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 / part4 < prev   
Encoding:
Text File  |  1995-07-25  |  58.0 KB  |  1,112 lines

  1. Subject: Sci.Physics Frequently Asked Questions (4/4) - Particles/SR/Quantum
  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 14:58 PST
  5.  
  6. Archive-name: physics-faq/part4
  7. Last-modified: 31-MAY-1994
  8.  
  9. --------------------------------------------------------------------------------
  10.                FREQUENTLY ASKED QUESTIONS ON SCI.PHYSICS - Part 4/4
  11. --------------------------------------------------------------------------------
  12. Item 24. Special Relativistic Paradoxes - part (a) 
  13.  
  14. The Barn and the Pole                   updated 4-AUG-1992 by SIC
  15. ---------------------                   original by Robert Firth
  16.  
  17.     These are the props.  You own a barn, 40m long, with automatic
  18. doors at either end, that can be opened and closed simultaneously by a
  19. switch. You also have a pole, 80m long, which of course won't fit in the
  20. barn. 
  21.  
  22.     Now someone takes the pole and tries to run (at nearly the speed of
  23. light) through the barn with the pole horizontal.  Special Relativity (SR)
  24. says that a moving object is contracted in the direction of motion: this is
  25. called the Lorentz Contraction.  So, if the pole is set in motion
  26. lengthwise, then it will contract in the reference frame of a stationary
  27. observer. 
  28.  
  29.     You are that observer, sitting on the barn roof.  You see the pole
  30. coming towards you, and it has contracted to a bit less than 40m. So, as
  31. the pole passes through the barn, there is an instant when it is completely
  32. within the barn.  At that instant, you close both doors.  Of course, you
  33. open them again pretty quickly, but at least momentarily you had the
  34. contracted pole shut up in your barn.  The runner emerges from the far door
  35. unscathed. 
  36.  
  37.     But consider the problem from the point of view of the runner.  She
  38. will regard the pole as stationary, and the barn as approaching at high
  39. speed. In this reference frame, the pole is still 80m long, and the barn
  40. is less than 20 meters long.  Surely the runner is in trouble if the doors 
  41. close while she is inside.  The pole is sure to get caught. 
  42.  
  43.     Well does the pole get caught in the door or doesn't it?  You can't
  44. have it both ways.  This is the "Barn-pole paradox."  The answer is buried
  45. in the misuse of the word "simultaneously" back in the first sentence of
  46. the story.  In SR, that events separated in space that appear simultaneous
  47. in one frame of reference need not appear simultaneous in another frame of
  48. reference. The closing doors are two such separate events. 
  49.  
  50.     SR explains that the two doors are never closed at the same time in
  51. the runner's frame of reference.  So there is always room for the pole.  In
  52. fact, the Lorentz transformation for time is t'=(t-v*x/c^2)/sqrt(1-v^2/c^2).
  53. It's the v*x term in the numerator that causes the mischief here.  In the
  54. runner's frame the further event (larger x) happens earlier.  The far door 
  55. is closed first.  It opens before she gets there, and the near door closes 
  56. behind her. Safe again - either way you look at it, provided you remember 
  57. that simultaneity is not a constant of physics. 
  58.  
  59. References:  Taylor and Wheeler's _Spacetime Physics_ is the classic. 
  60. Feynman's _Lectures_ are interesting as well.
  61.  
  62. ********************************************************************************
  63. Item 24. Special Relativistic Paradoxes - part (b) 
  64.  
  65. The Twin Paradox                                updated 04-MAR-1994 by SIC
  66. ----------------                                original by Kurt Sonnenmoser
  67.  
  68. A Short Story about Space Travel:
  69.  
  70.     Two twins, conveniently named A and B, both know the rules of
  71. Special Relativity.  One of them, B, decides to travel out into space with
  72. a velocity near the speed of light for a time T, after which she returns to
  73. Earth. Meanwhile, her boring sister A sits at home posting to Usenet all
  74. day.  When B finally comes home, what do the two sisters find?  Special
  75. Relativity (SR) tells A that time was slowed down for the relativistic
  76. sister, B, so that upon her return to Earth, she knows that B will be
  77. younger than she is, which she suspects was the the ulterior motive of the
  78. trip from the start. 
  79.  
  80.     But B sees things differently.  She took the trip just to get away 
  81. from the conspiracy theorists on Usenet, knowing full well that from her 
  82. point of view, sitting in the spaceship, it would be her sister, A, who 
  83. was travelling ultrarelativistically for the whole time, so that she would 
  84. arrive home to find that A was much younger than she was.  Unfortunate, but 
  85. worth it just to get away for a while. 
  86.  
  87.     What are we to conclude?  Which twin is really younger?  How can SR
  88. give two answers to the same question?  How do we avoid this apparent
  89. paradox? Maybe twinning is not allowed in SR?  Read on. 
  90.  
  91. Paradox Resolved:
  92.  
  93.     Much of the confusion surrounding the so-called Twin Paradox
  94. originates from the attempts to put the two twins into different frames ---
  95. without the useful concept of the proper time of a moving body. 
  96.  
  97.     SR offers a conceptually very clear treatment of this problem.
  98. First chose _one_ specific inertial frame of reference; let's call it S.
  99. Second define the paths that A and B take, their so-called world lines. As
  100. an example, take (ct,0,0,0) as representing the world line of A, and
  101. (ct,f(t),0,0) as representing the world line of B (assuming that the the
  102. rest frame of the Earth was inertial). The meaning of the above notation is
  103. that at time t, A is at the spatial location (x1,x2,x3)=(0,0,0) and B is at
  104. (x1,x2,x3)=(f(t),0,0) --- always with respect to S. 
  105.  
  106.     Let us now assume that A and B are at the same place at the time t1
  107. and again at a later time t2, and that they both carry high-quality clocks
  108. which indicate zero at time t1. High quality in this context means that the
  109. precision of the clock is independent of acceleration. [In principle, a
  110. bunch of muons provides such a device (unit of time: half-life of their
  111. decay).] 
  112.  
  113.     The correct expression for the time T such a clock will indicate at
  114. time t2 is the following [the second form is slightly less general than the
  115. first, but it's the good one for actual calculations]: 
  116.  
  117.             t2          t2      _______________ 
  118.             /           /      /             2 |
  119.       T  =  | d\tau  =  | dt \/  1 - [v(t)/c]              (1)
  120.             /           /
  121.           t1          t1
  122.  
  123. where d\tau is the so-called proper-time interval, defined by
  124.  
  125.               2         2      2      2      2
  126.      (c d\tau)  = (c dt)  - dx1  - dx2  - dx3 .
  127.  
  128. Furthermore,
  129.                    d                          d
  130.            v(t) = -- (x1(t), x2(t), x3(t)) = -- x(t)
  131.                   dt                         dt
  132.  
  133. is the velocity vector of the moving object. The physical interpretation
  134. of the proper-time interval, namely that it is the amount the clock time
  135. will advance if the clock moves by dx during dt, arises from considering
  136. the inertial frame in which the clock is at rest at time t --- its
  137. so-called momentary rest frame (see the literature cited below). [Notice
  138. that this argument is only of heuristic value, since one has to assume
  139. that the absolute value of the acceleration has no effect. The ultimate
  140. justification of this interpretation must come from experiment.]
  141.  
