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[light-and-matter.git] / lm / em / c.rbtex
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1 <%
2   require "../eruby_util.rb"
3 %>
5 <% if false then figure_in_toc("einstein") end %>
7 <%
8   chapter(
9     '23',
10     %q{Relativity and magnetism},
11     'ch:relativity',
12     '',
13     {'opener'=>''}
14   )
17 Many people imagine Einstein's theory of relativity as something exotic and speculative. It's certainly
18 not speculative at this point in history, since you use it every time you use a GPS receiver. But it's
19 even less exotic than that. Every time you stick a magnet to your refrigerator, you're making use of
20 relativity. The title of this chapter is ``Electromagnetism,'' but we'll start out by digging a little deeper
21 into relativity as preparation for understanding what magnetism is and where it comes from.
23 <% begin_sec("Relativistic distortion of Space and Time") %>\label{sec:x-t-distortion}
24 <% begin_sec("Time distortion arising from motion and gravity") %>
25 Let's refer back to the results of the Hafele-Keating experiment described on
26 p.~\pageref{hafele-keating}. Hafele and Keating were testing specific quantitative predictions of relativity, and they verified them to within
27 their experiment's error bars. Let's work backward instead, and
28 inspect the empirical results for clues as to how time works.
30 The east-going clock lost time, ending up off by $-59\pm10$ nanoseconds, while the west-going one gained $273\pm7$ ns.
31 Since two traveling clocks experienced effects in opposite directions,
32 we can tell that the rate at which time flows depends on the motion
33 of the observer. The east-going clock was moving in the same direction as the earth's rotation, so its velocity
34 relative to the earth's center was greater than that of the clock that remained in Washington, while the west-going clock's velocity was
35 correspondingly reduced. The fact that the east-going clock fell behind, and the west-going one got ahead,
36 shows that the effect of motion is to make time go more slowly. This effect of motion on time was predicted by
37 Einstein in his original 1905 paper on relativity, written when he was 26.
38 <% marg(70) %>
40   fig(
41     'hafele-keating-directions',
42     %q{All three clocks are moving to the east. Even though the west-going plane is moving to the west relative to the air, the air is moving
43            to the east due to the earth's rotation.}
44   )
46 <% end_marg %>
48 If this had been the only effect in the Hafele-Keating experiment, then we would have expected to see effects on the
49 two flying clocks that were equal in size. Making up some simple numbers to keep the arithmetic transparent, suppose that the earth rotates
50 from west to east at 1000 km/hr, and that the planes fly at 300 km/hr. Then the speed of the clock on the ground
51 is 1000 km/hr, the speed of the clock on the east-going plane is 1300 km/hr, and that of the west-going clock 700 km/hr.
52 Since the speeds of 700, 1000, and 1300 km/hr have equal spacing on either side of 1000, we would expect the discrepancies
53 of the moving clocks relative to the one in the lab to be equal in size but opposite in sign.
55 In fact, the two effects are unequal in size: $-59$ ns and 273 ns. This
56 implies that there is a second effect involved, a speeding up of time
57 simply due to the planes' being up in the air. 
58 This was verified more directly in a 1978 experiment by Iijima and Fujiwara, figure \figref{iijima}, in which identical atomic
59 clocks were kept at rest at the top and bottom of a mountain near Tokyo.
60 This experiment, unlike the Hafele-Keating one, isolates one effect on time, the gravitational one: time's
61 rate of flow increases with height in a gravitational field. Einstein didn't figure out
62 how to incorporate gravity into relativity until 1915, after much frustration and many false starts. The
63 simpler version of the theory without gravity is known as special relativity, the full version as general
64 relativity. We'll restrict ourselves to special relativity until chapter \ref{ch:genrel}, and that means that what we want to
65 focus on right now is the distortion of time due to motion, not gravity.\label{iijima}
68   fig(   
69     'iijima',
70     %q{%
71        A graph 
72        showing the time difference between two atomic clocks. One clock was kept at Mitaka Observatory, at 58 m above sea level.
73        The other was moved back and forth to a second observatory, Norikura Corona Station, at the peak of the Norikura volcano, 2876 m above sea level.
74        The plateaus on the graph are data from the periods when the clocks were compared side by side at Mitaka. The difference between one plateau and the next
75        shows a gravitational effect on the rate of flow of time, accumulated during the period when the mobile clock was at the top of Norikura.
76        Cf.~problem \ref{hw:pound-rebka}, p.~\pageref{hw:pound-rebka}.
77     },
78     {
79       'width'=>'wide','sidecaption'=>false
80     }
81   )
84 We can now see in more detail how to apply the correspondence principle. The behavior of the three clocks in the
85 Hafele-Keating experiment shows that the amount of time distortion increases as the speed of the clock's motion
86 increases. Newton lived in an era when the fastest
87 mode of transportation was a galloping horse, and the best
88 pendulum clocks would accumulate errors of perhaps a minute over the course of several days.
89 A horse is much slower than a jet plane, so the
90 distortion of time would have had a relative size of only $\sim10^{-15}$ --- much smaller than the clocks were capable of detecting.
