home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #31 / NN_1992_31.iso / spool / fj / sci / physics / 515 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-12-30  |  53.3 KB  |  1,057 lines

  1. Newsgroups: fj.sci.physics,etl.research.physics
  2. Path: sparky!uunet!ccut!news.u-tokyo.ac.jp!wnoc-tyo-news!etl.go.jp!harigaya
  3. From: harigaya@etl.go.jp (Kikuo Harigaya)
  4. Subject: Sci.Physics Frequently Asked Questions - January 1993 - Part 1/2
  5. Content-Type: text/plain; charset=US-ASCII
  6. Message-ID: <1992Dec30.211207.17011@etl.go.jp>
  7. Organization: Electrotechnical Laboratory, Tsukuba Science City
  8. Mime-Version: 1.0
  9. Date: Wed, 30 Dec 1992 21:12:07 GMT
  10. Lines: 1045
  11.  
  12. --------------------------------------------------------------------------------
  13.            FREQUENTLY ASKED QUESTIONS ON SCI.PHYSICS - Part 1/2
  14. --------------------------------------------------------------------------------
  15.  
  16.     This Frequently Asked Questions List is posted monthly, at or near 
  17. the first of the month, to the Usenet newsgroup sci.physics in an attempt 
  18. to provide good answers to frequently asked questions and other reference 
  19. material which is worth preserving. If you have corrections or answers to 
  20. other frequently asked questions that you would like included in this 
  21. posting, send E-mail to sichase@csa2.lbl.gov (Scott I. Chase).
  22.  
  23.     The FAQ is distributed to all interested parties whenever sufficient
  24. changes have accumulated to  warrant such a mailing.  To request that your
  25. address be added to the list, send mail to my address, above, and include 
  26. the words "FAQ Mailing List" in  the subject header of your message.  To
  27. faciliate mailing, the FAQ is now being distributed as a multi-part posting.
  28.  
  29.     If you are a new reader of sci.physics, please read item #1, below.  
  30. If you do not wish to read the FAQ at all, add "Frequently Asked Questions" 
  31. to your .KILL file.  
  32.  
  33.     A listing of new items can be found above the subject index, so 
  34. that you can quickly identify new subjects of interest.  To locate old
  35. items which have been updated since the last posting, look for the stars (*)
  36. in the subject index, which indicate new material.
  37.  
  38.     Items which have been submitted by a single individual are 
  39. attributed to the original author.  All other contributors have been thanked
  40. privately.  
  41.  
  42. New Items: 19. Gravity and the Radiation of Charged Particles
  43.  
  44. Index of Subjects
  45. -----------------
  46.  1. An Introduction to Sci.Physics
  47.  2. Gravitational Radiation
  48.  3. Energy Conservation in Cosmology and Red Shift 
  49.  4. Effects Due to the Finite Speed of Light
  50.  5. The Top Quark 
  51.  6. Tachyons
  52.  7. Special Relativistic Paradoxes
  53.     (a) The Barn and the Pole
  54.     (b) The Twin Paradox
  55.  8. The Particle Zoo
  56.  9. Olbers' Paradox
  57. 10. What is Dark Matter?
  58. 11. Hot Water Freezes Faster than Cold!
  59. 12. Which Way Will my Bathtub Drain?
  60. 13. Why are Golf Balls Dimpled?
  61. 14. Why do Mirrors Reverse Left and Right?
  62. 15. What is the Mass of a Photon?
  63. 16. How to Change Nuclear Decay Rates
  64. 17. Baryogenesis - Why Are There More Protons Than Antiprotons?
  65. 18. Time Travel - Fact or Fiction?
  66. 19.*Gravity and the Radiation of Charged Particles
  67. 20. The Nobel Prize for Physics
  68. 21. Open Questions
  69. 22. Accessing and Using Online Physics Resources
  70.  
  71. ********************************************************************************
  72. Item 1.                        updated 4-AUG-1992 by SIC
  73.  
  74. An Introduction to Sci.Physics
  75. ------------------------------
  76.  
  77.     Sci.Physics is an unmoderated newsgroup dedicated to the discussion
  78. of physics, news from the physics community, and physics-related social
  79. issues.  People from a wide variety of non-physics backgrounds, as well
  80. as students and experts in all areas of physics participate in the ongoing
  81. discussions on sci.physics.  Professors, industrial scientists, graduate
  82. students, etc., are all on hand to bring physics expertise to bear on
  83. almost any question.   But the only requirement for participation is
  84. interest in physics, so feel free to post -- but before you do, please do
  85. the following: 
  86.  
  87. (1) Read this posting, a.k.a., the FAQ.  It contains good answers,
  88. contributed by the readership,  to some of the most frequently asked
  89. questions. 
  90.  
  91. (2) Understand "netiquette."  If you are not sure what this means,
  92. subscribe to news.announce.newusers and read the excellent discussion of
  93. proper net behavior that is posted there periodically. 
  94.  
  95. (3) Be aware that there is another newsgroup dedicated to the discussion of
  96. "alternative" physics.  It is alt.sci.physics.new-theories, and is the
  97. appropriate forum for discussion of physics ideas which are not widely
  98. accepted by the physics community.  Sci.Physics is not the group for such
  99. discussions.  A quick look at items posted to both groups will make the
  100. distinction apparent. 
  101.  
  102. (4) Read the responses already posted in the thread to which you want to
  103. contribute.  If a good answer is already posted, or the point you wanted
  104. to make has already been made, let it be.  Old questions have probably been
  105. thoroughly discussed by the time you get there - save bandwidth by posting
  106. only new information.  Post to as narrow a geographic region as is 
  107. appropriate.  If your comments are directed at only one person, try E-mail.
  108.  
  109. (5) Get the facts right!  Opinions may differ, but facts should not.  It is
  110. very tempting for new participants to jump in with quick answers to physics
  111. questions posed to the group.  But it is very easy to end up feeling silly
  112. when people barrage you with corrections.  So before you give us all a
  113. physics lesson you'll regret - look it up. 
  114.  
  115. (6) Be prepared for heated discussion.  People have strong opinions about
  116. the issues, and discussions can get a little "loud" at times. Don't take it
  117. personally if someone seems to always jump all over everything you say. 
  118. Everyone was jumping all over everybody long before you got there!  You
  119. can keep the discussion at a low boil by trying to stick to the facts. 
  120. Clearly separate facts from opinion - don't let people think you are
  121. confusing your opinions with scientific truth.  And keep the focus of
  122. discussion on the ideas, not the people who post them. 
  123.  
  124. (7) Tolerate everyone.  People of many different points of view, and widely
  125. varying educational backgrounds from around the world participate in this
  126. newsgroup.  Respect for others will be returned in kind.  Personal
  127. criticism is usually not welcome. 
  128.  
  129. ********************************************************************************
  130. Item 2.
  131.  
  132. Gravitational Radiation                updated: 4-May-1992 by SIC
  133. -----------------------
  134.  