  142.     The integral in (1) can be difficult to evaluate, but certain
  143. important facts are immediately obvious. If the object is at rest with
  144. respect to S, one trivially obtains T = t2-t1. In all other cases, T must
  145. be strictly smaller than t2-t1, since the integrand is always less than or
  146. equal to unity. Conclusion: the traveling twin is younger. Furthermore, if
  147. she moves with constant velocity v most of the time (periods of
  148. acceleration short compared to the duration of the whole trip), T will
  149. approximately be given by      ____________                              
  150.                               /          2 | 
  151.                     (t2-t1) \/  1 - [v/c]    .             (2)
  152.  
  153. The last expression is exact for a round trip (e.g. a circle) with constant
  154. velocity v. [At the times t1 and t2, twin B flies past twin A and they
  155. compare their clocks.] 
  156.  
  157.     Now the big deal with SR, in the present context, is that T (or
  158. d\tau, respectively) is a so-called Lorentz scalar. In other words, its
  159. value does not depend on the choice of S. If we Lorentz transform the
  160. coordinates of the world lines of the twins to another inertial frame S',
  161. we will get the same result for T in S' as in S. This is a mathematical
  162. fact. It shows that the situation of the traveling twins cannot possibly
  163. lead to a paradox _within_ the framework of SR. It could at most be in
  164. conflict with experimental results, which is also not the case. 
  165.  
  166.     Of course the situation of the two twins is not symmetric, although
  167. one might be tempted by expression (2) to think the opposite. Twin A is
  168. at rest in one and the same inertial frame for all times, whereas twin B
  169. is not.  [Formula (1) does not hold in an accelerated frame.]  This breaks 
  170. the apparent symmetry of the two situations, and provides the clearest
  171. nonmathematical hint that one twin will in fact be younger than the other
  172. at the end of the trip.  To figure out *which* twin is the younger one, use
  173. the formulae above in a frame in which they are valid, and you will find
  174. that B is in fact younger, despite her expectations. 
  175.  
  176.     It is sometimes claimed that one has to resort to General
  177. Relativity in order to "resolve" the Twin "Paradox". This is not true. In
  178. flat, or nearly flat, space-time (no strong gravity), SR is completely
  179. sufficient, and it has also no problem with world lines corresponding to
  180. accelerated motion. 
  181.  
  182. References: 
  183.         Taylor and Wheeler, _Spacetime Physics_  (An *excellent* discussion)
  184.         Goldstein, _Classical Mechanics_, 2nd edition, Chap.7 (for a good 
  185.         general discussion of Lorentz transformations and other SR basics.) 
  186.  
  187. ********************************************************************************
  188. Item 24. Special Relativistic Paradoxes - part (c) 
  189.  
  190. The Superluminal Scissors                           updated 31-MAR-1993 
  191. -------------------------                           original by Scott I.Chase
  192.  
  193.  
  194.     A Gedankenexperiment:
  195.  
  196.     Imagine a huge pair of scissors, with blades one light-year long.
  197. The handle is only about two feet long, creating a huge lever arm,
  198. initially open by a few degrees.  Then you suddenly close the scissors. 
  199. This action takes about a tenth of a second.  Doesn't the contact point
  200. where the two blades touch move down the blades *much* faster than the
  201. speed of light? After all, the scissors close in a tenth of a second, but
  202. the blades are a light-year long.  That seems to mean that the contact
  203. point has moved down the blades at the remarkable speed of 10 light-years
  204. per second.  This is more than 10^8 times the speed of light!  But this
  205. seems to violate the most important rule of Special Relativity - no signal
  206. can travel faster than the speed of light.  What's going on here? 
  207.  
  208.     Explanation:
  209.  
  210.     We have mistakenly assumed that the scissors do in fact close when
  211. you close the handle.  But, in fact, according to Special Relativity, this
  212. is not at all what happens.  What *does* happen is that the blades of the
  213. scissors flex.  No matter what material you use for the scissors, SR sets a
  214. theoretical upper limit to the rigidity of the material.  In short, when
  215. you close the scissors, they bend. 
  216.  
  217.     The point at which the blades bend propagates down the blade at
  218. some speed less than the speed of light.  On the near side of this point,
  219. the scissors are closed.  On the far side of this point, the scissors
  220. remain open.  You have, in fact, sent a kind of wave down the scissors,
  221. carrying the information that the scissors have been closed.  But this wave
  222. does not travel faster than the speed of light.  It will take at least one
  223. year for the tips of the blades, at the far end of the scissors, to feel
  224. any force whatsoever, and, ultimately, to come together to completely close
  225. the scissors. 
  226.  
  227.     As a practical matter, this theoretical upper limit to the rigidity
  228. of the metal in the scissors is *far* higher than the rigidity of any real
  229. material, so it would, in practice, take much much longer to close a real
  230. pair of metal scissors with blades as long as these. 
  231.  
  232.     One can analyze this problem microscopically as well.  The
  233. electromagnetic force which binds the atoms of the scissors together
  234. propagates at the speeds of light. So if you displace some set of atoms in
  235. the scissor (such as the entire handles), the force will not propagate down
  236. the scissor instantaneously, This means that a scissor this big *must*
  237. cease to act as a rigid body. You can move parts of it without other parts
  238. moving at the same time. It takes some finite time for the changing forces
  239. on the scissor to propagate from atom to atom, letting the far tip of the
  240. blades "know" that the scissors have been closed. 
  241.  
  242.     Caveat:
  243.  
  244.     The contact point where the two blades meet is not a physical
  245. object.  So there is no fundamental reason why it could not move faster
  246. than the speed of light, provided that you arrange your experiment correctly.
  247. In fact it can be done with scissors provided that your scissors are short
  248. enough and wide open to start, very different conditions than those spelled
  249. out in the gedankenexperiment above.  In this case it will take you quite
  250. a while to bring the blades together - more than enough time for light to
  251. travel to the tips of the scissors.  When the blades finally come together,
  252. if they have the right shape, the contact point can indeed move faster
  253. than light.  
  254.  
  255.     Think about the simpler case of two rulers pinned together at an 
  256. edge point at the ends.  Slam the two rulers together and the contact point
  257. will move infinitely fast to the far end of the rulers at the instant
  258. they touch.  So long as the rulers are short enough that contact does not
  259. happen until the signal propagates to the far ends of the rulers, the 
  260. rulers will indeed be straight when they meet.  Only if the rulers are
  261. too long will they be bent like our very long scissors, above, when they
  262. touch.  The contact point can move faster than the speed of light, but
  263. the energy (or signal) of the closing force can not.
  264.  
  265.     An analogy, equivalent in terms of information content, is, say, a 
  266. line of strobe lights.  You want to light them up one at a time, so that 
  267. the `bright' spot travels faster than light.  To do so, you can send a 
  268. _luminal_ signal down the line, telling each strobe light to wait a 
  269. little while before flashing.  If you decrease the wait time with
  270. each successive strobe light, the apparent bright spot will travel faster
  271. than light, since the strobes on the end didn't wait as long after getting
  272. the go-ahead, as did the ones at the beginning.  But the bright spot
  273. can't pass the original signal, because then the strobe lights wouldn't
  274. know to flash.
  275.  
  276. ********************************************************************************
  277. Item 25.
  278.  
  279. TOP QUARK                                      updated: 26-APR-1994 by SIC
  280. ---------                                      original by Scott I. Chase
  281.  
  282.     The top quark is the hypothetical sixth fundamental strongly
  283. interacting particle (quark).  The known quarks are up (u), down (d),
  284. strange (s), charm (c) and  bottom (b).  The Standard Model requires quarks
  285. to come in pairs in order to prevent mathematical inconsistency due to
  286. certain "anomalous" Feynman diagrams, which cancel if and only if the
  287. quarks are paired.  The pairs are (d,u),(s,c) and (b,?).  The missing
  288. partner of the b is called "top". 