91 At the speed of a passenger jet, the effect is about $10^{-12}$,
92 and state-of-the-art atomic clocks in 1971 were capable of measuring that.
93 A GPS satellite travels much faster than a jet airplane, and the effect on the satellite
94 turns out to be $\sim10^{-10}$. The general idea here is that all physical laws are approximations, and
95 approximations aren't simply right or wrong in different situations. Approximations are better or worse
96 in different situations, and the question is whether a particular approximation is good enough in a given
97 situation to serve a particular purpose. The faster the motion, the worse the Newtonian approximation of
98 absolute time. Whether the approximation is good enough depends on what you're trying to accomplish.
99 The correspondence principle says that the approximation must have been good enough to explain
100 all the experiments done in the centuries before Einstein came up with relativity.
101 <% marg(80) %>
103   fig(
104     'correspondence-dramatized',
105     %q{The correspondence principle requires that the relativistic distortion of time become small for small velocities.}
106   )
108 <% end_marg %>
110 By the way, don't get an inflated idea of the importance of these atomic clock
111 experiments. Special relativity had already been confirmed by a vast and varied body of experiments decades
112 before the 1970's. The only reason I'm giving such a prominent role to these experiments, which were actually more important as tests of
113 general relativity, is that they were conceptually very direct.
114 It would be nice to have an equally simple and transparent atomic clock experiment 
115 in which only the effect of motion was singled out, with no gravitational effect.
116 Example \ref{eg:chou} on page \pageref{eg:chou} describes how something along these lines was eventually
117 carried out, forty years after the Hafele-Keating experiment.
118 <% end_sec %> % Time distortion arising from motion and gravity
120 <% begin_sec("The Lorentz transformation") %>\label{sec:lorentz}
121 Relativity says that when two observers are in different frames of reference, each observer considers
122 the other one's perception of time to be distorted. We'll also
123 see that something similar happens to their observations of distances, so both space and
124 time are distorted.
125 What exactly is this distortion? How do we even conceptualize it?
127 The idea isn't really as radical as it might seem at first. We can visualize the structure of space
128 and time using a graph with position and time on its axes. These graphs are familiar by now, but
129 we're going to look at them in a slightly different way. Before, we used them to describe the motion
130 of objects. The grid underlying the graph was merely the stage on which the actors played their parts.
131 Now the background comes to the foreground: it's time and space themselves that we're studying.
132 We don't necessarily need to have a line or a curve drawn on top of the grid to represent a particular
133 object. We may, for example, just want to talk about events, depicted as points on the graph as in
134 figure \figref{joan-of-arc}. A distortion of the Cartesian grid underlying the graph can arise for
135 perfectly ordinary reasons that Newton would have readily accepted. For example, we can simply
136 change the units used to measure time and position, as in figure \figref{change-of-units}. 
137 <% marg(50) %>
139   fig(
140     'joan-of-arc',
141     %q{Two events are given as points on a graph of position versus time. Joan of Arc helps to restore Charles VII to the throne.
142          At a later time and a different position, Joan of Arc is sentenced to death.}
143   )
145 \spacebetweenfigs
147   fig(
148     'change-of-units',
149     %q{A change of units distorts an $x$-$t$ graph. This graph depicts exactly the same events as figure \figref{joan-of-arc}.
150           The only change is that the $x$ and $t$ coordinates are measured using different units, so the grid is compressed
151           in $t$ and expanded in $x$.}
152   )
154 \spacebetweenfigs
156   fig(
157     'change-of-units-convention',
158     %q{A convention we'll use to represent a distortion of time and space.}
159   )
161 <% end_marg %>
163 \enlargethispage{-3\baselineskip}
165 We're going to
166 have quite a few examples of this type, so I'll adopt the convention shown in figure \figref{change-of-units-convention}
167 for depicting them. Figure \figref{change-of-units-convention} summarizes the relationship between figures
168 \figref{joan-of-arc} and \figref{change-of-units} in a more compact form. The gray rectangle represents the
169 original coordinate grid of figure \figref{joan-of-arc}, while the grid of black lines represents the new version
170 from figure \figref{change-of-units}. Omitting the grid from the gray rectangle makes the diagram easier
171 to decode visually.
173 Our goal of unraveling the mysteries of special relativity amounts to nothing more than finding out how to
174 draw a diagram like \figref{change-of-units-convention} in the case where the two different sets of coordinates represent
175 measurements of time and space made by two different observers, each in motion relative to the other.
176 Galileo and Newton thought they knew the answer to this question, but their answer turned out to be
177 only approximately right. To avoid repeating the same mistakes, we need to clearly spell out what we think are
178 the basic properties of time and space that will be a reliable foundation for our reasoning. I want to emphasize
179 that there is no purely logical way of deciding on this list of properties. The ones I'll list are simply a summary of the
180 patterns observed in the results
181 from a large body of experiments. Furthermore, some of them are only approximate. For example, property 1 below
182 is only a good approximation when the gravitational field is weak, so it is a property that applies to
183 special relativity, not to general relativity.
