. effect.  To see what trouble it takes to actually see the effect, see the 
  721. reference below.  Experiments have been done in both the northern and 
  722. southern hemispheres to verify that under carefully controlled conditions, 
  723. bathtubs drain in opposite directions due to the Coriolis acceleration from 
  724. the Earth's rotation. 
  725.  
  726.     Coriolis accelerations are significant when the Rossby number is 
  727. SMALL.     So, suppose we want a Rossby number of 0.1 and a bathtub-vortex
  728. length scale of 0.1 meter.  Since the earth's rotation rate is about
  729. 10^(-4)/second, the fluid velocity should be less than or equal to
  730. 2*10^(-6) meters/second.  This is a very small velocity.  How small is it? 
  731. Well, we can take the analysis a step further and calculate another, more
  732. famous dimensionless parameter, the Reynolds number. 
  733.  
  734.     The Reynolds number is = L*U*density/viscosity
  735.  
  736.     Assuming that physicists bathe in hot water the viscosity will be
  737. about 0.005 poise and the density will be about 1.0, so the Reynolds Number
  738. is about 4*10^(-2). 
  739.  
  740.     Now, life at low Reynolds numbers is different from life at high
  741. Reynolds numbers.  In particular, at low Reynolds numbers, fluid physics is
  742. dominated by friction and diffusion, rather than by inertia: the time it
  743. would take for a particle of fluid to move a significant distance due to an
  744. acceleration is greater than the time it takes for the particle to break up
  745. due to diffusion. 
  746.  
  747.     The same effect has been accused of responsibility for the 
  748. direction water circulates when you flush a toilet.  This is surely 
  749. nonsense.  In this case, the water rotates in the direction which the pipe 
  750. points which carries the water from the tank to the bowl.
  751.  
  752. Reference: Trefethen, L.M. et al, Nature 207 1084-5 (1965).
  753.  
  754. ********************************************************************************
  755. Item 20.
  756.  
  757. Why do Mirrors Reverse Left and Right?          updated 04-MAR-1994 by SIC
  758. --------------------------------------          original by Scott I. Chase
  759.  
  760.     The simple answer is that they don't.  Look in a mirror and wave
  761. your right hand.  On which side of the mirror is the hand that waved?  The
  762. right side, of course. 
  763.  
  764.     Mirrors DO reverse In/Out.  Imaging holding an arrow in your hand.  
  765. If you point it up, it will point up in the mirror.  If you point it to the 
  766. left, it will point to the left in the mirror.  But if you point it toward 
  767. the mirror, it will point right back at you.  In and Out are reversed. 
  768.  
  769.     If you take a three-dimensional, rectangular, coordinate system,
  770. (X,Y,Z), and point the Z axis such that the vector equation X x Y = Z is
  771. satisfied, then the coordinate system is said to be right-handed.  Imagine
  772. Z pointing toward the mirror.  X and Y are unchanged (remember the arrows?)
  773. but Z will point back at you.  In the mirror, X x Y = - Z.  The image
  774. contains a left-handed coordinate system. 
  775.  
  776.     This has an important effect, familiar mostly to chemists and
  777. physicists. It changes the chirality, or handedness, of objects viewed in
  778. the mirror. Your left hand looks like a right hand, while your right hand
  779. looks like a left hand.  Molecules often come in pairs called
  780. stereoisomers, which differ not in the sequence or number of atoms, but
  781. only in that one is the mirror image of the other, so that no rotation or
  782. stretching can turn one into the other.  Your hands make a good laboratory
  783. for this effect.  They are distinct, even though they both have the same
  784. components connected in the same way. They are a stereo pair, identical
  785. except for "handedness". 
  786.  
  787.     People sometimes think that mirrors *do* reverse left/right, and
  788. that the effect is due to the fact that our eyes are aligned horizontally
  789. on our faces.  This can be easily shown to be untrue by looking in any
  790. mirror with one eye closed! 
  791.  
  792. Reference:  _The Left Hand of the Electron_, by Isaac Asimov, contains 
  793. a very readable discussion of handedness and mirrors in physics.
  794.  
  795. ********************************************************************************
  796. Item 21.
  797.                                                 updated 16-MAR-1992 by SIC
  798.                                                 Original by John Blanton
  799. Why Do Stars Twinkle While Planets Do Not? 
  800. -----------------------------------------
  801.  