  289.  
  290.     In addition, there is experimental evidence that the b quark has an
  291. "isodoublet" partner, which is so far unseen.  The forward-backward
  292. asymmetry in the reaction e+ + e- -> b + b-bar and the absence of
  293. flavor-changing neutral currents in b decays imply the existence of the
  294. isodoublet partner of the b. ("b-bar", pronounced "bee bar", signifies the
  295. b antiquark.) 
  296.  
  297.     The mass of the top quark is restricted by a variety of
  298. measurements. Due to radiative corrections which depend on the top quark
  299. circulating as a virtual particle inside the loop in the Feynman diagram,
  300. a number of experimentally accessible processes depend on the top quark 
  301. mass.  There are about a dozen such measurements which have been made so 
  302. far, including the width of the Z, b-b-bar mixing (which historically gave 
  303. the first hints that the top quark was very massive), and certain aspects 
  304. of muon decay.  These results collectively limit the top mass to roughly 
  305. 170 +/- 20 GeV.  This uncertainty is a "1-sigma" error bar, and is dominated
  306. by recent LEP results on the Z width and line shape.  (Estimates based
  307. on pre-LEP data had been somewhat lower, roughly 145 +/- 25 GeV) 
  308.  
  309.     Direct searches for the top quark have been performed, looking for
  310. the expected decay products in both p-p-bar and e+e- collisions.  The best
  311. current results on the top mass are: 
  312.  
  313.         (1) From the absence of Z -> t + t-bar, M(t) > M(Z)/2 = 45 GeV. 
  314. This is a "model independent" result, depending only on the fact that the
  315. top quark should be weakly interacting, coupling to the Z with sufficient
  316. strength to have been detected at the current resolution of the LEP
  317. experiments which have cornered the market on Z physics in the last several
  318. years. 
  319.         (2) From the absence of top quark decay products in the reaction p
  320. + p-bar -> t + t-bar -> hard leptons + X at Fermilab's Tevatron collider,
  321. the CDF (Collider Detector at Fermilab) and D0 experiments.  Each top quark 
  322. is expect to decay into a W boson and a b quark.  Each W subsequently decays
  323. into either a charged lepton and a neutrino or two quarks.  The cleanest
  324. signature for the production and decay of the t-t-bar pair is the presence
  325. of two high-transverse-momentum (high Pt) leptons (electron or muon) in the 
  326. final state.  Other decay modes have higher branching ratios, but have 
  327. serious experimental backgrounds from W bosons produced in association with 
  328. jets.  The current published lower limit on M(t) from such measurements is 
  329. 131 GeV (95% confidence), from D0.  However, this limit assumes that the 
  330. top quark has the expected decay products in the expected branching ratios, 
  331. making these limits "model dependent," and consequently not as "hard" as 
  332. the considerably lower LEP limit of ~45 GeV.  
  333.  
  334.     (3) CDF has announced new results which, though they fall short
  335. of a "discovery," consistute "evidence for" a top quark.  They have 12 
  336. events, of which about 6 are background, which have the expected 
  337. characteristics for top quark decay products in in the final state.  
  338. The statistical significance of these results is 2.8 sigma, which is 
  339. marginal.  They expect 4-5 times more data to be acquired in 1994-5.
  340. On the assumption that their excess signal is due to top quark decays,
  341. they calculate a top quark mass of 174+/-10+13-12 GeV.
  342.  
  343.     The future is very bright for studying the top quark.  LEP II, the
  344. upgrade of CERN's e+e- collider to E >= 2*Mw = 160 GeV by 1995, will allow
  345. a hard lower limit of roughly 90 GeV to be set.  Meanwhile, upgrades to
  346. CDF and D0 and upgrades to the accelerator complex at Fermilab have recently 
  347. allowed higher event rates and better detector resolution, should allow 
  348. production of standard model top quarks in the expected mass range in the 
  349. next two years, at high enough event rate to identify the decays and give 
  350. rough mass measurements, finally confirming beyond doubt the existence
  351. of the sixth, and possibly last, quark.  
  352.  
  353. References: Phys. Rev. Lett. _68_, 447  (1992) and the references therein. 
  354.             Phys. Rev. Lett. _72_, 2138 (1994)
  355.             Fermilab preprint, number FERMILAB-PUB-94/097-E.
  356.  
  357. ********************************************************************************
  358. Item 26.
  359.  
  360. Tachyons                                        updated: 22-MAR-1993 by SIC
  361. --------                                        original by Scott I. Chase
  362.  
  363.                 There was a young lady named Bright,
  364.                 Whose speed was far faster than light.
  365.                 She went out one day,
  366.                 In a relative way,
  367.                 And returned the previous night!
  368.  
  369.                         -Reginald Buller
  370.  
  371.  
  372.     It is a well known fact that nothing can travel faster than the
  373. speed of light. At best, a massless particle travels at the speed of light.
  374. But is this really true?  In 1962, Bilaniuk, Deshpande, and Sudarshan, Am.
  375. J. Phys. _30_, 718 (1962), said "no".  A very readable paper is Bilaniuk
  376. and Sudarshan, Phys. Today _22_,43 (1969).  I give here a brief overview. 
  377.  
  378.     Draw a graph, with momentum (p) on the x-axis, and energy (E) on
  379. the y-axis.  Then draw the "light cone", two lines with the equations E =
  380. +/- p. This divides our 1+1 dimensional space-time into two regions.  Above
  381. and below are the "timelike" quadrants, and to the left and right are the
  382. "spacelike" quadrants. 
  383.  
  384.     Now the fundamental fact of relativity is that E^2 - p^2 = m^2. 
  385. (Let's take c=1 for the rest of the discussion.)  For any non-zero value of 
  386. m (mass), this is an hyperbola with branches in the timelike regions.  It 
  387. passes through the point (p,E) = (0,m), where the particle is at rest.  Any 
  388. particle with mass m is constrained to move on the upper branch of this 
  389. hyperbola.  (Otherwise, it is "off-shell", a term you hear in association
  390. with virtual particles - but that's another topic.) For massless particles, 
  391. E^2 = p^2, and the particle moves on the light-cone. 
  392.  
  393.     These two cases are given the names tardyon (or bradyon in more
  394. modern usage) and luxon, for "slow particle" and "light particle".  Tachyon
  395. is the name given to the supposed "fast particle" which would move with v>c. 
  396.  
  397.     Now another familiar relativistic equation is E =
  398. m*[1-(v/c)^2]^(-.5).  Tachyons (if they exist) have v > c.  This means that 
  399. E is imaginary!  Well, what if we take the rest mass m, and take it to be
  400. imaginary?  Then E is negative real, and E^2 - p^2 = m^2 < 0.  Or, p^2 -
  401. E^2 = M^2, where M is real.  This is a hyperbola with branches in the
  402. spacelike region of spacetime.  The energy and momentum of a tachyon must
  403. satisfy this relation.
  404.  
  405.     You can now deduce many interesting properties of tachyons.  For
  406. example, they accelerate (p goes up) if they lose energy (E goes down).