  135.     Gravitational Radiation is to gravity what light is to
  136. electromagnetism. It is produced when massive bodies accelerate.  You can
  137. accelerate any body so as to produce such radiation, but due to the feeble
  138. strength of gravity, it is entirely undetectable except when produced by
  139. intense astrophysical sources such as supernovae, collisions of black
  140. holes, etc.  These are quite far from us, typically, but they are so
  141. intense that they dwarf all possible laboratory sources of such radiation. 
  142.  
  143.     Gravitational waves have a polarization pattern that causes objects
  144. to expand in one direction, while contracting in the perpendicular
  145. direction. That is, they have spin two.  This is because gravity waves are
  146. fluctuations in the tensorial metric of space-time. 
  147.  
  148.     All oscillating radiation fields can be quantized, and in the case
  149. of gravity,  the intermediate boson is called the "graviton" in analogy
  150. with the photon. But quantum gravity is hard, for several reasons: 
  151.     (1) The quantum field theory of gravity is hard, because gauge 
  152. interactions of spin-two fields are not renormalizable.  See Cheng and Li,
  153. Gauge Theory of Elementary Particle Physics (search for "power counting").
  154.     (2) There are conceptual problems - what does it mean to quantize
  155. geometry, or space-time?
  156.  
  157.     It is possible to quantize weak fluctuations in the gravitational
  158. field.  This gives rise to the spin-2 graviton.  But full quantum gravity
  159. has so far escaped formulation.  It is not likely to look much like the
  160. other quantum field theories.  In addition, there are models of gravity
  161. which include additional bosons with different spins.  Some are the
  162. consequence of non-Einsteinian models, such as Brans-Dicke which has a
  163. spin-0 component. Others are included by hand, to give "fifth force"
  164. components to gravity. For example, if you want to add a weak repulsive
  165. short range component, you will need a massive spin-1 boson.  (Even-spin
  166. bosons always attract.  Odd-spin bosons can attract or repel.)  If
  167. antigravity is real, then this has implications for the boson spectrum as
  168. well. 
  169.  
  170.     The spin-two polarization provides the method of detection.  All
  171. experiments to date use a "Weber bar."  This is a cylindrical, very
  172. massive, bar suspended  by fine wire, free to oscillate in response to a
  173. passing graviton.   A high-sensitivity, low noise, capacitive transducer
  174. can turn the oscillations of the bar into an electric signal for analysis. 
  175. So far such searches have failed.  But they are expected to be
  176. insufficiently sensitive for typical  radiation intensity from known types
  177. of sources. 
  178.  
  179.     A more sensitive technique uses very long baseline laser
  180. interferometry.  This is the principle of LIGO (Laser Interferometric
  181. Gravity wave Observatory).  This is a two-armed detector, with
  182. perpendicular laser beams each travelling several km before meeting to
  183. produce an interference pattern which fluctuates if a gravity wave distorts
  184. the geometry of the detector.  To eliminate noise from seismic effects as
  185. well as human noise sources, two detectors separated by hundreds to
  186. thousands of miles are necessary.  A coincidence measurement then provides
  187. evidence of gravitational radiation.  In order to determine the source of
  188. the signal, a third detector, far from either of the first two, would be
  189. necessary.  Timing differences in the arrival of the signal to the three
  190. detectors would allow triangulation of the angular position in the sky of
  191. the signal. 
  192.  
  193.     The first stage of LIGO, a two detector setup in the U.S., has been
  194. approved by Congress in 1992.  LIGO researchers have started designing a
  195. prototype detector, and are hoping to enroll another nation, probably in
  196. Europe, to fund and be host to the third detector. 
  197.  
  198.     The speed of gravitational radiation (C_gw) depends upon the
  199. specific model of Gravitation that you use.  There are quite a few
  200. competing models (all consistent with all experiments to date) including of
  201. course Einstein's but also Brans-Dicke and several families of others.  
  202. All metric models can support gravity waves.  But not all predict radiation
  203. travelling at C_gw = C_em.  (C_em is the speed of electromagnetic waves.)
  204.  
  205.     There is a class of theories with "prior geometry", in which, as I
  206. understand it, there is an additional metric which does not depend only on
  207. the local matter density.  In such theories, C_gw != C_em in general. 
  208.  
  209.     However, there is good evidence that C_gw is in fact at least
  210. almost C_em. We observe high energy cosmic rays in the 10^20-10^21 eV
  211. region.  Such particles are travelling at up to (1-10^-18)*C_em.  If C_gw <
  212. C_em, then particles with C_gw < v < C_em will radiate Cerenkov
  213. gravitational radiation into the vacuum, and decelerate from the back
  214. reaction.  So evidence of these very fast cosmic rays good evidence that
  215. C_gw >= (1-10^-18)*C_em, very close indeed to C_em.  Bottom line: in a
  216. purely Einsteinian universe, C_gw = C_em. However, a class of models not
  217. yet ruled out experimentally does make other predictions.  
  218.  
  219.     A definitive test would be produced by LIGO in coincidence with
  220. optical measurements of some catastrophic event which generates enough
  221. gravitational radiation to be detected.  Then the "time of flight" of both
  222. gravitons and photons from the source to the Earth could be measured, and
  223. strict direct limits could be set on C_gw. 
  224.  
  225.     For more information, see Gravitational Radiation (NATO ASI - 
  226. Les Houches 1982), specifically the introductory essay by Kip Thorne.
  227.  
  228. ********************************************************************************
  229. Item 3.
  230.  
  231. ENERGY CONSERVATION IN COSMOLOGY AND RED SHIFT    updated: 10-May-1992 by SIC
  232. ----------------------------------------------
  233.  
  234. IS ENERGY CONSERVED IN OUR UNIVERSE? NO
  235.  
  236.     Why?  Every conserved quantity is the result of some symmetry of
  237. nature. This is known as Noether's theorem.  For example, momentum 
  238. conservation is the result of translation invariance, because position  is
  239. the variable conjugate to momentum.  Energy would be conserved due to
  240. time-translation invariance. However, in an expanding or contracting 
  241. universe, there is no time-translation invariance.  Hence energy is not 
  242. conserved.  If you want to learn more about this, read Goldstein's 
  243. Classical Mechanics, and look up Noether's theorem. 
  244.  
  245. DOES RED-SHIFT LEAD TO ENERGY NON-CONSERVATION:  SOMETIMES
  246.  
  247. There are three basic cosmological sources of red-shifted light:
  248. (1) Very massive objects emitting light
  249. (2) Very fast objects emitting light
  250. (3) Expansion of the universe leading to CBR (Cosmic Background 
  251.     Radiation) red-shift
  252.  
  253. About each:
  254. (1) Light has to climb out the gravitational well of a very massive object.
  255.  It gets red-shifted as a result.  As several people have commented, this
  256. does not lead to energy non-conservation, because the photon had negative
  257. gravitational potential energy when it was deep in the well.  No problems
  258. here.  If you want to learn more about this read Misner, Thorne, and
  259. Wheeler's Gravitation, if you dare. 
  260.  
  261. (2) Fast objects moving away from you emit Doppler shifted light.  No 
  262. problems here either.  Energy is only one part a four-vector, so it 
  263. changes from frame to frame.  However, when looked at in a Lorentz 
  264. invariant way, you can convince yourself that everything is OK here too.