  802.     Stars, except for the Sun, although they may be millions of miles 
  803. in diameter, are very far away.  They appear as point sources even when
  804. viewed by telescopes.  The planets in our solar system, much smaller than
  805. stars, are closer and can be resolved as disks with a little bit of
  806. magnification (field binoculars, for example). 
  807.  
  808.     Since the Earth's atmosphere is turbulent, all images viewed up
  809. through it tend to "swim."  The result of this is that sometimes a single
  810. point in object space gets mapped to two or more points in image space, and
  811. also sometimes a single point in object space does not get mapped into any
  812. point in image space.  When a star's single point in object space fails to
  813. map to at least one point in image space, the star seems to disappear
  814. temporarily. This does not mean the star's light is lost for that moment. 
  815. It just means that it didn't get to your eye, it went somewhere else. 
  816.  
  817.     Since planets represent several points in object space, it is
  818. highly likely that one or more points in the planet's object space get
  819. mapped to a points in image space, and the planet's image never winks out. 
  820. Each individual ray is twinkling away as badly as any star, but when all of
  821. those individual rays are viewed together, the next effect is averaged out 
  822. to something considerably steadier. 
  823.  
  824.     The result is that stars tend to twinkle, and planets do not. 
  825. Other extended objects in space, even very far ones like nebulae, do not 
  826. twinkle if they are sufficiently large that they have non-zero apparent
  827. diameter when viewed from the Earth.
  828.  
  829. ********************************************************************************
  830. Item 22.
  831.  
  832. TIME TRAVEL - FACT OR FICTION?                  updated 07-MAR-1994
  833. ------------------------------                  original by Jon J. Thaler
  834.  
  835.     We define time travel to mean departure from a certain place and
  836. time followed (from the traveller's point of view) by arrival at the same
  837. place at an earlier (from the sedentary observer's point of view) time.
  838. Time travel paradoxes arise from the fact that departure occurs after
  839. arrival according to one observer and before arrival according to another. 
  840. In the terminology of special relativity time travel implies that the
  841. timelike ordering of events is not invariant.  This violates our intuitive
  842. notions of causality.  However, intuition is not an infallible guide, so we
  843. must be careful.  Is time travel really impossible, or is it merely another
  844. phenomenon where "impossible" means "nature is weirder than we think?"  The
  845. answer is more interesting than you might think. 
  846.  
  847. THE SCIENCE FICTION PARADIGM:
  848.  
  849.     The B-movie image of the intrepid chrononaut climbing into his time
  850. machine and watching the clock outside spin backwards while those outside
  851. the time machine watch the him revert to callow youth is, according to
  852. current theory, impossible.  In current theory, the arrow of time flows in
  853. only one direction at any particular place.  If this were not true, then
  854. one could not impose a 4-dimensional coordinate system on space-time, and
  855. many nasty consequences would result. Nevertheless, there is a scenario
  856. which is not ruled out by present knowledge.  This usually requires an 
  857. unusual spacetime topology (due to wormholes or strings in general 
  858. relativity) which has not yet seen, but which may be possible.  In 
  859. this scenario the universe is well behaved in every local region; only by 
  860. exploring the global properties does one discover time travel. 
  861.  
  862. CONSERVATION LAWS:
  863.  
  864.     It is sometimes argued that time travel violates conservation laws.
  865. For example, sending mass back in time increases the amount of energy that
  866. exists at that time.  Doesn't this violate conservation of energy?  This
  867. argument uses the concept of a global conservation law, whereas
  868. relativistically invariant formulations of the equations of physics only
  869. imply local conservation.  A local conservation law tells us that the
  870. amount of stuff inside a small volume changes only when stuff flows in or
  871. out through the surface.  A global conservation law is derived from this by
  872. integrating over all space and assuming that there is no flow in or out at
  873. infinity.  If this integral cannot be performed, then global conservation
  874. does not follow.  So, sending mass back in time might be all right, but it
  875. implies that something strange is happening.  (Why shouldn't we be able to
  876. do the integral?) 
  877.  
  878. GENERAL RELATIVITY:
  879.  
  880.     One case where global conservation breaks down is in general
  881. relativity. It is well known that global conservation of energy does not
  882. make sense in an expanding universe.  For example, the universe cools as it
  883. expands; where does the energy go?  See FAQ article #7 - Energy
  884. Conservation in Cosmology, for details. 
  885.  