  407. Futhermore, a zero-energy tachyon is "transcendent," or infinitely fast.
  408. This has profound consequences.  For example, let's say that there were
  409. electrically charged tachyons.  Since they would move faster than the speed 
  410. of light in the vacuum, they should produce Cerenkov radiation. This would 
  411. *lower* their energy, causing them to accelerate more!  In other words, 
  412. charged tachyons would probably lead to a runaway reaction releasing an 
  413. arbitrarily large amount of energy.  This suggests that coming up with a 
  414. sensible theory of anything except free (noninteracting) tachyons is likely 
  415. to be difficult.  Heuristically, the problem is that we can get spontaneous 
  416. creation of tachyon-antitachyon pairs, then do a runaway reaction, making 
  417. the vacuum unstable.  To treat this precisely requires quantum field theory, 
  418. which gets complicated.  It is not easy to summarize results here.  However,
  419. one reasonably modern reference is _Tachyons, Monopoles, and Related
  420. Topics_, E. Recami, ed. (North-Holland, Amsterdam, 1978).
  421.  
  422.     However, tachyons are not entirely invisible.  You can imagine that
  423. you might produce them in some exotic nuclear reaction.  If they are
  424. charged, you could "see" them by detecting the Cerenkov light they produce
  425. as they speed away faster and faster.  Such experiments have been done.  So
  426. far, no tachyons have been found.  Even neutral tachyons can scatter off
  427. normal matter with experimentally observable consequences.  Again, no such
  428. tachyons have been found. 
  429.  
  430.     How about using tachyons to transmit information faster than the
  431. speed of light, in violation of Special Relativity?  It's worth noting 
  432. that when one considers the relativistic quantum mechanics of tachyons, the 
  433. question of whether they "really" go faster than the speed of light becomes 
  434. much more touchy!  In this framework, tachyons are *waves* that satisfy a
  435. wave equation.  Let's treat free tachyons of spin zero, for simplicity.   
  436. We'll set c = 1 to keep things less messy.  The wavefunction of a single 
  437. such tachyon can be expected to satisfy the usual equation for spin-zero 
  438. particles, the Klein-Gordon equation:
  439.  
  440.                 (BOX + m^2)phi = 0
  441.  
  442. where BOX is the D'Alembertian, which in 3+1 dimensions is just
  443.  
  444.                 BOX = (d/dt)^2 - (d/dx)^2 - (d/dy)^2 - (d/dz)^2.
  445.  
  446. The difference with tachyons is that m^2 is *negative*, and m is
  447. imaginary.
  448.  
  449. To simplify the math a bit, let's work in 1+1 dimensions, with
  450. coordinates x and t, so that
  451.  
  452.                 BOX = (d/dt)^2 - (d/dx)^2
  453.  
  454. Everything we'll say generalizes to the real-world 3+1-dimensional case.
  455. Now - regardless of m, any solution is a linear combination, or
  456. superposition, of solutions of the form
  457.  
  458.                 phi(t,x) = exp(-iEt + ipx)
  459.  
  460. where E^2 - p^2 = m^2.  When m^2 is negative there are two essentially
  461. different cases.  Either |p| >= |E|, in which case E is real and
  462. we get solutions that look like waves whose crests move along at the
  463. rate |p|/|E| >= 1, i.e., no slower than the speed of light.  Or |p| <
  464. |E|, in which case E is imaginary and we get solutions that look waves
  465. that amplify exponentially as time passes!
  466.  
  467. We can decide as we please whether or not we want to consider the second
  468. sort of solutions.   They seem weird, but then the whole business is
  469. weird, after all.
  470.  
  471. 1)    If we *do* permit the second sort of solution, we can solve the
  472. Klein-Gordon equation with any reasonable initial data - that is, any
  473. reasonable values of phi and its first time derivative at t = 0.  (For
  474. the precise definition of "reasonable," consult your local
  475. mathematician.)  This is typical of wave equations.  And, also typical
  476. of wave equations, we can prove the following thing: If the solution phi
  477. and its time derivative are zero outside the interval [-L,L] when t = 0,
  478. they will be zero outside the interval [-L-|t|, L+|t|] at any time t.
  479. In other words, localized disturbances do not spread with speed faster
  480. than the speed of light!  This seems to go against our notion that
  481. tachyons move faster than the speed of light, but it's a mathematical
  482. fact, known as "unit propagation velocity".
  483.  
  484. 2)    If we *don't* permit the second sort of solution, we can't solve the
  485. Klein-Gordon equation for all reasonable initial data, but only for initial
  486. data whose Fourier transforms vanish in the interval [-|m|,|m|].  By the
  487. Paley-Wiener theorem this has an odd consequence: it becomes
  488. impossible to solve the equation for initial data that vanish outside
  489. some interval [-L,L]!  In other words, we can no longer "localize" our
  490. tachyon in any bounded region in the first place, so it becomes
  491. impossible to decide whether or not there is "unit propagation
  492. velocity" in the precise sense of part 1).    Of course, the crests of
  493. the waves exp(-iEt + ipx) move faster than the speed of light, but these
  494. waves were never localized in the first place!
  495.  
  496.     The bottom line is that you can't use tachyons to send information 
  497. faster than the speed of light from one place to another.  Doing so would 
  498. require creating a message encoded some way in a localized tachyon field,
  499. and sending it off at superluminal speed toward the intended receiver. But 
  500. as we have seen you can't have it both ways - localized tachyon disturbances 
  501. are subluminal and superluminal disturbances are nonlocal.
  502.  
  503. ********************************************************************************
  504. Item 27.
  505.  
  506. The Particle Zoo                                updated 9-OCT-1992 by SIC
  507. ----------------                                original by Matt Austern
  508.  
  509.     If you look in the Particle Data Book, you will find more than 150
  510. particles listed there.  It isn't quite as bad as that, though... 
  511.  
  512.     The particles are in three categories: leptons, mesons, and
  513. baryons. Leptons are particles that are like the electron: they are
  514. spin-1/2, and they do not undergo the strong interaction.  There are three
  515. charged leptons, the electron, muon, and tau, and three neutral leptons, or
  516. neutrinos.  (The muon and the tau are both short-lived.) 
  517.  
  518.     Mesons and baryons both undergo strong interactions.  The
  519. difference is that mesons have integral spin (0, 1,...), while baryons have
  520. half-integral spin (1/2, 3/2,...).  The most familiar baryons are the
  521. proton and the neutron; all others are short-lived.  The most familiar
  522. meson is the pion; its lifetime is 26 nanoseconds, and all other mesons
  523. decay even faster. 
  524.  
  525.     Most of those 150+ particles are mesons and baryons, or,
  526. collectively, hadrons.  The situation was enormously simplified in the
  527. 1960s by the "quark model," which says that hadrons are made out of
  528. spin-1/2 particles called quarks.  A meson, in this model, is made out of a
  529. quark and an anti-quark, and a baryon is made out of three quarks.  We
  530. don't see free quarks (they are bound together too tightly), but only
  531. hadrons; nevertheless, the evidence for quarks is compelling. Quark masses 
  532. are not very well defined, since they are not free particles, but we can 
  533. give estimates.  The masses below are in GeV; the first is current mass 
  534. and the second constituent mass (which includes some of the effects of the 
  535. binding energy):
  536.  
  537.       Generation:       1             2            3
  538.       U-like:     u=.006/.311   c=1.50/1.65   t=91-200/91-200
  539.       D-like:     d=.010/.315   s=.200/.500   b=5.10/5.10
  540.  
  541.     In the quark model, there are only 12 elementary particles, which
  542. appear in three "generations."  The first generation consists of the up
  543. quark, the down quark, the electron, and the electron neutrino. (Each of
  544. these also has an associated antiparticle.)  These particles make up all of
  545. the ordinary matter we see around us.  There are two other generations,
  546. which are essentially the same, but with heavier particles.  The second
  547. consists of the charm quark, the strange quark, the muon, and the muon
  548. neutrino; and the third consists of the top quark, the bottom quark, the
  549. tau, and the tau neutrino.  (The top has not been directly observed; see
  550. the "Top Quark" FAQ entry for details.)  These three generations are 
  551. sometimes called the "electron family", the "muon family", and the "tau 
  552. family." 