  265. If you want to learn more about this, read Taylor and Wheeler's 
  266. Spacetime Physics.
  267.  
  268. (3) CBR has red-shifted over billions of years.  Each photon gets redder
  269. and redder.  And the energy is lost.  This is the only case in which
  270. red-shift leads to energy non-conservation.  Several people have speculated
  271. that radiation pressure "on the universe" causes it to expand more quickly,
  272. and attempt to identify the missing energy with the speed at which the
  273. universe is expanding due to radiation pressure.  This argument is
  274. completely specious.  If you add more radiation to the universe you add
  275. more energy, and the universe is now more closed than ever, and the
  276. expansion rate slows. 
  277.  
  278.     If you really MUST construct a theory in which something like
  279. energy is conserved (which is dubious in a universe without
  280. time-translation invariance), it is possible to arbitrarily define things
  281. so that energy has an extra term which compensates for the loss.  However,
  282. although the resultant quantity may be a constant, it is of questionable
  283. value, and certainly is not an integral associated with time-invariance, so
  284. it is not what everyone calls energy. 
  285.  
  286. ********************************************************************************
  287. Item 4.
  288.  
  289. EFFECTS DUE TO THE FINITE SPEED OF LIGHT    updated 28-May-1992 by SIC
  290. ----------------------------------------
  291.  
  292.     There are two well known phenomena which are due to the finite
  293. speed of electromagnetic radiation, but are essentially classical in
  294. nature, requiring no other facts of special relativity for their
  295. understanding. 
  296.  
  297. (1) Apparent Superluminal Velocity of Galaxies
  298.  
  299.     A distant object can appear to travel faster than the speed of
  300. light relative to us, provided that it has some component of motion towards
  301. us as well as perpendicular to our line of sight.  Say that on Jan. 1 you
  302. make a position measurement of galaxy X.  One month later, you measure it
  303. again. Assuming you know it's distance from us by some independent
  304. measurement, you derive its linear speed, and conclude that it is moving
  305. faster than the speed of light. 
  306.  
  307.     What have you forgotten?  Let's say that on Jan. 1, the object is D
  308. km from us, and that between Jan. 1 and Feb. 1, the object has moved d km
  309. closer to us.  You have assumed that the light you measured on Jan. 1 and
  310. Feb. 1 were emitted exactly one month apart.  Not so.  The first light beam
  311. had further to travel, and was actually emitted (1 + d/c) months before the
  312. second measurement, if we measure c in km/month.  The object has traveled
  313. the given angular distance in more time than you thought.  Similarly, if
  314. the object is moving away from us, the apparent angular velocity will be
  315. too slow, if you do not correct for this effect, which becomes significant
  316. when the object is moving along a line close to our line of sight. 
  317.  
  318.     Note that most extragalactic objects are moving away from us due to
  319. the Hubble expansion.  So for most objects, you don't get superluminal
  320. apparent velocities.  But the effect is still there, and you need to take
  321. it into account if you want to measure velocities by this technique. 
  322.  
  323. References: 
  324.  
  325. Considerations about the Apparent 'Superluminal Expansions' in 
  326. Astrophysics, E. Recami, A. Castellino, G.D. Maccarrone, M. Rodono,
  327. Nuovo Cimento 93B, 119 (1986).
  328.  
  329. Apparent Superluminal Sources, Comparative Cosmology and the Cosmic 
  330. Distance Scale, Mon. Not. R. Astr. Soc. 242, 423-427 (1990).
  331.  
  332. (2) Terrell Rotation
  333.  
  334.     Consider a cube moving across your field of view with speed near
  335. the speed of light.  The trailing face of the cube is edge on to your line
  336. of sight as it passes you.  However, the light from the back edge of that
  337. face (the edge of the square farthest from you) takes longer to get to your
  338. eye than the light from the front edge.  At any given instant you are
  339. seeing light from the front edge at time t and the back edge at time
  340. t-(L/c), where L is the length of an edge.  This means you see the back
  341. edge where it was some time earlier. This has the effect of *rotating* the
  342. *image* of the cube on your retina. 
  343.  
  344.     This does not mean that the cube itself rotates.  The *image* is
  345. rotated. And this depends only on the finite speed of light, not any other
  346. postulate or special relativity.  You can calculate the rotation angle by
  347. noting that the side face of the cube is Lorentz contracted to L' =
  348. L/gamma. This will correspond to a rotation angle of arccos(1/gamma). 
  349.  
  350.     It turns out, if you do the math for a sphere, that the amount of
  351. apparent rotation exactly cancels the Lorentz contraction.  The object
  352. itself is flattened, but then you see *behind* it as it flies by just
  353. enough to restore it to its original size.  So the image of a sphere is
  354. unaffected by the Lorentz flattening that it experiences. 
  355.  
  356.     Another implication of this is that if the object is moving at
  357. nearly the speed of light, although it is contracted into an
  358. infinitesimally thin pancake, you see it rotated by almost a full 90
  359. degrees, so you see the complete backside of the object, and it doesn't
  360. disappear from view.  In the case of the sphere, you see the transverse
  361. cross-section (which suffers no contraction), so that it still appears to
  362. be exactly a sphere. 
  363.  
  364.     That it took so long historically to realize this is undoubtedly
  365. due to the fact that although we were regularly accelerating particle beams
  366. in 1959 to relativistic speeds, we still do not have the technology to
  367. accelerate any macroscopic objects to speeds necessary to reveal the
  368. effect. 
  369.  
  370. References: J. Terrell, Phys Rev. _116_, 1041 (1959).  For a textbook
  371. discussion, see Marion's _Classical Dynamics_, Section 10.5.
  372.  
  373. ********************************************************************************
  374. Item 5.
  375.  
  376. TOP QUARK                    updated: 10-May-1992 by SIC
  377. ---------
  378.  
  379.     The top quark is the hypothetical sixth fundamental strongly
  380. interacting particle (quark).  The known quarks are up (u), down (d),
  381. strange (s), charm (c) and  bottom (b).  The Standard Model requires quarks
  382. to come in pairs in order to prevent mathematical inconsistency due to
  383. certain "anomalous" Feynman diagrams, which cancel if and only if the
  384. quarks are paired.  The pairs are (d,u),(s,c) and (b,?).  The missing
  385. partner of the b is called "top". 
  386.  
  387.     In addition, there is experimental evidence that the b quark has an
  388. "isodoublet" partner, which is so far unseen.  The forward-backward
  389. asymmetry in the reaction e+ + e- -> b + b-bar and the absence of
  390. flavor-changing neutral currents in b decays imply the existence of the
  391. isodoublet partner of the b. ("b-bar", pronounced "bee bar", signifies the
  392. b antiquark.) 
  393.  
  394.     The mass of the top quark is restricted by a variety of
  395. measurements. Due to radiative corrections which depend on the top quark
  396. circulating as a virtual particle inside the loop in the Feynman diagram,
  397. a number of experimentally accessible processes depend on the top quark 
  398. mass.  There are about a dozen such measurements which have been made so 
  399. far, including the width of the Z, b-b-bar mixing (which historically gave 
  400. the first hints that the top quark was very massive), and certain aspects 
  401. of muon decay.  These results collectively limit the top mass to roughly 
  402. 140 +/- 30 GeV.  This uncertainty is a "1-sigma" error bar. 