185 Experiments show that:\label{spacetime-properties}
186 \begin{enumerate}
187 \item No point in time or space has properties that make it different from any other point.
188 \item Likewise, all directions in space have the same properties.
189 \item Motion is relative, i.e., all inertial frames of reference are equally valid.
190 \item Causality holds, in the sense described on page \pageref{causality-defined}.
191 \item Time depends on the state of motion of the observer.
192 \end{enumerate}
194 Most of these are not very subversive. Properties 1 and 2 date back to the time when Galileo and Newton started
195 applying the same universal laws of motion to the solar system and to the earth; this contradicted
196 Aristotle, who believed that, for example, a rock would naturally want to move in a certain special
197 direction (down) in order to reach a certain special location (the earth's surface).
198 Property 3 is the reason that Einstein called his theory ``relativity,'' but Galileo and Newton
199 believed exactly the same thing to be true, as dramatized by Galileo's run-in with the Church over
200 the question of whether the earth could really be in motion around the sun. Example
201 \ref{eg:clock-comparison-inertia} on p.~\pageref{eg:clock-comparison-inertia} describes a modern, high-precision
202 experiment that can be interpreted as a test of this principle.
203 Property 4 would probably surprise most people only because it asserts in such a weak and specialized
204 way something that they feel deeply must be true. The only really strange item on the list is 5,
205 but the Hafele-Keating experiment forces it upon us.
207 \enlargethispage{-2\baselineskip}
209 If it were not for property 5, we could imagine that figure \figref{galilean-boost} would
210 give the correct transformation between frames of reference in motion relative to one another.
211 Let's say that observer 1, whose grid coincides with the gray rectangle, is a hitch-hiker standing
212 by the side of a road. Event A is a raindrop hitting his head, and event B is another raindrop hitting
213 his head. He says that A and B occur at the same location in space. Observer 2 is a motorist who
214 drives by without stopping; to him, the passenger compartment of his car is at rest, while the
215 asphalt slides by underneath. He says that A and B occur at different points in space, because
216 during the time between the first raindrop and the second, the hitch-hiker has moved backward.
217 On the other hand, observer 2 says that events A and C occur in the same place, while the hitch-hiker
218 disagrees. The slope of the grid-lines is simply the velocity of the relative motion of each observer
219 relative to the other.
220 <% marg(70) %>
222   fig(
223     'galilean-boost',
224     %q{A Galilean version of the relationship between two frames of reference. As in all such graphs in
225       this chapter, the original coordinates, represented by the gray rectangle, have a time axis that
226       goes to the right, and a position axis that goes straight up.}
227   )
229 <% end_marg %>
231 Figure \figref{galilean-boost} has familiar, comforting, and eminently sensible
232 behavior, but it also happens to be wrong, because it violates property 5. The distortion of
233 the coordinate grid has only moved the vertical lines up and down, so both observers agree
234 that events like B and C are simultaneous. If this was really the way things worked, then
235 all observers could synchronize all their clocks with one another for once and for all, and
236 the clocks would never get out of sync. This contradicts the results of the Hafele-Keating
237 experiment, in which all three clocks were initially synchronized in Washington, but later
238 went out of sync because of their different states of motion.
240 It might seem as though we still had a huge amount of wiggle room available for the correct
241 form of the distortion. It turns out, however, that properties 1-5 are sufficient to prove that there
242 is only one answer, which is the one found by Einstein in 1905. To see why this is, let's work by
243 a process of elimination.
245 Figure \figref{bowtie} shows a transformation that might
246 seem at first glance to be as good a candidate as any other,
247 but it violates property 3, that motion is relative, for the following
248 reason. In observer 2's frame of reference, some of the grid lines cross one another.
249 This means that observers 1 and 2 disagree on whether or not certain events are the same.
250 For instance, suppose that event A marks the arrival of an arrow at the bull's-eye of a
251 target, and event B is the location and time when the bull's-eye is punctured.
252 Events A and B occur
253 at the same location and at the same time. If one observer says that A and B coincide, but another
254 says that they don't, we have a direct contradiction. Since the two frames of reference in figure
255 \figref{bowtie} give contradictory results, one of them is right and one is wrong. This violates
256 property 3, because all inertial frames of reference are supposed to be equally valid.
257 To avoid problems like this, we clearly need to make sure that none of the grid lines ever cross
258 one another.
260 <% marg(70) %>
262   fig(
263     'bowtie',
264     %q{A transformation that leads to disagreements about whether two events occur at the same time and place.
265        This is not just a matter of opinion. Either the arrow hit the bull's-eye or it didn't.}
266   )
268 \spacebetweenfigs
270   fig(
271     'nonlinear-transformation',
272     %q{A nonlinear transformation.}
273   )
275 <% end_marg %>
277 The next type of transformation we want to kill off is shown in figure \figref{nonlinear-transformation},
278 in which the grid lines curve, but never cross one another.