  553.  
  554.     Finally, according to quantum field theory, particles interact by
  555. exchanging "gauge bosons," which are also particles.  The most familiar on
  556. is the photon, which is responsible for electromagnetic interactions. 
  557. There are also eight gluons, which are responsible for strong interactions,
  558. and the W+, W-, and Z, which are responsible for weak interactions. 
  559.  
  560. The picture, then, is this:
  561.  
  562.                 FUNDAMENTAL PARTICLES OF MATTER
  563.   Charge        -------------------------
  564.     -1          |  e    |  mu   |  tau  |
  565.      0          | nu(e) |nu(mu) |nu(tau)|
  566.                 -------------------------       + antiparticles
  567.    -1/3         | down  |strange|bottom |
  568.     2/3         |  up   | charm |  top  |
  569.                 -------------------------
  570.  
  571.                         GAUGE BOSONS
  572.   Charge                                                Force
  573.      0                  photon                          electromagnetism
  574.      0                  gluons (8 of them)              strong force
  575.     +-1                 W+ and W-                       weak force
  576.      0                  Z                               weak force
  577.  
  578.     The Standard Model of particle physics also predicts the
  579. existence of a "Higgs boson," which has to do with breaking a symmetry
  580. involving these forces, and which is responsible for the masses of all the
  581. other particles.  It has not yet been found.  More complicated theories
  582. predict additional particles, including, for example, gauginos and sleptons
  583. and squarks (from supersymmetry), W' and Z' (additional weak bosons), X and
  584. Y bosons (from GUT theories), Majorons, familons, axions, paraleptons,
  585. ortholeptons, technipions (from technicolor models), B' (hadrons with
  586. fourth generation quarks), magnetic monopoles, e* (excited leptons), etc. 
  587. None of these "exotica" have yet been seen.  The search is on! 
  588.  
  589. REFERENCES:
  590.  
  591.     The best reference for information on which particles exist, their
  592. masses, etc., is the Particle Data Book.  It is published every two years;
  593. the most recent edition is Physical Review D Vol.45 No.11 (1992). 
  594.  
  595.     There are several good books that discuss particle physics on a
  596. level accessible to anyone who knows a bit of quantum mechanics.  One is
  597. _Introduction to High Energy Physics_, by Perkins.  Another, which takes a
  598. more historical approach and includes many original papers, is
  599. _Experimental Foundations of Particle Physics_, by Cahn and Goldhaber. 
  600.  
  601.     For a book that is accessible to non-physicists, you could try _The
  602. Particle Explosion_ by Close, Sutton, and Marten.  This book has fantastic
  603. photography. 
  604.  
  605. ********************************************************************************
  606. Item 28.                                         original by Scott I. Chase
  607.  
  608. Does Antimatter Fall Up or Down?
  609. --------------------------------
  610.  
  611. This question has never been subject to a successful direct experiment. 
  612. In other words, nobody has ever directly measured the gravititational 
  613. acceleration of antimatter.  So the bottom line is that we don't know yet.  
  614. However, there is a lot more to say than just that, with regard to both
  615. theory and experiment.  Here is a summary of the current state of affairs.
  616.  
  617. (1) Is is even theoretically possible for antimatter to fall up?
  618.  
  619. Answer: According to GR, antimatter falls down.
  620.  
  621. If you believe that General Relativity is the exact true theory of 
  622. gravity, then there is only one possible conclusion - by the equivalence
  623. principle, antiparticles must fall down with the same acceleration as 
  624. normal matter.
  625.  
  626. On the other hand: there are other models of gravity which are not ruled out 
  627. by direct experiment which are distinct from GR in that antiparticles can 
  628. fall down at different rates than normal matter, or even fall up, due to 
  629. additional forces which couple to the mass of the particle in ways which are 
  630. different than GR.  Some people don't like to call these new couplings 
  631. 'gravity.'  They call them, generically, the 'fifth force,' defining gravity 
  632. to be only the GR part of the force.  But this is mostly a semantic 
  633. distinction.  The bottom line is that antiparticles won't fall like normal 
  634. particles if one of these models is correct.  
  635.  
  636. There are also a variety of arguments, based upon different aspects of 
  637. physics, against the possibility of antigravity.  These include constraints
  638. imposed by conservation of energy (the "Morrison argument"), the detectable 
  639. effects of virtual antiparticles (the "Schiff argument"), and the absense
  640. of gravitational effect in kaon regeneration experiments.  Each of these
  641. does in fact rule out *some* models of antigravity.  But none of them 
  642. absolutely excludes all possible models of antigravity.  See the reference
  643. below for all the details on these issues.
  644.  
  645. (2) Haven't people done experiments to study this question?
  646.  
  647. There are no valid *direct* experimental tests of whether antiparticles
  648. fall up or down.  There was one well-known experiment by Fairbank at 
  649. Stanford in which he tried to measure the fall of positrons.  He found that
  650. they fell normally, but later analyses of his experiment revealed that
  651. he had not accounted for all the sources of stray electromagnetic fields.
  652. Because gravity is so much weaker than EM, this is a difficult experimental
  653. problem.  A modern assessment of the Fairbank experiment is that it was
  654. inconclusive.  
  655.  
  656. In order to reduce the effect of gravity, it would be nice to repeat the
  657. Fairbank experiment using objects with the same magnitude of electric 
  658. charge as positrons, but with much more mass, to increase the relative
  659. effect of gravity on the motion of the particle.  Antiprotons are 1836
  660. times more massive than positrons, so give you three orders of magnitude
  661. more sensitivity.  Unfortunately, making many slow antiprotons which you
  662. can watch fall is very difficult.  An experiment is under development
  663. at CERN right now to do just that, and within the next couple of years
  664. the results should be known.
  665.  
  666. Most people expect that antiprotons *will* fall.  But it is important
  667. to keep an open mind - we have never directly observed the effect of 
  668. gravity on antiparticles.  This experiment, if successful, will definitely
  669. be "one for the textbooks."
  670.  
  671. Reference: Nieto and Goldman, "The Arguments Against 'Antigravity' and 
  672. the Gravitational Acceleration of Antimatter,"  Physics Reports, v.205,
  673. No. 5, p.221.
  674.  
  675. ********************************************************************************
  676. Item 29.
  677.  
  678. What is the Mass of a Photon?                   updated 24-JUL-1992 by SIC
  679.                                                 original by Matt Austern
  680.  
  681. Or, "Does the mass of an object depend on its velocity?"
  682.  
  683.     This question usually comes up in the context of wondering whether
  684. photons are really "massless," since, after all, they have nonzero energy. 
  685. The problem is simply that people are using two different definitions of
  686. mass.  The overwhelming consensus among physicists today is to say that 
  687. photons are massless.  However, it is possible to assign a "relativistic 
  688. mass" to a photon which depends upon its wavelength.  This is based upon 
  689. an old usage of the word "mass" which, though not strictly wrong, is not 
  690. used much today.
  691.  
  692.     The old definition of mass, called "relativistic mass," assigns
  693. a mass to a particle proportional to its total energy E, and involved
  694. the speed of light, c, in the proportionality constant:
  695.  
  696.                 m = E / c^2.                                        (1) 
  697.  
  698. This definition gives every object a velocity-dependent mass.
  699.  
  700.     The modern definition assigns every object just one mass, an 
  701. invariant quantity that does not depend on velocity.  This is given by
  702.  