  403.  
  404.     Direct searches for the top quark have been performed, looking for
  405. the expected decay products in both p-p-bar and e+e- collisions.  The best
  406. current limits on the top mass are: 
  407.     (1) From the absence of Z -> t + t-bar, M(t) > M(Z)/2 = 45 GeV. 
  408. This is a "model independent" result, depending only on the fact that the
  409. top quark should be weakly interacting, coupling to the Z with sufficient
  410. strength to have been detected at the current resolution of the LEP
  411. experiments which have cornered the market on Z physics in the last several
  412. years. 
  413.     (2) From the absence of top quark decay products in the reaction p
  414. + p-bar -> t + t-bar -> hard leptons + X at Fermilab's Tevatron collider,
  415. the CDF (Collider Detector at Fermilab) experiment.  Each top quark is
  416. expect to decay into a W boson and a b quark.  Each W subsequently decays
  417. into either a charged lepton and a neutrino or two quarks.  The cleanest
  418. signature for the production and decay of the t-t-bar pair is the presence
  419. of two high-transverse-momentum (high Pt) leptons (electron or muon) in the 
  420. final state.  Other decay modes have higher branching ratios, but have 
  421. serious experimental backgrounds from W bosons produced in association with 
  422. jets.  The current lower limit on M(t) from such measurements is 91 GeV 
  423. (95% confidence), 95 GeV (90% confidence).  However, these limits assume 
  424. that the top quark has the expected decay products in the expected branching 
  425. ratios, making these limits "model dependent," and consequently not as 
  426. "hard" as the considerably lower LEP limit of ~45 GeV. 
  427.  
  428.     The future is very bright for detecting the top quark.  LEP II, the
  429. upgrade of CERN's e+e- collider to E >= 2*Mw = 160 GeV by 1994, will allow
  430. a hard lower limit of roughly 90 GeV to be set.  Meanwhile, upgrades to
  431. CDF, start of a new experiment, D0,  and upgrades to the accelerator
  432. complex at Fermilab have recently allowed higher event rates and better 
  433. detector resolution, should allow production of standard model top quarks of 
  434. mass < 150 GeV in the next two years, and even higher mass further in the 
  435. future, at high enough event rate to identify the decays and give rough mass
  436. measurements. 
  437.  
  438. References: Phys. Rev. Lett. _68_, 447 (1992) and the references therein. 
  439.  
  440. ********************************************************************************
  441. Item 6.
  442.  
  443. Tachyons                    updated: 4-May-1992 by SIC
  444. --------
  445.  
  446.         There was a young lady named Bright,
  447.         Whose speed was far faster than light.
  448.         She went out one day,
  449.         In a relative way,
  450.         And returned the previous night!
  451.  
  452.             -Reginald Buller
  453.  
  454.  
  455.     It is a well known fact that nothing can travel faster than the
  456. speed of light. At best, a massless particle travels at the speed of light.
  457. But is this really true?  In 1962, Bilaniuk, Deshpande, and Sudarshan, Am.
  458. J. Phys. _30_, 718 (1962), said "no".  A very readable paper is Bilaniuk
  459. and Sudarshan, Phys. Today _22_,43 (1969).  I give here a brief overview. 
  460.     
  461.     Draw a graph, with momentum (p) on the x-axis, and energy (E) on
  462. the y-axis.  Then draw the "light cone", two lines with the equations E =
  463. +/- p. This divides our 1+1 dimensional space-time into two regions.  Above
  464. and below are the "timelike" quadrants, and to the left and right are the
  465. "spacelike" quadrants. 
  466.  
  467.     Now the fundamental fact of relativity is that E^2 - p^2 = m^2. 
  468. (Let's take c=1 for the rest of the discussion.)  For any non-zero value of 
  469. m (mass), this is an hyperbola with branches in the timelike regions.  It 
  470. passes through the point (p,E) = (0,m), where the particle is at rest.  Any 
  471. particle with mass m is constrained to move on the upper branch of this 
  472. hyperbola.  (Otherwise, it is "off-shell", a term you here in association
  473. with virtual particles - but that's another topic.) For massless particles, 
  474. E^2 = p^2, and the particle moves on the light-cone. 
  475.  
  476.     These two cases are given the names tardyon (or bradyon in more
  477. modern usage) and luxon, for "slow particle" and "light particle".  Tachyon
  478. is the name given to the supposed "fast particle" which would move with v>c. 
  479.  
  480.     Now another familiar relativistic equation is E =
  481. m*[1-(v/c)^2]^(-.5).  Tachyons (if they exist) have v > c.  This means that 
  482. E is imaginary!  Well, what if we take the rest mass m, and take it to be
  483. imaginary?  Then E is negative real, and E^2 - p^2 = m^2 < 0.  Or, p^2 -
  484. E^2 = M^2, where M is real.  This is a hyperbola with branches in the
  485. spacelike region of spacetime.  Tachyons are constrained to move on this
  486. hyperbola. 
  487.  
  488.     You can now deduce many interesting properties of tachyons.  For
  489. example, they accelerate (p goes up) if they lose energy (E goes down).
  490. Futhermore, a zero-energy tachyon is "transcendent," or infinitely fast.
  491. This has profound consequences.  For example, let's say that there are
  492. electrically charged tachyons.  Since they move faster than the speed of
  493. light in the vacuum, they produce Cerenkov radiation.  This lowers their 
  494. energy, and they accelerate. So any charged tachyon in the region of 
  495. spacetime where you might choose to put a "charged tachyon detector" will 
  496. quickly accelerate off to the edge of the universe, to be lost forever.  
  497. You will never find a charged tachyon, whether they exist or not. 
  498.  
  499.     However, tachyons are not entirely invisible.  You can imagine that
  500. you might produce them in some exotic nuclear reaction.  If they are
  501. charged, you could "see" them by detecting the Cerenkov light they produce
  502. as they speed away faster and faster.  Such experiments have been done.  So
  503. far, no tachyons have been found.  Even neutral tachyons can scatter off
  504. normal matter with experimentally observable consequences.  Again, no such
  505. tachyons have been found. 
  506.  
  507.     Once you move away from relativistic kinematics and start talking
  508. about the quantum field theory or particle physics of tachyons, things get
  509. much more complicated.  It is not easy to summarize results here.  However,
  510. one reasonably modern reference is _Tachyons, Monopoles, and Related
  511. Topics_, E. Recami, ed. (North-Holland, Amsterdam, 1978). 
  512.  
  513.     One little-publicized fact is that in the framework of field
  514. theory, one CANNOT transmit information faster than the speed of light with
  515. tachyons.  Since this may be controversial let us be more precise.  
  516. It's easiest to begin by looking at the wave equation for a free
  517. scalar particle, the so-called Klein-Gordon equation:
  518.  
  519.         (BOX + m^2)phi = 0
  520.  