279 The trouble with this one is that
280 it violates property 1, the uniformity of time and space. The transformation is unusually
281 ``twisty'' at A, whereas at B it's much more smooth. This can't be correct, because the transformation
282 is only supposed to depend on the relative state of motion of the two frames of reference, and
283 that given information doesn't single out a special role for any particular point in spacetime.
284 If, for example, we had one frame of reference \emph{rotating} relative to the other, then there
285 would be something special about the axis of rotation. But we're only talking about \emph{inertial}
286 frames of reference here, as specified in property 3, so we can't have rotation; each frame of reference
287 has to be moving in a straight line at constant speed.
288 For frames related in this way, there is nothing that could single out an event like A for special
289 treatment compared to B, so transformation \figref{nonlinear-transformation} violates property 1.
291 \enlargethispage{-3\baselineskip}
293 The examples in figures \figref{bowtie} and \figref{nonlinear-transformation} show that the transformation
294 we're looking for must be linear, meaning that it must transform lines into lines, and furthermore that
295 it has to take parallel lines to parallel lines.\index{homogeneity of spacetime}
296 Einstein wrote in his 1905 paper that ``\ldots on account of the property of homogeneity [property 1] which we ascribe to time and space,
297 the [transformation] must be linear.''\footnote{A. Einstein, ``On the Electrodynamics of Moving Bodies,''
298 \emph{Annalen der Physik 17} (1905), p. 891, tr. Saha and Bose.}
299 % Shamos, p. 323
300 Applying this to our diagrams,
301 the original gray rectangle, which is a special type of parallelogram containing right angles,
302 must be transformed into another parallelogram.
303 There are three types of transformations, figure \figref{three-cases}, that have this property.
304 Case I is the Galilean transformation of figure \figref{galilean-boost} on page \pageref{fig:galilean-boost},
305 which we've already ruled out.
307   fig(   
308     'three-cases',
309     %q{%
310       Three types of transformations that preserve parallelism. Their distinguishing feature is what they do
311       to simultaneity, as shown by what happens to the left edge of the original rectangle. In I, the left edge remains
312       vertical, so simultaneous events remain simultaneous. In II, the left edge turns counterclockwise. In III, it turns clockwise.
313     },
314     {
315       'width'=>'wide','sidecaption'=>false
316     }
317   )
320 Case II can also be discarded. Here every point on the grid rotates counterclockwise. What physical parameter would
321 determine the amount of rotation? The only thing that could be relevant would be
322 $v$, the relative velocity of the motion of the two frames of reference with respect to one
323 another. But if the angle of rotation was proportional to $v$, then for large enough velocities
324 the grid would have left and right reversed, and this would violate property 4, causality: one observer
325 would say that event A caused a later event B, but another observer would say that B came first
326 and caused A.
327 <% marg(-21) %>
329   fig(
330     'smooshing',
331     %q{In the units that are most convenient for relativity, the transformation has symmetry about a 45-degree diagonal line.}
332   )
334 <% end_marg %>
336 \enlargethispage{-3\baselineskip}
338 \vspace{15mm}
340 The only remaining possibility is case III, which I've redrawn in figure \figref{smooshing} with a couple
341 of changes. This is the one that Einstein predicted in 1905. The transformation is known as the Lorentz transformation,
342 after Hendrik Lorentz (1853-1928),\index{Lorentz, Hendrik}\index{Lorentz transformation}
343 who partially anticipated Einstein's work, without arriving at the correct interpretation.
344 The distortion is a kind of smooshing and stretching, as suggested by the hands. Also, we've already seen in figures
345 \figref{joan-of-arc}-\figref{change-of-units-convention} on page \pageref{fig:joan-of-arc} that we're free to stretch
346 or compress everything as much as we like in the horizontal and vertical directions, because this simply corresponds
347 to changing the units of measurement for time and distance. In figure \figref{smooshing} I've chosen units that
348 give the whole drawing a convenient symmetry about a 45-degree diagonal line. Ordinarily it wouldn't make sense to
349 talk about a 45-degree angle on a graph whose axes had different units. But in relativity, the symmetric appearance of
350 the transformation tells us that space and time ought to be treated on the same footing, and measured in the same units.
352 \pagebreak
354 As in our discussion of the Galilean transformation, slopes are interpreted as velocities, and
355 the slope of the near-horizontal lines in figure \figref{lorentz-slope} is interpreted as the relative velocity of the two observers.
356 The difference between the Galilean version and the relativistic one is that now there is smooshing happening from the
357 other side as well. Lines that were vertical in the original grid, representing simultaneous events, now slant over to
358 the right. This tells us that, as required by property 5, different observers do not agree on whether events that occur in different places are
359 simultaneous. The Hafele-Keating experiment tells us that this non-simultaneity effect is fairly small, even when the velocity is as
360 big as that of a passenger jet, and this is what we would have anticipated by the correspondence principle. The way that
361 this is expressed in the graph is that if we pick the time unit to be the second, then the distance unit turns out to be hundreds of thousands of miles.
362 In these units, the velocity of a passenger jet is an extremely small number, so the slope $v$ in a figure like \figref{lorentz-slope}
363 is extremely small, and the amount of distortion is tiny --- it would be much too small to see on this scale.