  703.                 m = E_0 / c^2,                                      (2)
  704.  
  705. where E_0 is the total energy of that object at rest.  
  706.  
  707.     The first definition is often used in popularizations, and in some
  708. elementary textbooks.  It was once used by practicing physicists, but for
  709. the last few decades, the vast majority of physicists have instead used the
  710. second definition.  Sometimes people will use the phrase "rest mass," or
  711. "invariant mass," but this is just for emphasis: mass is mass.  The
  712. "relativistic mass" is never used at all.  (If you see "relativistic mass"
  713. in your first-year physics textbook, complain! There is no reason for books
  714. to teach obsolete terminology.) 
  715.  
  716.     Note, by the way, that using the standard definition of mass, the
  717. one given by Eq. (2), the equation "E = m c^2" is *not* correct.  Using the
  718. standard definition, the relation between the mass and energy of an object
  719. can be written as 
  720.  
  721.                 E   = m c^2 / sqrt(1 -v^2/c^2),                     (3) 
  722. or as
  723.  
  724.                 E^2 = m^2 c^4  +  p^2 c^2,                          (4)
  725.  
  726. where v is the object's velocity, and p is its momentum.
  727.  
  728.     In one sense, any definition is just a matter of convention.  In
  729. practice, though, physicists now use this definition because it is much
  730. more convenient.  The "relativistic mass" of an object is really just the
  731. same as its energy, and there isn't any reason to have another word for
  732. energy: "energy" is a perfectly good word.  The mass of an object, though,
  733. is a fundamental and invariant property, and one for which we do need a
  734. word. 
  735.  
  736.     The "relativistic mass" is also sometimes confusing because it
  737. mistakenly leads people to think that they can just use it in the Newtonian
  738. relations 
  739.                 F = m a                                             (5) 
  740. and
  741.                 F = G m1 m2 / r^2.                                  (6)
  742.  
  743. In fact, though, there is no definition of mass for which these
  744. equations are true relativistically: they must be generalized.  The
  745. generalizations are more straightforward using the standard definition
  746. of mass than using "relativistic mass."
  747.  
  748.     Oh, and back to photons: people sometimes wonder whether it makes
  749. sense to talk about the "rest mass" of a particle that can never be at
  750. rest.  The answer, again, is that "rest mass" is really a misnomer, and it
  751. is not necessary for a particle to be at rest for the concept of mass to
  752. make sense.  Technically, it is the invariant length of the particle's
  753. four-momentum.  (You can see this from Eq. (4).)  For all photons this is
  754. zero. On the other hand, the "relativistic mass" of photons is frequency
  755. dependent. UV photons are more energetic than visible photons, and so are
  756. more "massive" in this sense, a statement which obscures more than it
  757. elucidates. 
  758.  
  759.     Reference: Lev Okun wrote a nice article on this subject in the 
  760. June 1989 issue of Physics Today, which includes a historical discussion 
  761. of the concept of mass in relativistic physics. 
  762.  
  763. ********************************************************************************
  764. Item 30.                                           original by David Brahm
  765.  
  766. Baryogenesis - Why Are There More Protons Than Antiprotons?
  767. -----------------------------------------------------------
  768.  
  769. (I) How do we really *know* that the universe is not matter-antimatter 
  770. symmetric?  
  771.  
  772. (a) The Moon:  Neil Armstrong did not annihilate, therefore the moon
  773. is made of matter.
  774. (b) The Sun:  Solar cosmic rays are matter, not antimatter.
  775. (c) The other Planets:  We have sent probes to almost all.  Their survival 
  776. demonstrates that the solar system is made of matter.
  777. (d) The Milky Way:  Cosmic rays sample material from the entire galaxy.
  778. In cosmic rays, protons outnumber antiprotons 10^4 to 1.
  779. (e) The Universe at large: This is tougher.  If there were antimatter
  780. galaxies then we should see gamma emissions from annihilation.  Its absence
  781. is strong evidence that at least the nearby clusters of galaxies (e.g., Virgo)
  782. are matter-dominated.  At larger scales there is little proof.
  783.     However,  there is a problem, called the "annihilation catastrophe"
  784. which probably eliminates the possibility of a matter-antimatter symmetric
  785. universe.  Essentially, causality prevents the separation of large chucks
  786. of antimatter from matter fast enough to prevent their mutual annihilation
  787. in in the early universe.  So the Universe is most likely matter dominated.
  788.  
  789. (II) How did it get that way?  
  790.  
  791.     Annihilation has made the asymmetry much greater today than in the
  792. early universe.  At the high temperature of the first microsecond, there 
  793. were large numbers of thermal quark-antiquark pairs.  K&T estimate 30 
  794. million antiquarks for every 30 million and 1 quarks during this epoch.  
  795. That's a tiny asymmetry.  Over time most of the antimatter has annihilated 
  796. with matter, leaving the very small initial excess of matter to dominate 
  797. the Universe.
  798.  
  799.     Here are a few possibilities for why we are matter dominated today:
  800.  
  801. a) The Universe just started that way.
  802.    Not only is this a rather sterile hypothesis, but it doesn't work under
  803.    the popular "inflation" theories, which dilute any initial abundances.
  804. b) Baryogenesis occurred around the Grand Unified (GUT) scale (very early).
  805.    Long thought to be the only viable candidate, GUT's generically have
  806.    baryon-violating reactions, such as proton decay (not yet observed).
  807. c) Baryogenesis occurred at the Electroweak Phase Transition (EWPT).
  808.    This is the era when the Higgs first acquired a vacuum expectation value
  809.    (vev), so other particles acquired masses.  Pure Standard Model physics.
  810.  
  811.     Sakharov enumerated 3 necessary conditions for baryogenesis:
  812.  
  813.     (1)  Baryon number violation.  If baryon number is conserved in all
  814. reactions, then the present baryon asymmetry can only reflect asymmetric
  815. initial conditions, and we are back to case (a), above.
  816.     (2) C and CP violation.  Even in the presence of B-violating
  817. reactions, without a preference for matter over antimatter the B-violation
  818. will take place at the same rate in both directions, leaving no excess.
  819.     (3) Thermodynamic Nonequilibrium.  Because CPT guarantees equal
  820. masses for baryons and antibaryons, chemical equilibrium would drive the 
  821. necessary reactions to correct for any developing asymmetry.  
  822.  
  823.     It turns out the Standard Model satisfies all 3 conditions:
  824.  
  825.     (1) Though the Standard Model conserves B classically (no terms in
  826. the Lagrangian violate B), quantum effects allow the universe to tunnel
  827. between vacua with different values of B.  This tunneling is _very_
  828. suppressed at energies/temperatures below 10 TeV (the "sphaleron mass"),
  829. _may_ occur at e.g. SSC energies (controversial), and _certainly_ occurs at
  830. higher temperatures.
  831.  
  832.     (2) C-violation is commonplace.  CP-violation (that's "charge
  833. conjugation" and "parity") has been experimentally observed in kaon
  834. decays, though strictly speaking the Standard Model probably has
  835. insufficient CP-violation to give the observed baryon asymmetry.
  836.  
  837.     (3) Thermal nonequilibrium is achieved during first-order phase
  838. transitions in the cooling early universe, such as the EWPT (at T = 100 GeV
  839. or so).  As bubbles of the "true vacuum" (with a nonzero Higgs vev)
  840. percolate and grow, baryogenesis can occur at or near the bubble walls.
  841.  