  521. where BOX is the D'Alembertian, which in 1+1 dimensions is just
  522.  
  523.         BOX = (d/dt)^2 - (d/dx)^2.
  524.  
  525. (For four-dimensional space-time just throw in -(d/dy)^2 -(d/dz)^2.)
  526. In field theory, noninteracting massive particles (tardyons) are
  527. described by this equation with the mass m being real.   Non-interacting
  528. tachyons would be described by this equation with m imaginary.
  529. Regardless of m, any solution is a linear combination, or superposition,
  530. of solutions of the form
  531.  
  532.                 exp(-iEt + ipx)
  533.  
  534. where E^2 - p^2 = m^2.   By actually solving the equation this way, one
  535. notices a strange thing.  If the solution phi and its time derivative
  536. are zero outside the interval [-L,L] when t = 0, they will be zero
  537. outside the interval [-L-|t|, L+|t|] at any time t.  In other words,
  538. disturbances do not spread with speed faster than 1 (the speed of
  539. light).  
  540.  
  541. However, there are lots of problems with tachyons in quantum field
  542. theory.  A lot of mathematically rigorous work on quantum field theory
  543. uses the Garding-Wightman axioms for quantum fields.  These rule out 
  544. tachyons for other reasons because they require that all states satisfy
  545. E^2 - p^2 >= 0.   This allows one to define the vacuum as the state
  546. minimizing E^2 - p^2 (required by these axioms to be unique).   As
  547. described above, theories with tachyons violate this axiom.  In fact, if
  548. one has a bunch of tachyons around, one can make E^2 - p^2 as negative
  549. as you like.   Heuristically, this is bad because it means that the
  550. vacuum is unstable: spontaneous creation of tachyon-antitachyon pairs
  551. will tend to occur, reducing the total energy of the system.  
  552.  
  553. ********************************************************************************
  554. Item 7. Special Relativistic Paradoxes - part (a) 
  555.  
  556. The Barn and the Pole            updated 4-AUG-1992 by SIC
  557. ---------------------            original by Robert Firth
  558.  
  559.     These are the props.  You own a barn, 40m long, with automatic
  560. doors at either end, that can be opened and closed simultaneously by a
  561. switch. You also have a pole, 80m long, which of course won't fit in the
  562. barn. 
  563.  
  564.     Now someone takes the pole and tries to run (at nearly the speed of
  565. light) through the barn with the pole horizontal.  Special Relativity (SR)
  566. says that a moving object is contracted in the direction of motion: this is
  567. called the Lorentz Contraction.  So, if the pole is set in motion
  568. lengthwise, then it will contract in the reference frame of a stationary
  569. observer. 
  570.  
  571.     You are that observer, sitting on the barn roof.  You see the pole
  572. coming towards you, and it has contracted to a bit less than 40m. So, as
  573. the pole passes through the barn, there is an instant when it is completely
  574. within the barn.  At that instant, you close both doors.  Of course, you
  575. open them again pretty quickly, but at least momentarily you had the
  576. contracted pole shut up in your barn.  The runner emerges from the far door
  577. unscathed. 
  578.  
  579.     But consider the problem from the point of view of the runner.  She
  580. will regard the pole as stationary, and the barn as approaching at high
  581. speed. In this reference frame, the pole is still 80m long, and the barn
  582. is less than 20 meters long.  Surely the runner is in trouble if the doors 
  583. close while she is inside.  The pole is sure to get caught. 
  584.  
  585.     Well does the pole get caught in the door or doesn't it?  You can't
  586. have it both ways.  This is the "Barn-pole paradox."  The answer is buried
  587. in the misuse of the word "simultaneously" back in the first sentence of
  588. the story.  In SR, that events separated in space that appear simultaneous
  589. in one frame of reference need not appear simultaneous in another frame of
  590. reference. The closing doors are two such separate events. 
  591.  
  592.     SR explains that the two doors are never closed at the same time in
  593. the runner's frame of reference.  So there is always room for the pole.  In
  594. fact, the Lorentz transformation for time is t'=(t-v*x/c^2)/sqrt(1-v^2/c^2).
  595. It's the v*x term in the numerator that causes the mischief here.  In the
  596. runner's frame the further event (larger x) happens earlier.  The far door 
  597. is closed first.  It opens before she gets there, and the near door closes 
  598. behind her. Safe again - either way you look at it, provided you remember 
  599. that simultaneity is not a constant of physics. 
  600.  
  601. References:  Taylor and Wheeler's _Spacetime Physics_ is the classic. 
  602. Feynman's _Lectures_ are interesting as well.
  603.  
  604. ********************************************************************************
  605. Item 7. Special Relativistic Paradoxes - part (b) 
  606.  
  607. The Twin Paradox                 updated 17-AUG-1992 by SIC
  608. ----------------                original by Kurt Sonnenmoser
  609.  
  610. A Short Story about Space Travel:
  611.  
  612.     Two twins, conveniently named A and B, both know the rules of
  613. Special Relativity.  One of them, B, decides to travel out into space with
  614. a velocity near the speed of light for a time T, after which she returns to
  615. Earth. Meanwhile, her boring sister A sits at home posting to Usenet all
  616. day.  When A finally comes home, what do the two sisters find?  Special
  617. Relativity (SR) tells A that time was slowed down for the relativistic
  618. sister, B, so that upon her return to Earth, she knows that B will be
  619. younger than she is, which she suspects was the the ulterior motive of the
  620. trip from the start. 
  621.  
  622.     But B sees things differently.  She took the trip just to get away 
  623. from the conspiracy theorists on Usenet, knowing full well that from her 
  624. point of view, sitting in the spaceship, it would be her sister, A, who 
  625. was travelling ultrarelativistically for the whole time, so that she would 
  626. arrive home to find that A was much younger than she was.  Unfortunate, but 
  627. worth it just to get away for a while. 
  628.  
  629.     What are we to conclude?  Which twin is really younger?  How can SR
  630. give two answers to the same question?  How do we avoid this apparent
  631. paradox? Maybe twinning is not allowed in SR?  Read on. 
  632.  
  633. Paradox Resolved:
  634.  
  635.     Much of the confusion surrounding the so-called Twin Paradox
  636. originates from the attempts to put the two twins into different frames ---
  637. without the useful concept of the proper time of a moving body. 
  638.  
  639.     SR offers a conceptually very clear treatment of this problem.
  640. First chose _one_ specific inertial frame of reference; let's call it S.
  641. Second define the paths that A and B take, their so-called world lines. As
  642. an example, take (ct,0,0,0) as representing the world line of A, and
  643. (ct,f(t),0,0) as representing the world line of B (assuming that the the
  644. rest frame of the Earth was inertial). The meaning of the above notation is
  645. that at time t, A is at the spatial location (x1,x2,x3)=(0,0,0) and B is at
  646. (x1,x2,x3)=(f(t),0,0) --- always with respect to S. 
  647.  
  648.     Let us now assume that A and B are at the same place at the time t1
  649. and again at a later time t2, and that they both carry high-quality clocks
  650. which indicate zero at time t1. High quality in this context means that the
  651. precision of the clock is independent of acceleration. [In principle, a
  652. bunch of muons provides such a device (unit of time: half-life of their
  653. decay).] 