  886.     It is interesting to note that the possibility of time travel in GR
  887. has been known at least since 1949 (by Kurt Godel, discussed in [1], page
  888. 168). The GR spacetime found by Godel has what are now called "closed
  889. timelike curves" (CTCs).  A CTC is a worldline that a particle or a person
  890. can follow which ends at the same spacetime point (the same position and
  891. time) as it started.   A solution to GR which contains CTCs cannot have a
  892. spacelike embedding - space must have "holes" (as in donut holes, not holes
  893. punched in a sheet of paper).  A would-be time traveller must go around or
  894. through the holes in a clever way. 
  895.  
  896.     The Godel solution is a curiosity, not useful for constructing a
  897. time machine.  Two recent proposals, one by Morris, et al. [2] and one by
  898. Gott [3], have the possibility of actually leading to practical devices (if
  899. you believe this, I have a bridge to sell you).   As with Godel, in these
  900. schemes nothing is locally strange; time travel results from the unusual
  901. topology of spacetime.  The first uses a wormhole (the inner part of a
  902. black hole, see fig. 1 of [2]) which is held open and manipulated by
  903. electromagnetic forces.  The second uses the conical geometry generated by
  904. an infinitely long string of mass.  If two strings pass by each other, a
  905. clever person can go into the past by traveling a figure-eight path around
  906. the strings.  In this scenario, if the string has non-zero diameter and
  907. finite mass density, there is a CTC without any unusual topology.
  908.  
  909. GRANDFATHER PARADOXES:
  910.  
  911.     With the demonstration that general relativity contains CTCs,
  912. people began studying the problem of self-consistency.  Basically, the
  913. problem is that of the "grandfather paradox":  What happens if our time
  914. traveller kills her grandmother before her mother was born?  In more
  915. readily analyzable terms, one can ask what are the implications of the
  916. quantum mechanical interference of the particle with its future self.
  917. Boulware [5] shows that there is a problem - unitarity is violated. This is
  918. related to the question of when one can do the global conservation integral
  919. discussed above.  It is an example of the "Cauchy problem" [1, chapter 7]. 
  920.  
  921. OTHER PROBLEMS (and an escape hatch?):
  922.  
  923.     How does one avoid the paradox that a simple solution to GR has
  924. CTCs which QM does not like?  This is not a matter of applying a theory in
  925. a domain where it is expected to fail.  One relevant issue is the
  926. construction of the time machine.  After all, infinite strings aren't
  927. easily obtained.  In fact, it has been shown [4] that Gott's scenario
  928. implies that the total 4-momentum of spacetime must be spacelike.  This
  929. seems to imply that one cannot build a time machine from any collection of
  930. non-tachyonic objects, whose 4-momentum must be timelike.  There are 
  931. implementation problems with the wormhole method as well.
  932.  
  933. TACHYONS:
  934.  
  935. Finally, a diversion on a possibly related topic.
  936.  
  937.     If tachyons exist as physical objects, causality is no longer
  938. invariant. Different observers will see different causal sequences.  This
  939. effect requires only special relativity (not GR), and follows from the fact
  940. that for any spacelike trajectory, reference frames can be found in which
  941. the particle moves backward or forward in time.  This is illustrated by the
  942. pair of spacetime diagrams below.  One must be careful about what is
  943. actually observed; a particle moving backward in time is observed to be a
  944. forward moving anti-particle, so no observer interprets this as time
  945. travel. 
  946.  
  947.                 t
  948. One reference   |                    Events A and C are at the same
  949. frame:          |                    place.  C occurs first.
  950.                 |
  951.                 |                    Event B lies outside the causal
  952.                 |          B         domain of events A and C.
  953.      -----------A----------- x       (The intervals are spacelike).
  954.                 |
  955.                 C                    In this frame, tachyon signals
  956.                 |                    travel from A-->B and from C-->B.
  957.                 |                    That is, A and C are possible causes
  958.                                      of event B.
  959.  
  960. Another         t
  961. reference       |                    Events A and C are not at the same
  962. frame:          |                    place.  C occurs first.
  963.                 |
  964.                 |                    Event B lies outside the causal
  965.      -----------A----------- x       domain of events A and C. (The
  966.                 |                    intervals are spacelike)
  967.                 |
  968.                 |   C                In this frame, signals travel from
  969.                 |                    B-->A and from B-->C.  B is the cause
  970.                 |             B      of both of the other two events.
  971.  