  842.     A major theoretical problem, in fact, is that there may be _too_
  843. _much_ B-violation in the Standard Model, so that after the EWPT is
  844. complete (and condition 3 above is no longer satisfied) any previously
  845. generated baryon asymmetry would be washed out.
  846.  
  847. References: Kolb and Turner, _The Early Universe_;
  848.   Dine, Huet, Singleton & Susskind, Phys.Lett.B257:351 (1991);
  849.   Dine, Leigh, Huet, Linde & Linde, Phys.Rev.D46:550 (1992).
  850.  
  851. ********************************************************************************
  852. Item 31.                                         
  853.  
  854. The EPR Paradox and Bell's Inequality Principle    updated 31-AUG-1993 by SIC
  855. -----------------------------------------------    original by John Blanton
  856.  
  857.     In 1935 Albert Einstein and two colleagues, Boris Podolsky and
  858. Nathan Rosen (EPR) developed a thought experiment to demonstrate what they
  859. felt was a lack of completeness in quantum mechanics.  This so-called "EPR
  860. paradox" has led to much subsequent, and still on-going, research. This 
  861. article is an introduction to EPR, Bell's inequality, and the real 
  862. experiments which have attempted to address the interesting issues raised 
  863. by this discussion.
  864.  
  865.     One of the principal features of quantum mechanics is that not all
  866. the classical physical observables of a system can be simultaneously known, 
  867. either in practice or in principle.  Instead, there may be several sets of 
  868. observables which give qualitatively different, but nonetheless complete
  869. (maximal possible) descriptions of a quantum mechanical system.  These sets 
  870. are sets of "good quantum numbers," and are also known as "maximal sets of 
  871. commuting observables."  Observables from different sets are "noncommuting 
  872. observables."  
  873.  
  874.     A well known example of noncommuting observables is position and
  875. momentum.  You can put a subatomic particle into a state of well-defined
  876. momentum, but then you cannot know where it is - it is, in fact, everywhere
  877. at once.  It's not just a matter of your inability to measure, but rather,
  878. an intrinsic property of the particle.  Conversely, you can put a particle
  879. in a definite position, but then its momentum is completely ill-defined.
  880. You can also create states of intermediate knowledge of both observables:
  881. If you confine the particle to some arbitrarily large region of space,
  882. you can define the momentum more and more precisely.  But you can never 
  883. know both, exactly, at the same time.
  884.  
  885.     Position and momentum are continuous observables.  But the same
  886. situation can arise for discrete observables such as spin.  The quantum
  887. mechanical spin of a particle along each of the three space axes is a set
  888. of mutually noncommuting observables.  You can only know the spin along one
  889. axis at a time.  A proton with spin "up" along the x-axis has undefined
  890. spin along the y and z axes.  You cannot simultaneously measure the x and y
  891. spin projections of a proton. EPR sought to demonstrate that this
  892. phenomenon could be exploited to construct an experiment which would
  893. demonstrate a paradox which they believed was inherent in the
  894. quantum-mechanical description of the world. 
  895.  
  896.     They imagined two physical systems that are allowed to interact
  897. initially so that they subsequently will be defined by a single Schrodinger
  898. wave equation (SWE).   [For simplicity, imagine a simple physical 
  899. realization of this idea - a neutral pion at rest in your lab, which decays
  900. into a pair of back-to-back photons.  The pair of photons is described
  901. by a single two-particle wave function.]  Once separated, the two systems
  902. [read: photons] are still described by the same SWE, and a measurement of 
  903. one observable of the first system will determine the measurement of the 
  904. corresponding observable of the second system.  [Example:  The neutral pion
  905. is a scalar particle - it has zero angular momentum.  So the two photons
  906. must speed off in opposite directions with opposite spin. If photon 1 
  907. is found to have spin up along the x-axis, then photon 2 *must* have spin
  908. down along the x-axis, since the total angular momentum of the final-state,
  909. two-photon, system must be the same as the angular momentum of the intial
  910. state, a single neutral pion.  You know the spin of photon 2 even without
  911. measuring it.] Likewise, the measurement of another observable of the first
  912. system will determine the measurement of the corresponding observable of the
  913. second system, even though the systems are no longer physically linked in
  914. the traditional sense of local coupling. 
  915.  
  916.     However, QM prohibits the simultaneous knowledge of more than one
  917. mutually noncommuting observable of either system.  The paradox of EPR is
  918. the following contradiction:  For our coupled systems, we can measure
  919. observable A of system I [for example, photon 1 has spin up along the
  920. x-axis; photon 2 must therefore have x-spin down.] and observable B of 
  921. system II [for example, photon 2 has spin down along the y-axis; therefore
  922. the y-spin of photon 1 must be up.] thereby revealing both observables for 
  923. both systems, contrary to QM.  
  924.  
  925.     QM dictates that this should be impossible, creating the
  926. paradoxical implication that measuring one system should "poison" any
  927. measurement of the other system, no matter what the distance between
  928. them. [In one commonly studied interpretation, the mechanism by which
  929. this proceeds is 'instantaneous collapse of the wavefunction'.  But
  930. the rules of QM do not require this interpretation, and several
  931. other perfectly valid interpretations exist.]  The second system
  932. would instantaneously be put into a state of well-defined observable A,
  933. and, consequently, ill-defined observable B, spoiling the measurement.
  934. Yet, one could imagine the two measurements were so far apart in
  935. space that special relativity would prohibit any influence of one
  936. measurement over the other.  [After the neutral-pion decay, we can wait until
  937. the two photons are a light-year apart, and then "simultaneously" measure
  938. the x-spin of photon 1 and the y-spin of photon 2.  QM suggests that if,
  939. for example, the measurement of the photon 1 x-spin happens first, this
  940. measurement must instantaneously force photon 2 into a state of ill-defined
  941. y-spin, even though it is light-years away from photon 1. 
  942.  
  943.     How do we reconcile the fact that photon 2 "knows" that the x-spin
  944. of photon 1 has been measured, even though they are separated by 
  945. light-years of space and far too little time has passed for information
  946. to have travelled to it according to the rules of Special Relativity?  
  947. There are basically two choices.  You can accept the postulates of QM
  948. as a fact of life, in spite of its seemingly uncomfortable coexistence 
  949. with special relativity, or you can postulate that QM is not complete, 
  950. that there *was* more information available for the description of the 
  951. two-particle system at the time it was created, carried away by both 
  952. photons, and that you just didn't know it because QM does not properly 
  953. account for it.  
  954.  
  955.     So, EPR postulated that the existence of hidden variables, some 
  956. so-far unknown properties, of the systems should account for the discrepancy. 
  957. Their claim was that QM theory is incomplete; it does not completely
  958. describe the physical reality.  System II knows all about System I 
  959. long before the scientist measures any of the observables, thereby
  960. supposedly consigning the other noncommuting observables to obscurity.
  961. No instantaneous action-at-a-distance is necessary in this picture, 
  962. which postulates that each System has more parameters than are 
  963. accounted by QM. Niels Bohr, one of the founders of QM, held the opposite 
  964. view and defended a strict interpretation, the Copenhagen Interpretation, 
  965. of QM. 
  966.  
  967.     In 1964 John S. Bell proposed a mechanism to test for the existence
  968. of these hidden parameters, and he developed his inequality principle as
  969. the basis for such a test. 
  970.  
  971.     Use the example of two photons configured in the singlet state,
  972. consider this:  After separation, each photon will have spin values for
  973. each of the three axes of space, and each spin can have one of two values;
  974. call them up and down.  Call the axes A, B and C and call the spin in the A
  975. axis A+ if it is up in that axis, otherwise call it A-.  Use similar
  976. definitions for the other two axes. 