  654.  
  655.     The correct expression for the time T such a clock will indicate at
  656. time t2 is the following [the second form is slightly less general than the
  657. first, but it's the good one for actual calculations]: 
  658.  
  659.          t2          t2      _______________ 
  660.             /           /      /             2 |
  661.       T  =  | d\tau  =  | dt \/  1 - [v(t)/c]              (1)
  662.         /           /
  663.         t1          t1
  664.  
  665. where d\tau is the so-called proper-time interval, defined by
  666.  
  667.               2         2      2      2      2
  668.      (c d\tau)  = (c dt)  - dx1  - dx2  - dx3 .
  669.  
  670. Furthermore,
  671.                    d                          d
  672.            v(t) = -- (x1(t), x2(t), x3(t)) = -- x(t)
  673.                   dt                         dt
  674.  
  675. is the velocity vector of the moving object. The physical interpretation
  676. of the proper-time interval, namely that it is the amount the clock time
  677. will advance if the clock moves by dx during dt, arises from considering
  678. the inertial frame in which the clock is at rest at time t --- its
  679. so-called momentary rest frame (see the literature cited below). [Notice
  680. that this argument is only of a heuristic value, since one has to assume
  681. that the absolute value of the acceleration has no effect. The ultimate
  682. justification of this interpretation must come from experiment.]
  683.  
  684.     The integral in (1) can be difficult to evaluate, but certain
  685. important facts are immediately obvious. If the object is at rest with
  686. respect to S, one trivially obtains T = t2-t1. In all other cases, T must
  687. be strictly smaller than t2-t1, since the integrand is always less than or
  688. equal to unity. Conclusion: the traveling twin is younger. Furthermore, if
  689. she moves with constant velocity v most of the time (periods of
  690. acceleration short compared to the duration of the whole trip), T will
  691. approximately be given by      ____________                              
  692.                   /          2 | 
  693.                     (t2-t1) \/  1 - [v/c]    .             (2)
  694.  
  695. The last expression is exact for a round trip (e.g. a circle) with constant
  696. velocity v. [At the times t1 and t2, twin B flies past twin A and they
  697. compare their clocks.] 
  698.  
  699.     Now the big deal with SR, in the present context, is that T (or
  700. d\tau, respectively) is a so-called Lorentz scalar. In other words, its
  701. value does not depend on the choice of S. If we Lorentz transform the
  702. coordinates of the world lines of the twins to another inertial frame S',
  703. we will get the same result for T in S' as in S. This is a mathematical
  704. fact. It shows that the situation of the traveling twins cannot possibly
  705. lead to a paradox _within_ the framework of SR. It could at most be in
  706. conflict with experimental results, which is also not the case. 
  707.  
  708.     Of course the situation of the two twins is not symmetric, although
  709. one might be tempted by expression (2) to think the opposite. Twin A is
  710. at rest in one and the same inertial frame for all times, whereas twin B
  711. is not.  [Formula (1) does not hold in an accelerated frame.]  This breaks 
  712. the apparent symmetry of the two situations, and provides the clearest
  713. nonmathematical hint that one twin will in fact be younger than the other
  714. at the end of the trip.  To figure out *which* twin is the younger one, use
  715. the formulae above in a frame in which they are valid, and you will find
  716. that B is in fact younger, despite her expectations. 
  717.  
  718.     It is sometimes claimed that one has to resort to General
  719. Relativity in order to "resolve" the Twin "Paradox". This is not true. In
  720. flat, or nearly flat space-time (no strong gravity), SR is completely
  721. sufficient, and it has also no problem with world lines corresponding to
  722. accelerated motion. 
  723.  
  724. References: 
  725.     Taylor and Wheeler, _Spacetime Physics_  (An *excellent* discussion)
  726.     Goldstein, _Classical Mechanics_, 2nd edition, Chap.7 (for a good 
  727.     general discussion of Lorentz transformations and other SR basics.) 
  728.  
  729. ********************************************************************************
  730. Item 8.
  731.  
  732. The Particle Zoo                updated 9-OCT-1992 by SIC
  733. ----------------                original by Matt Austern
  734.  
  735.     If you look in the Particle Data Book, you will find more than 150
  736. particles listed there.  It isn't quite as bad as that, though... 
  737.  
  738.     The particles are in three categories: leptons, mesons, and
  739. baryons. Leptons are particle that are like the electron: they are
  740. spin-1/2, and they do not undergo the strong interaction.  There are three
  741. charged leptons, the electron, muon, and tau, and three neutral leptons, or
  742. neutrinos.  (The muon and the tau are both short-lived.) 
  743.  
  744.     Mesons and baryons both undergo strong interactions.  The
  745. difference is that mesons have integral spin (0, 1,...), while baryons have
  746. half-integral spin (1/2, 3/2,...).  The most familiar baryons are the
  747. proton and the neutron; all others are short-lived.  The most familiar
  748. meson is the pion; its lifetime is 26 nanoseconds, and all other mesons
  749. decay even faster. 
  750.  
  751.     Most of those 150+ particles are mesons and baryons, or,
  752. collectively, hadrons.  The situation was enormously simplified in the
  753. 1960s by the "quark model," which says that hadrons are made out of
  754. spin-1/2 particles called quarks.  A meson, in this model, is made out of a
  755. quark and an anti-quark, and a baryon is made out of three quarks.  We
  756. don't see free quarks (they are bound together too tightly), but only
  757. hadrons; nevertheless, the evidence for quarks is compelling. Quark masses 
  758. are not very well defined, since they are not free particles, but we can 
  759. give estimates.  The masses below are in GeV; the first is current mass 
  760. and the second constituent mass (which includes some of the effects of the 
  761. binding energy):
  762.  
  763.       Generation:       1             2            3
  764.       U-like:     u=.006/.311   c=1.50/1.65   t=91-200/91-200
  765.       D-like:     d=.010/.315   s=.200/.500   b=5.10/5.10
  766.  
  767.     In the quark model, there are only 12 elementary particles, which
  768. appear in three "generations."  The first generation consists of the up
  769. quark, the down quark, the electron, and the electron neutrino. (Each of
  770. these also has an associated antiparticle.)  These particle make up all of
  771. the ordinary matter we see around us.  There are two other generations,
  772. which are essentially the same, but with heavier particles.  The second
  773. consists of the charm quark, the strange quark, the muon, and the muon
  774. neutrino; and the third consists of the top quark, the bottom quark, the
  775. tau, and the tau neutrino.  (The top has not been directly observed; see
  776. the "Top Quark" FAQ entry for details.)  These three generations are 
  777. sometimes called the "electron family", the "muon family", and the "tau 
  778. family." 
  779.  
  780.     Finally, according to quantum field theory, particles interact by
  781. exchanging "gauge bosons," which are also particles.  The most familiar on
  782. is the photon, which is responsible for electromagnetic interactions. 
  783. There are also eight gluons, which are responsible for strong interactions,
  784. and the W+, W-, and Z, which are responsible for weak interactions. 
  785.  
  786. The picture, then, is this:
  787.  