364 <% marg(100) %>
366   fig(
367     'lorentz-slope',
368     %q{Interpretation of the Lorentz transformation. The slope indicated in the figure gives the relative velocity of the two frames of reference.
369          Events A and B that were simultaneous in frame 1 are not simultaneous in frame 2, where event A occurs to the right of the $t=0$ line represented
370          by the left edge of the grid, but event B occurs to its left.}
371   )
373 <% end_marg %>
375 The only thing left to determine about the Lorentz transformation is the size of the transformed parallelogram relative to the
376 size of the original one. Although the drawing of the hands in figure \figref{smooshing} may suggest that the grid deforms like
377 a framework made of rigid coat-hanger wire, that is not the case. If you look carefully at the figure, you'll see that the edges
378 of the smooshed parallelogram are actually a little longer than the edges of the original rectangle. In fact what stays the same
379 is not lengths but \emph{areas}, as proved in the caption to figure \figref{area-proof}.
381 <% end_sec %> % The Lorentz transformation
384   fig('area-proof',
385     %q{Proof that Lorentz transformations don't change area: We first subject a square to a transformation with velocity $v$, and this increases its area by a factor $R(v)$, which
386        we want to prove equals 1. We chop the resulting parallelogram up into little squares and finally apply a $-v$ transformation;
387        this changes each little square's area by a factor $R(-v)$, so the whole figure's area is also scaled by $R(-v)$.
388        The final result is to restore the square to its original shape and area, so $R(v)R(-v)=1$. But $R(v)=R(-v)$ by property 2 of spacetime
389        on page \pageref{spacetime-properties}, which states that all directions in space have the same properties, so $R(v)=1$.
390      },
391     {
392       'width'=>'fullpage'
393     }
394   )
397 <% begin_sec("The $\\mygamma$ factor") %>\label{sec:gamma}
399 Figure \figref{lorentz-slope} showed us that observers in different frames disagree on whether different events are simultaneous.
400 This is an indication that time is not absolute, so we shouldn't be surprised that time's rate of flow is also different for different observers.
401 We use the symbol $\mygamma$ (Greek letter gamma)
402 defined in the figure \figref{gamma-as-projection} to measure this unequal rate of flow.
403 With a little algebra and geometry (homework problem \ref{hw:gamma-derivation}, page \pageref{hw:gamma-derivation}),
404 one can use the equal-area property to show that this ratio is given by
405 \begin{equation*}
406   \mygamma = \frac{1}{\sqrt{1-v^2}} \qquad .
407 \end{equation*}
408 If you've had good training in physics, the first thing you probably think when you look at this equation is that it must be
409 nonsense, because its units don't make sense. How can we take something with units of velocity squared, and subtract it from
410 a unitless 1? But remember that this is expressed in our new relativistic units, in which the same units are used for
411 distance and time. In this system, velocities are always unitless. This sort of thing happens frequently in physics. For
412 instance, before James Joule discovered conservation of energy, nobody knew that heat and mechanical energy were different
413 forms of the same thing, so instead of measuring them both in units of joules as we would do now, they measured heat in
414 one unit (such as calories) and mechanical energy in another (such as foot-pounds). In ordinary metric units, we just need
415 an extra conversion factor, called $c$, and the equation becomes
416 \begin{equation*}
417   \mygamma = \frac{1}{\sqrt{1-\left(\frac{v}{c}\right)^2}} \qquad .
418 \end{equation*}
419 <% marg(200) %>
421   fig(
422     'gamma-as-projection',
423     %q{The clock is at rest in the original frame of reference, and it measures a time interval $t$.
424        In the new frame of reference, the time interval is greater by a factor that we notate as $\mygamma$.}
425   )
427 <% end_marg %>
429 When we say, ``It's five hours from LA to Vegas,'' we're using a unit of time as a unit of distance. This works because
430 there is a standard speed implied: the speed of a car on the freeway. Similarly, the conversion factor $c$ can be interpreted
431 as a speed, so that $v/c$ is the unitless ratio of two speeds. As argued on p.~\pageref{subsec:time-delays},
432 cause and effect can never be propagated instantaneously; $c$ turns out to be the specific numerical speed limit on
433 cause and effect. In particular, we'll see in section \ref{sec:universal-speed-c} that light travels at $c$, which has a numerical
434 value of $3.0\times10^8\ \munit/\sunit$.\index{speed of light}
435 <% marg(20) %>
437   fig(
438     'gamma-graph-small',
439     %q{A graph of $\gamma$ as a function of $v$.}
440   )
442 <% end_marg %>
445 \pagebreak
447 Because $\mygamma$ is always greater than 1, we have the following interpretation:
449 \begin{lessimportant}[Time dilation]
450 A clock runs fastest in the frame of reference of an observer who is at rest relative to the clock. An observer
451 in motion relative to the clock at speed $v$ perceives the clock as running more slowly by a factor of $\mygamma$.