  972.     The unusual situation here arises because conventional causality
  973. assumes no superluminal motion.  This tachyon example is presented to
  974. demonstrate that our intuitive notion of causality may be flawed, so one
  975. must be careful when appealing to common sense.  See FAQ article # 25 -
  976. Tachyons, for more about these weird hypothetical particles. 
  977.  
  978. CONCLUSION:
  979.  
  980.     The possible existence of time machines remains an open question. 
  981. None of the papers criticizing the two proposals are willing to
  982. categorically rule out the possibility.  Nevertheless, the notion of time
  983. machines seems to carry with it a serious set of problems. 
  984.  
  985. REFERENCES:
  986.  
  987. 1: S.W. Hawking, and G.F.R. Ellis, "The Large Scale Structure of Space-Time,"
  988.    Cambridge University Press, 1973.
  989. 2: M.S. Morris, K.S. Thorne, and U. Yurtsever, PRL, v.61, p.1446 (1989).
  990.    --> How wormholes can act as time machines.
  991. 3: J.R. Gott, III, PRL, v.66, p.1126 (1991).
  992.    --> How pairs of cosmic strings can act as time machines.
  993. 4: S. Deser, R. Jackiw, and G. 't Hooft, PRL, v.66, p.267 (1992).
  994.    --> A critique of Gott.  You can't construct his machine.
  995. 5: D.G. Boulware, University of Washington preprint UW/PT-92-04.
  996.    Available on the hep-th@xxx.lanl.gov bulletin board: item number 9207054.
  997.    --> Unitarity problems in QM with closed timelike curves.
  998. 6: "Nature", May 7, 1992
  999.    --> Contains a very well written review with some nice figures.
  1000.  
  1001. ********************************************************************************
  1002. Item 23.
  1003.  
  1004. Open Questions                                  updated 01-JUN-1993 by SIC
  1005. --------------                                  original by John Baez
  1006.  
  1007.     While for the most part a FAQ covers the answers to frequently
  1008. asked questions whose answers are known, in physics there are also plenty
  1009. of simple and interesting questions whose answers are not known. Before you
  1010. set about answering these questions on your own, it's worth noting that
  1011. while nobody knows what the answers are, there has been at least a little,
  1012. and sometimes a great deal, of work already done on these subjects. People
  1013. have said a lot of very intelligent things about many of these questions. 
  1014. So do plenty of research and ask around before you try to cook up a theory
  1015. that'll answer one of these and win you the Nobel prize!  You can expect to
  1016. really know physics inside and out before you make any progress on these. 
  1017.  
  1018.     The following partial list of "open" questions is divided into two
  1019. groups, Cosmology and Astrophysics, and Particle and Quantum Physics. 
  1020. However, given the implications of particle physics on cosmology, the
  1021. division is somewhat artificial, and, consequently, the categorization is 
  1022. somewhat arbitrary.  
  1023.  
  1024.     (There are many other interesting and fundamental questions in 
  1025. fields such as condensed matter physics, nonlinear dynamics, etc., which 
  1026. are not part of the set of related questions in cosmology and quantum 
  1027. physics which are discussed below.  Their omission is not a judgement 
  1028. about importance, but merely a decision about the scope of this article.)
  1029.     
  1030. Cosmology and Astrophysics
  1031. --------------------------
  1032.  
  1033. 1.  What happened at or before the Big Bang?  Was there really an initial
  1034. singularity?  Of course, this question might not make sense, but it might.
  1035. Does the history of the Universe go back in time forever, or only a finite
  1036. amount? 
  1037.  
  1038. 2.  Will the future of the universe go on forever or not?  Will there be a
  1039. "big crunch" in the future?  Is the Universe infinite in spatial extent? 
  1040.  
  1041. 3.  Why is there an arrow of time; that is, why is the future so much
  1042. different from the past?
  1043.  
  1044. 4.  Is spacetime really four-dimensional?   If so, why - or is that just a
  1045. silly question?  Or is spacetime not really a manifold at all if examined
  1046. on a short enough distance scale? 
  1047.  
  1048. 5.  Do black holes really exist?  (It sure seems like it.)  Do they really
  1049. radiate energy and evaporate the way Hawking predicts?  If so, what happens
  1050. when, after a finite amount of time, they radiate completely away?  What's
  1051. left?  Do black holes really violate all conservation laws except
  1052. conservation of energy, momentum, angular momentum and electric charge? 
  1053. What happens to the information contained in an object that falls into a 
  1054. black hole?  Is it lost when the black hole evaporates?  Does this require 
  1055. a modification of quantum mechanics?