  788.             FUNDAMENTAL PARTICLES OF MATTER
  789.   Charge        -------------------------
  790.     -1          |  e    |  mu   |  tau  |
  791.      0          | nu(e) |nu(mu) |nu(tau)|
  792.                 -------------------------       + antiparticles
  793.    -1/3         | down  |strange|bottom |
  794.     2/3         |  up   | charm |  top  |
  795.                 -------------------------
  796.  
  797.             GAUGE BOSONS
  798.   Charge                        Force
  799.      0            photon                electromagnetism
  800.      0            gluons (8 of them)        strong force
  801.     +-1            W+ and W-            weak force
  802.      0            Z                weak force
  803.  
  804.     The Standard Model of particle physics also predict the
  805. existence of a "Higgs boson," which has to do with breaking a symmetry
  806. involving these forces, and which is responsible for the masses of all the
  807. other particles.  It has not yet been found.  More complicated theories
  808. predict additional particles, including, for example, gauginos and sleptons
  809. and squarks (from supersymmetry), W' and Z' (additional weak bosons), X and
  810. Y bosons (from GUT theories), Majorons, familons, axions, paraleptons,
  811. ortholeptons, technipions (from technicolor models), B' (hadrons with
  812. fourth generation quarks), magnetic monopoles, e* (excited leptons), etc. 
  813. None of these "exotica" have yet been seen.  The search is on! 
  814.  
  815. REFERENCES:
  816.  
  817.     The best reference for information on which particles exist, their
  818. masses, etc., is the Particle Data Book.  It is published every two years;
  819. the most recent edition is Physical Review D Vol.45 No.11 (1992). 
  820.  
  821.     There are several good books that discuss particle physics on a
  822. level accessible to anyone who knows a bit of quantum mechanics.  One is
  823. _Introduction to High Energy Physics_, by Perkins.  Another, which takes a
  824. more historical approach and includes many original papers, is
  825. _Experimental Foundations of Particle Physics_, by Cahn and Goldhaber. 
  826.  
  827.     For a book that is accessible to non-physicists, you could try _The
  828. Particle Explosion_ by Close, Sutton, and Marten.  This book has fantastic
  829. photography. 
  830.  
  831. ********************************************************************************
  832. Item 9.
  833.  
  834. Olbers' Paradox                    updated: 2-JUL-1992 by SIC
  835. ---------------
  836.  
  837.     Why isn't the night sky as uniformly bright as the surface of the
  838. Sun? If the Universe has infinitely many stars, then it should be.  After
  839. all, if you move the Sun twice as far away from us, we will intercept
  840. one-fourth as many  photons, but the Sun will subtend one-fourth of the
  841. angular area.  So the areal intensity remains constant.  With infinitely
  842. many stars, every angular element of the sky should have a star, and the
  843. entire heavens should be a bright as the sun.  We should have the
  844. impression that we live in the center of a hollow black body whose
  845. temperature is about 6000 degrees Centigrade.   This is Olbers' paradox.  
  846. It can be traced as far back as Kepler in 1610.  It was rediscussed by 
  847. Halley and Cheseaux in the eighteen century, but was not popularized as 
  848. a paradox until Olbers took up the issue in the nineteenth century.
  849.  
  850.     There are many possible explanations which have been considered. 
  851. Here are a few: 
  852.     (1) There's too much dust to see the distant stars.
  853.     (2) The Universe has only a finite number of stars.
  854.     (3) The distribution of stars is not uniform.  So, for example,
  855.         there could be an infinitely of stars, but they hide behind one
  856.         another so that only a finite angular area is subtended by them. 
  857.     (4) The Universe is expanding, so distant stars are red-shifted into
  858.         obscurity.
  859.     (5) The Universe is young.  Distant light hasn't even reached us yet.
  860.  
  861.     The first explanation is just plain wrong.  In a black body, the
  862. dust will  heat up too.  It does act like a radiation shield, exponentially
  863. damping the  distant starlight.  But you can't put enough dust into the
  864. universe to get rid of enough starlight without also obscuring our own Sun.
  865. So this idea is bad. 
  866.  
  867.     The second might have been correct, but estimates of the total
  868. matter in the universe are too large to allow this escape.  The number of
  869. stars is close enough to infinite for the purpose of lighting up the sky. 
  870. The third explanation might be partially correct.  We just don't know.  If
  871. the stars are distributed fractally, then there could be large patches of
  872. empty space, and the sky could appear dark except in small areas. 
  873.  
  874.     But the final two possibilities are are surely each correct and
  875. partly responsible.  There are numerical arguments that suggest that the
  876. effect of the finite age of the Universe is the larger effect.  We live
  877. inside a spherical shell of "Observable Universe" which has radius equal to
  878. the lifetime of the Universe.  Objects more than about 15 billions years
  879. old are too far away for their light ever to reach us. 
  880.  
  881.     Historically, after Hubble discovered that the Universe was
  882. expanding, but before the Big Bang was firmly established by the discovery
  883. of the cosmic background radiation, Olbers' paradox was presented as proof
  884. of special relativity.  You needed the red-shift (an SR effect) to get rid
  885. of the starlight.  This effect certainly contributes.  But the finite age
  886. of the Universe is the most important effect. 
  887.  
  888. References:  Ap. J. _367_, 399 (1991). The author, Paul Wesson, is said to
  889. be on a personal crusade to end the confusion surrounding Olbers' paradox. 
  890.  
  891. _Darkness at Night: A Riddle of the Universe_, Edward Harrison, Harvard
  892. University Press, 1987
  893.  
  894. ********************************************************************************
  895. Item 10.
  896.  
  897. What is Dark Matter?                 updated 11-May-1991 by SIC
  898. --------------------
  899.  
  900.     The story of dark matter is best divided into two parts.  First we
  901. have the reasons that we know that it exists.  Second is the collection of
  902. possible explanations as to what it is. 
  903.  
  904. Why the Universe Needs Dark Matter
  905. ----------------------------------
  906.  
  907.     We believe that that the Universe is critically balanced between
  908. being open and closed.  We derive this fact from the observation of the
  909. large scale structure of the Universe.  It requires a certain amount of
  910. matter to accomplish this result.  Call it M. 
  911.  
  912.     You can estimate the total BARYONIC matter of the universe by
  913. studying big bang nucleosynthesis.  The more matter in the universe, the
  914. more slowly the universe should have expanded shortly after the big bang. 
  915. The longer the "cooking time" allowed, the higher the production of helium
  916. from primordial hydrogen.  We know the He/H ratio of the universe, so we
  917. can estimate how much baryonic matter exists in the universe.  It turns out
  918. that you need about 0.05 M total baryonic matter to account for the known
  919. ratio of light isotopes.  So only 1/20 of the total mass of they Universe
  920. is baryonic matter.
  921.  
  922.     Unfortunately, the best estimates of the total mass of everything
  923. that we can see with our telescopes is roughly 0.01 M.  Where is the other
  924. 99% of the stuff of the Universe?  Dark Matter!
  925.  