452 \end{lessimportant}
454 <% marg(100) %>
456   fig(
457     'length-contraction',
458     %q{The ruler is moving in frame 1, represented by a square, but at rest in frame 2, shown as a parallelogram.
459        Each picture of the ruler is a snapshot taken at a certain moment as judged according to frame 2's
460        notion of simultaneity. An observer in frame 1 judges the ruler's length instead according to
461        frame 1's definition of simultaneity, i.e., using points that are lined up vertically on the graph.
462        The ruler appears shorter in the frame in which it is moving.
463        As proved in figure \figref{length-contraction-proof}, the length contracts from $L$ to $L/\gamma$.}
464   )
466 <% end_marg %>
469   fig('length-contraction-proof',
470     %q{This figure proves, as claimed in figure \figref{length-contraction}, that the length contraction is $x=1/\gamma$.
471        First we slice the parallelogram vertically like a salami and slide the slices down, making the
472        top and bottom edges horizontal. Then we do the same in the horizontal direction, forming a rectangle
473        with sides $\gamma$ and $x$. Since both the Lorentz transformation and the slicing processes leave
474        areas unchanged, the area $\gamma x$  of the rectangle must equal the area of the original square, which is 1.
475      },
476     {
477       'width'=>'wide'
478       #'sidecaption'=>true
479     }
480   )
483 \noindent As proved in figures \figref{length-contraction} and \figref{length-contraction-proof}, lengths are also distorted:
485 \begin{lessimportant}[Length contraction]
486 A meter-stick appears longest to an observer who is at rest relative to it. An observer moving relative to the
487 meter-stick at $v$ observes the stick to be shortened by a factor of $\mygamma$.
488 \end{lessimportant}
490 \vfill
492 <% self_check('gammaatvzero',<<-'SELF_CHECK'
493 What is $\mygamma$ when $v=0$? What does this mean?
494   SELF_CHECK
495   ) %>
497 \vfill
499 \pagebreak
502   fig('interstellar-road-trip',
503     'Example \ref{eg:interstellar-road-trip}.',
504     {
505       'width'=>'wide',
506       'sidecaption'=>true
507     }
508   )
511 \begin{eg}{An interstellar road trip}\label{eg:interstellar-road-trip}
512 Alice stays on earth while her twin Betty
513 heads off in a spaceship for Tau Ceti, a nearby star. Tau Ceti is 12 light-years
514 away, so even though Betty travels at 87\% of the speed of light, it will take
515 her a long time to get there: 14 years, according to Alice.
517 Betty
518 experiences time dilation. At this speed, her $\gamma$ is 2.0, so that the voyage will
519 only seem to her to last 7 years. But there is perfect symmetry between Alice's
520 and Betty's frames of reference, so Betty agrees with Alice on their relative speed;
521 Betty sees herself as being at rest, while the sun and Tau Ceti both move backward
522 at 87\% of the speed of light. How, then, can she observe Tau Ceti to get to her
523 in only 7 years, when it should take 14 years to travel 12 light-years at this speed?
525 We need to take into account length contraction.
526 Betty sees the distance between the sun and Tau Ceti
527 to be shrunk by a factor of 2. The same thing occurs for Alice, who observes
528 Betty and her spaceship to be foreshortened.
529 \end{eg}
532 \pagebreak
534 \begin{eg}{The correspondence principle}\label{eg:gamma-for-low-v}
535 The correspondence principle requires that $\mygamma$ be close to 1 for the velocities much less than $c$ encountered
536 in everyday life. Let's explicitly find the amount $\epsilon$ by which $\mygamma$ differs from 1, when $v$ is small. Let $\mygamma=1+\epsilon$.
537 The definition of $\mygamma$ gives $1=\mygamma^2(1-v^2/c^2)$, so $1=(1+2\epsilon+\epsilon^2)(1-v^2/c^2)\approx 1+2\epsilon-v^2/c^2$, where
538 the approximation comes from discarding very small terms such as $\epsilon^2$ and $\epsilon v^2/c^2$. We find $\epsilon=v^2/2c^2$.
539 As expected, this will be small when $v$ is small compared to $c$.
540 \end{eg}
542 \vfill
544 Figure \figref{gamma-graph-small} shows that the approximation found
545 in example \ref{eg:gamma-for-low-v} is \emph{not} valid for large values of $v/c$. In fact, $\gamma$
546 blows up to infinity as $v$ gets closer and closer to $c$.