  1056.  
  1057. 6.  Is the Cosmic Censorship Hypothesis true?  Roughly, for generic
  1058. collapsing isolated gravitational systems are the singularities that might
  1059. develop guaranteed to be hidden beyond a smooth event horizon?  If Cosmic
  1060. Censorship fails, what are these naked singularities like?  That is, what 
  1061. weird physical consequences would they have? 
  1062.  
  1063. 7.  Why are the galaxies distributed in clumps and filaments?  Is most of
  1064. the matter in the universe baryonic?  Is this a matter to be resolved by
  1065. new physics? 
  1066.  
  1067. 8.  What is the nature of the missing "Dark Matter"?  Is it baryonic, 
  1068. neutrinos, or something more exotic?  
  1069.  
  1070. Particle and Quantum Physics
  1071. ----------------------------
  1072.  
  1073. 1.  Why are the laws of physics not symmetrical between left and right,
  1074. future and past, and between matter and antimatter?  I.e., what is the
  1075. mechanism of CP violation, and what is the origin of parity violation in
  1076. Weak interactions?  Are there right-handed Weak currents too weak to have
  1077. been detected so far?  If so, what broke the symmetry?  Is CP violation 
  1078. explicable entirely within the Standard Model, or is some new force or
  1079. mechanism required?
  1080.  
  1081. 2.  Why are the strengths of the fundamental forces (electromagnetism, weak
  1082. and strong forces, and gravity) what they are?  For example, why is the
  1083. fine structure constant, which measures the strength of electromagnetism,
  1084. about 1/137.036?  Where did this dimensionless constant of nature come from? 
  1085. Do the forces really become Grand Unified at sufficiently high energy?
  1086.  
  1087. 3.  Why are there 3 generations of leptons and quarks?  Why are their mass
  1088. ratios what they are?  For example, the muon is a particle almost exactly
  1089. like the electron except about 207 times heavier.  Why does it exist and
  1090. why precisely that much heavier?   Do the quarks or leptons have any 
  1091. substructure? 
  1092.  
  1093. 4.  Is there a consistent and acceptable relativistic quantum field theory
  1094. describing interacting (not free) fields in four spacetime dimensions?  For
  1095. example, is the Standard Model mathematically consistent?  How about
  1096. Quantum Electrodynamics? 
  1097.  
  1098. 5.  Is QCD a true description of quark dynamics?  Is it possible to
  1099. calculate masses of hadrons (such as the proton, neutron, pion, etc.)
  1100. correctly from the Standard Model?  Does QCD predict a quark/gluon
  1101. deconfinement phase transition at high temperature?  What is the nature of
  1102. the transition?  Does this really happen in Nature? 
  1103.  
  1104. 6.  Why is there more matter than antimatter, at least around here? Is
  1105. there really more matter than antimatter throughout the universe? 
  1106.  
  1107. 7.  What is meant by a "measurement" in quantum mechanics?  Does
  1108. "wavefunction collapse" actually happen as a physical process?  If so, how,
  1109. and under what conditions?  If not, what happens instead? 
  1110.  
  1111. 8.  What are the gravitational effects, if any, of the immense (possibly
  1112. infinite) vacuum energy density seemingly predicted by quantum field
  1113. theory?  Is it really that huge?  If so, why doesn't it act like an
  1114. enormous cosmological constant? 
  1115.  
  1116. 9.  Why doesn't the flux of solar neutrinos agree with predictions?  Is the
  1117. disagreement really significant?  If so, is the discrepancy in models of
  1118. the sun, theories of nuclear physics, or theories of neutrinos?  Are
  1119. neutrinos really massless? 
  1120.  
  1121. The Big Question (TM)
  1122. ---------------------
  1123.  
  1124. This last question sits on the fence between the two categories above:
  1125.  
  1126.     How do you merge Quantum Mechanics and General Relativity to create a
  1127. quantum theory of gravity?  Is Einstein's theory of gravity (classical GR)
  1128. also correct in the microscopic limit, or are there modifications
  1129. possible/required which coincide in the observed limit(s)?  Is gravity
  1130. really curvature, or what else -- and why does it then look like curvature? 
  1131. An answer to this question will necessarily rely upon, and at the same time
  1132. likely be a large part of, the answers to many of the other questions above.
  1133.  
  1134. ********************************************************************************
  1135. END OF FAQ PART 3/4
  1136.  
  1137.  
  1138.