  926.     So there are two conclusions.  We only see 0.01 M out of 0.05 M 
  927. baryonic matter in the Universe.  The rest must be in baryonic dark matter
  928. halos surrounding galaxies.  And there must be some non-baryonic dark matter 
  929. to account for the remaining 95% of the matter required to give omega, the 
  930. mass of universe, in units of critical mass, equal to unity. 
  931.  
  932.     For those who distrust the conventional Big Bang models, and don't
  933. want to rely upon fancy cosmology to derive the presence of dark matter,
  934. there are other more direct means.   It has been observed in clusters of
  935. galaxies that the motion of galaxies within a cluster suggests that they
  936. are bound by a total gravitational force due to about 5-10 times as much
  937. matter as can be accounted for from luminous matter in said galaxies.  And 
  938. within an individual galaxy, you can measure the rate of rotation of the
  939. stars about the galactic center of rotation.  The resultant "rotation
  940. curve" is simply related to the distribution of matter in the galaxy.  The
  941. outer stars in galaxies seem to rotate too fast for the amount of matter
  942. that we see in the galaxy.  Again, we need about 5 times more matter than
  943. we can see via electromagnetic radiation.  These results can be explained
  944. by assuming that there is a "dark matter halo" surrounding every galaxy. 
  945.  
  946. What is Dark Matter
  947. -------------------
  948.  
  949.     This is the open question.  There are many possibilities, and
  950. nobody really knows much about this yet.  Here are a few of the many
  951. published suggestions, which are being currently hunted for by
  952. experimentalists all over the world: 
  953.  
  954. (1) Normal matter which has so far eluded our gaze, such as 
  955.     (a) dark galaxies
  956.     (b) brown dwarfs
  957.     (c) planetary material (rock, dust, etc.)
  958.  
  959. (2) Massive Standard Model neutrinos.  If any of the neutrinos are massive,
  960. then this could be the missing mass.  Note that the possible 17 KeV tau
  961. neutrino would give far too much mass creating almost as many problems as
  962. it solves in this regard. 
  963.  
  964. (3) Exotica (See the "Particle Zoo" FAQ entry for some details)
  965.  
  966.     Massive exotica would provide the missing mass.  For our purposes, 
  967. these fall into two classes: those which have been proposed for other
  968. reasons but happen to solve the dark matter problem, and those which have
  969. been proposed specifically to provide the missing dark matter. 
  970.  
  971.     Examples of objects in the first class are axions, additional
  972. neutrinos, supersymmetric particles, and a host of others. Their properties
  973. are constrained by the theory which predicts them, but by virtue of their
  974. mass, they solve the dark matter problem if they exist in the correct
  975. abundance. 
  976.  
  977.     Particles in the second class are generally classed in loose groups. 
  978. Their properties are not specified, but they are merely required to be
  979. massive and have other properties such that they would so far have eluded
  980. discovery in the many experiments which have looked for new particles. 
  981. These include WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles), CHAMPS, and a
  982. host of others. 
  983.  
  984. References:  _Dark Matter in the Universe_ (Jerusalem Winter School for
  985. Theoretical Physics, 1986-7), J.N. Bahcall, T. Piran, & S. Weinberg editors.
  986. _Dark Matter_ (Proceedings of the XXIIIrd Recontre de Moriond) J. Audouze and 
  987. J. Tran Thanh Van. editors.
  988.  
  989. ********************************************************************************
  990. Item 11.
  991.  
  992. Hot Water Freezes Faster than Cold!        updated 11-May-1992 by SIC
  993. -----------------------------------        original by Richard M. Mathews
  994.  
  995.     You put two pails of water outside on a freezing day.  One has hot
  996. water (95 degrees C) and the other has an equal amount of colder water (50
  997. degrees C).  Which freezes first?  The hot water freezes first!  Why?  
  998.  
  999.     It is commonly argued that the hot water will take some time to
  1000. reach the initial temperature of the cold water, and then follow the same
  1001. cooling curve.  So it seems at first glance difficult to believe that the
  1002. hot water freezes first.  The answer lies mostly in evaporation. The effect
  1003. is definitely real and can be duplicated in your own kitchen. 
  1004.  
  1005.     Every "proof" that hot water can't freeze faster assumes that the
  1006. state of the water can be described by a single number.  Remember that
  1007. temperature is a function of position.  There are also other factors
  1008. besides temperature, such as motion of the water, gas content, etc. With
  1009. these multiple parameters, any argument based on the hot water having to
  1010. pass through the initial state of the cold water before reaching the
  1011. freezing point will fall apart.  The most important factor is evaporation.
  1012.  
  1013.     The cooling of pails without lids is partly Newtonian and partly by
  1014. evaporation of the contents.  The proportions depend on the walls and on
  1015. temperature.  At sufficiently high temperatures evaporation is more
  1016. important.  If equal masses of water are taken at two starting
  1017. temperatures, more rapid evaporation from the hotter one may diminish its
  1018. mass enough to compensate for the greater temperature range it must cover
  1019. to reach freezing.  The mass lost when cooling is by evaporation is not
  1020. negligible. In one experiment, water cooling from 100C lost 16% of its mass
  1021. by 0C, and lost a further 12% on freezing, for a total loss of 26%. 
  1022.  
  1023.     The cooling effect of evaporation is twofold.  First, mass is
  1024. carried off so that less needs to be cooled from then on.  Also,
  1025. evaporation carries off the hottest molecules, lowering considerably the
  1026. average kinetic energy of the molecules remaining. This is why "blowing on
  1027. your soup" cools it.  It encourages evaporation by removing the water vapor
  1028. above the soup. 
  1029.  
  1030.     Thus experiment and theory agree that hot water freezes faster than
  1031. cold for sufficiently high starting temperatures, if the cooling is by
  1032. evaporation.  Cooling in a wooden pail or barrel is mostly by evaporation. 
  1033. In fact, a wooden bucket of water starting at 100C would finish freezing in
  1034. 90% of the time taken by an equal volume starting at room temperature. The
  1035. folklore on this matter may well have started a century or more ago when
  1036. wooden pails were usual.  Considerable heat is transferred through the
  1037. sides of metal pails, and evaporation no longer dominates the cooling, so
  1038. the belief is unlikely to have started from correct observations after
  1039. metal pails became common. 
  1040.  
  1041. References: 
  1042.     "Hot water freezes faster than cold water.  Why does it do so?",
  1043.     Jearl Walker in The Amateur Scientist, Scientific American,
  1044.     Vol. 237, No. 3, pp 246-257; September, 1977.
  1045.  
  1046.     "The Freezing of Hot and Cold Water", G.S. Kell in American
  1047.     Journal of Physics, Vol. 37, No. 5, pp 564-565; May, 1969.
  1048.  
  1049. ********************************************************************************
  1050. END OF FAQ PART 1/2
  1051.  
  1052.  
  1053. -- 
  1054.  
  1055. $@"#""(J $@?KC+4n5WM:!w#U#K%7%'%U%#!<%k%IBg3XM}3XItJ*M}3X2J(J $@"""#(J
  1056. $@"""#(J E-mail: harigaya@etl.go.jp   FAX: +44-742-728079 $@"#""(J
  1057.