548 \vfill
550 <% marg(130) %>
552   fig(
553     'atomic-clock-gamma',
554     %q{Time dilation measured with an atomic clock at low speeds. The theoretical curve, shown with a dashed line,
555        is calculated from $\mygamma=1/\sqrt{1-(v/c)^2}$; at these small velocities, the approximation of example
556        \ref{eg:gamma-for-low-v} is an excellent one, so $\mygamma\approx 1+v^2/2c^2$, and the graph is indistinguishable
557        from a parabola. This graph corresponds to an extreme close-up view of the lower left corner of 
558        figure \figref{gamma-graph-small}.  The error bars on the experimental points are about the same size as the dots.}
559   )
561 <% end_marg %>
563 \begin{eg}{A moving atomic clock}\label{eg:chou}
564 Example \ref{eg:gamma-for-low-v} shows that when
565 $v$ is small, relativistic effects are approximately proportional to $v^2$, so it is very
566 difficult to observe them at low speeds. For example, a car on
567 the freeway travels at about 1/10 the speed of a passenger jet, so the resulting
568 time dilation is only 1/100 as much. For this reason, it was not until four decades after Hafele and Keating
569 that anyone did a conceptually simple atomic clock experiment
570 in which the only effect was motion, not gravity; it is difficult to
571 move a clock at a high enough velocity without putting it in some kind of aircraft, which then has to fly at some
572 altitude. In 2010, however, Chou \emph{et al.}\footnote{Science 329 (2010) 1630} succeeded in building an atomic
573 clock accurate enough to detect time dilation at speeds as low
574 as 10 m/s. Figure \figref{atomic-clock-gamma} shows their results.
575 Since it was not practical to move the entire clock, the experimenters only moved the aluminum atoms inside the
576 clock that actually made it ``tick.''
577 \end{eg}
581   fig(
582     'cern-muon-storage-ring',
583     %q{Apparatus used for the test of relativistic time dilation described in example \ref{eg:cern-muons}. 
584        The prominent black and white blocks are large magnets surrounding a circular pipe
585        with a vacuum inside. \linebreak (c) 1974 by CERN.
586     },
587     {
588       'width'=>'wide',
589       'sidecaption'=>true,
590       'sidepos'=>'t'
591     }
592   )
595 \begin{eg}{Large time dilation}\label{eg:cern-muons}
596 The time dilation effect in the Hafele-Keating experiment was very small. If we want to see a large time dilation
597 effect, we can't do it with something the size of the atomic clocks they used; the kinetic energy would be
598 greater than the total megatonnage of all the world's nuclear arsenals. We can, however, accelerate subatomic particles
599 to speeds at which $\mygamma$ is large. For experimental particle physicists, relativity is something you do all day
600 before heading home and stopping off at the store for milk. An early, low-precision experiment of this kind was
601 performed by Rossi and Hall in 1941, using naturally occurring cosmic rays. Figure \figref{cern-muon-storage-ring} shows
602 a 1974 experiment\footnote{Bailey at al., Nucl. Phys. B150(1979) 1}
603 of a similar type which verified the time dilation predicted by relativity to a precision of about
604 one part per thousand.
605 <% marg(-4) %>
607   fig(
608     'cern-muon-graph',
609     %q{Example \ref{eg:cern-muons}: Muons accelerated to nearly $c$ undergo radioactive decay much more slowly than they would according to
610        an observer at rest with respect to the muons. The first two data-points (unfilled circles) were subject
611        to large systematic errors.},
612     {
613       'anaonymous'=>true
614     }
615   )
617 <% end_marg %>
619 \vspace{30mm}
621 Particles called muons (named after the Greek letter $\mu$, ``myoo'') were produced by an
622 accelerator at CERN, near Geneva. A muon is essentially a heavier version
623 of the electron. Muons undergo radioactive decay,
624 lasting an average of only 2.197 $\mu\sunit$ before they evaporate into an electron and two neutrinos.
625 The 1974 experiment was actually built in order to measure the magnetic properties of muons, but it produced a high-precision
626 test of time dilation as a byproduct. Because muons have the same electric charge as electrons, they can be trapped using
627 magnetic fields. Muons were injected into the ring shown in figure \figref{cern-muon-storage-ring}, circling around it until they underwent radioactive decay.
628 At the speed at which these muons were traveling, they had $\mygamma=29.33$, so on the average they lasted 29.33 times
629 longer than the normal lifetime. In other words, they were like tiny alarm clocks that self-destructed at a randomly
630 selected time. Figure \figref{cern-muon-graph} shows the number of radioactive decays counted, as a function of the
631 time elapsed after a given stream of muons was injected into the storage ring. The two dashed lines show the rates
632 of decay predicted with and without relativity. The relativistic line is the one that agrees with experiment.
633 \end{eg}
635 \pagebreak
638   fig(
639     'schoolbus-with-x-t',
640     %q{%
641       Example }+ref_workaround('eg:garage-paradox')+%q{: In the garage's frame of reference, the bus
642       is moving, and fits in the garage due to length contraction. In the bus's frame,
643       the garage is moving, and can't hold the bus due to \emph{its} length contraction.
644     },
645     {
646       # 'anonymous'=>true,
647       'width'=>'fullpage'
648     }
649   )
652 \begin{eg}{The garage paradox}\label{eg:garage-paradox}\index{garage paradox}
653 Suppose we
654 take a schoolbus and drive it at relativistic
655 speeds into a garage of ordinary size, in which it normally
656 would not fit. Because of the length contraction, it fits.
657 But the driver will perceive the
658 \emph{garage} as being contracted and thus even less able to
659 contain the bus. 