  977.  
  978.     Now perform the experiment.  Measure the spin in one axis of one
  979. particle and the spin in another axis of the other photon.  If EPR were
  980. correct, each photon will simultaneously have properties for spin in each
  981. of axes A, B and C. 
  982.  
  983.     Look at the statistics.  Perform the measurements with a number of
  984. sets of photons.  Use the symbol N(A+, B-) to designate the words "the
  985. number of photons with A+ and B-."  Similarly for N(A+, B+), N(B-, C+),
  986. etc.  Also use the designation N(A+, B-, C+) to mean "the number of photons
  987. with A+, B- and C+," and so on.  It's easy to demonstrate that for a set of
  988. photons 
  989.  
  990. (1)    N(A+, B-) = N(A+, B-, C+) + N(A+, B-, C-)
  991.  
  992. because all of the (A+, B-, C+) and all of the (A+, B-, C-) photons are
  993. included in the designation (A+, B-), and nothing else is included in N(A+,
  994. B-).  You can make this claim if these measurements are connected to some
  995. real properties of the photons. 
  996.  
  997.     Let n[A+, B+] be the designation for "the number of measurements of
  998. pairs of photons in which the first photon measured A+, and the second
  999. photon measured B+."  Use a similar designation for the other possible
  1000. results.  This is necessary because this is all it is possible to measure. 
  1001. You can't measure both A and B of the same photon.  Bell demonstrated that
  1002. in an actual experiment, if (1) is true (indicating real properties), then
  1003. the following must be true: 
  1004.  
  1005. (2)    n[A+, B+] <= n[A+, C+] + n[B+, C-].
  1006.  
  1007.     Additional inequality relations can be written by just making the
  1008. appropriate permutations of the letters A, B and C and the two signs.  This
  1009. is Bell's inequality principle, and it is proved to be true if there are
  1010. real (perhaps hidden) parameters to account for the measurements. 
  1011.  
  1012.         At the time Bell's result first became known, the experimental
  1013. record was reviewed to see if any known results provided evidence against
  1014. locality. None did. Thus an effort began to develop tests of Bell's
  1015. inequality. A series of experiments was conducted by Aspect ending with one
  1016. in which polarizer angles were changed while the photons were `in flight'.
  1017. This was widely regarded at the time as being a reasonably conclusive
  1018. experiment confirming the predictions of QM. 
  1019.  
  1020.     Three years later Franson published a paper showing that the timing
  1021. constraints in this experiment were not adequate to confirm that locality
  1022. was violated. Aspect measured the time delays between detections of photon
  1023. pairs. The critical time delay is that between when a polarizer angle is
  1024. changed and when this affects the statistics of detecting photon pairs.
  1025. Aspect estimated this time based on the speed of a photon and the distance
  1026. between the polarizers and the detectors. Quantum mechanics does not allow
  1027. making assumptions about *where* a particle is between detections. We
  1028. cannot know *when* a particle traverses a polarizer unless we detect the
  1029. particle *at* the polarizer. 
  1030.  
  1031.     Experimental tests of Bell's inequality are ongoing but none has
  1032. yet fully addressed the issue raised by Franson. In addition there is an
  1033. issue of detector efficiency. By postulating new laws of physics one can
  1034. get the expected correlations without any nonlocal effects unless the
  1035. detectors are close to 90% efficient. The importance of these issues is a
  1036. matter of judgement. 
  1037.  
  1038.     The subject is alive theoretically as well.  In the 1970's 
  1039. Eberhard derived Bell's result without reference to local hidden variable 
  1040. theories; it applies to all local theories.  Eberhard also showed that the 
  1041. nonlocal effects that QM predicts cannot be used for superluminal 
  1042. communication.  The subject is not yet closed, and may yet provide more 
  1043. interesting insights into the subtleties of quantum mechanics.
  1044.  
  1045. REFERENCES:
  1046.  
  1047. 1.  A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen:  "Can quantum-mechanical 
  1048. description of physical reality be considered complete?"
  1049. Physical Review 41, 777 (15 May 1935).  (The original EPR paper)
  1050.  
  1051. 2.  D. Bohm:  Quantum Theory, Dover, New York (1957).  (Bohm
  1052. discusses some of his ideas concerning hidden variables.)
  1053.  
  1054. 3.  N. Herbert:  Quantum Reality, Doubleday.  (A very good
  1055. popular treatment of EPR and related issues)
  1056.  
  1057. 4.  M. Gardner: Science - Good, Bad and Bogus, Prometheus Books. 
  1058. (Martin Gardner gives a skeptics view of the fringe science
  1059. associated with EPR.)
  1060.  
  1061. 5.  J. Gribbin:  In Search of Schrodinger's Cat, Bantam Books. 
  1062. (A popular treatment of EPR and the paradox of "Schrodinger's
  1063. cat" that results from the Copenhagen interpretation)
  1064.  
  1065. 6.  N. Bohr:  "Can quantum-mechanical description of physical
  1066. reality be considered  complete?" Physical Review 48, 696 (15 Oct
  1067. 1935).  (Niels Bohr's response to EPR)
  1068.  
  1069. 7.  J. Bell:  "On the Einstein Podolsky Rosen paradox" Physics 1
  1070. #3, 195 (1964).
  1071.  
  1072. 8.  J. Bell:  "On the problem of hidden variables in quantum
  1073. mechanics" Reviews of  Modern Physics 38 #3, 447 (July 1966). 
  1074.  
  1075. 9.  D. Bohm, J. Bub:  "A proposed solution of the measurement
  1076. problem in quantum  mechanics by a hidden variable theory"
  1077. Reviews of Modern Physics 38  #3, 453 (July 1966).
  1078.  
  1079. 10.  B. DeWitt:  "Quantum mechanics and reality" Physics Today p.
  1080. 30 (Sept 1970).
  1081.  
  1082. 11.  J. Clauser, A. Shimony:  "Bell's theorem: experimental
  1083. tests and implications" Rep.  Prog. Phys. 41, 1881 (1978).
  1084.  
  1085. 12.  A. Aspect, Dalibard, Roger:  "Experimental test of Bell's
  1086. inequalities using time- varying analyzers" Physical Review
  1087. Letters 49 #25, 1804 (20 Dec 1982).
  1088.  
  1089. 13.  A. Aspect, P. Grangier, G. Roger:  "Experimental realization
  1090. of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm gedankenexperiment; a new
  1091. violation of Bell's inequalities" Physical  Review Letters 49
  1092. #2, 91 (12 July 1982).
  1093.  
  1094. 14.  A. Robinson: "Loophole closed in quantum mechanics test"
  1095. Science 219, 40 (7 Jan 1983).
  1096.  
  1097. 15.  B. d'Espagnat:  "The quantum theory and reality" Scientific
  1098. American 241 #5 (November 1979).
  1099.  
  1100. 16. "Bell's Theorem and Delayed Determinism", Franson, Physical Review D,
  1101. pgs. 2529-2532, Vol. 31, No. 10, May 1985.
  1102.  
  1103. 17. "Bell's Theorem without Hidden Variables", P. H. Eberhard, Il Nuovo 
  1104. Cimento, 38 B 1, pgs. 75-80, (1977).
  1105.  
  1106. 18. "Bell's Theorem and the Different Concepts of Locality", P. H. 
  1107. Eberhard, Il Nuovo Cimento 46 B, pgs. 392-419, (1978).
  1108.  
  1109. ********************************************************************************
  1110. END OF FAQ
  1111.  
  1112.