661 The paradox is
662 resolved when we recognize that the concept of fitting the
663 bus in the garage ``all at once'' contains a hidden
664 assumption, the assumption that it makes sense to ask
665 whether the front and back of the bus can \emph{simultaneously} be
666 in the garage. Observers in different frames of reference
667 moving at high relative speeds do not necessarily agree on
668 whether things happen simultaneously. As shown in figure \figref{schoolbus-with-x-t}, the person in the
669 garage's frame can shut the door at an instant B he perceives
670 to be simultaneous with the front bumper's arrival A at the
671 back wall of the garage, but the driver would not agree
672 about the simultaneity of these two events, and would
673 perceive the door as having shut long after she plowed
674 through the back wall.
675 \end{eg}
677 \pagebreak
679 \begin{eg}{An example of length contraction}\label{eg:rhic}
680 Figure \figref{rhic} shows an
681 artist's rendering of the length contraction for the collision of two
682 gold nuclei at relativistic speeds in the RHIC accelerator\index{RHIC accelerator}
683 in Long Island, New York, which went on line in 2000.
684 The gold nuclei would appear nearly spherical (or just
685 slightly lengthened like an American football) in frames
686 moving along with them, but in the laboratory's frame, they
687 both appear drastically foreshortened as they approach the
688 point of collision. The later pictures show the nuclei
689 merging to form a hot soup, in which experimenters hope to
690 observe a new form of matter.
693   fig(
694     'rhic',
695     %q{Example \ref{eg:rhic}: Colliding nuclei show relativistic length contraction.},
696     {
697       'width'=>'wide',
698       'sidecaption'=>true,
699       'anonymous'=>true
700     }
701   )
703 \end{eg}
705 <% end_sec %> % The $\mygamma$ factor
708 def relativity_dq_space
709   print "\\vspace{7mm}\n"
713 \vfill
715 \startdqs
716 \begin{dq}
717 A person in a spaceship moving at 99.99999999\% of the
718 speed of light relative to Earth shines a flashlight forward
719 through dusty air, so the beam is visible. What does she
720 see? What would it look like to an observer on Earth?
721 \end{dq}
722 <% marg(-30) %>
724   fig(
725     'dqillusion',
726     %q{Discussion question \ref{dq:illusion}},
727     {
728       'anonymous'=>true
729     }
730   )
732 <% end_marg %>
734 <% relativity_dq_space %>
736 \begin{dq}\label{dq:illusion}
737 A question that students often struggle with is whether
738 time and space can really be distorted, or whether it just
739 seems that way. Compare with optical illusions or magic
740 tricks. How could you verify, for instance, that the lines
741 in the figure are actually parallel? Are relativistic
742 effects the same, or not?
743 \end{dq}
745 <% relativity_dq_space %>
747 \begin{dq}
748 On a spaceship moving at relativistic speeds, would a
749 lecture seem even longer and more boring than normal?
750 \end{dq}
752 <% relativity_dq_space %>
754 \begin{dq}
755 Mechanical clocks can be affected by motion. For example,
756 it was a significant technological achievement to build a
757 clock that could sail aboard a ship and still keep accurate
758 time, allowing longitude to be determined. How is this
759 similar to or different from relativistic time dilation?
760 \end{dq}
762 \pagebreak
764 \begin{dq}\label{dq:rhic}
765 Figure \figref{rhic} from page \pageref{fig:rhic}, depicting the collision of
766 two nuclei at the RHIC accelerator, is reproduced below.
767 What would the shapes of the two nuclei
768 look like to a microscopic observer riding on the
769 left-hand nucleus? To an observer riding on the right-hand
770 one? Can they agree on what is happening? If not, why not
771 --- after all, shouldn't they see the same thing if they
772 both compare the two nuclei side-by-side at the same instant in time?
773 \end{dq}
776   fig(
777     'rhic',
778     %q{\hspace{-2mm}Discussion question \ref{dq:rhic}: colliding nuclei show relativistic length contraction.},
779     {
780       'width'=>'wide',
781       'sidecaption'=>false,
782       'suffix'=>'2',
783       'anonymous'=>true
784     }
785   )
788 <% relativity_dq_space %>
790 \begin{dq}\label{dq:foam-rubber}
791 If you stick a piece of foam rubber out the window of
792 your car while driving down the freeway, the wind may
793 compress it a little. Does it make sense to interpret the
794 relativistic length contraction as a type of strain that
795 pushes an object's atoms together like this? How does this
796 relate to discussion question \ref{dq:rhic}?
797 \end{dq}
799 <% relativity_dq_space %>
801 <% marg(-50) %>
803   fig(
804     'dq-pole-paradox',
805     %q{Discussion question \ref{dq:pole-paradox}.}
806   )   
808 <% end_marg %>
810 \begin{dq}\label{dq:pole-paradox}
811 The rod in the figure is perfectly rigid. At event A, the hammer strikes one end of the rod.
812 At event B, the other end moves. Since the rod is perfectly rigid, it can't compress, so A
813 and B are simultaneous. In frame 2, B happens before A. Did the motion at the right end \emph{cause}
814 the person on the left to decide to pick up the hammer and use it?
815 \end{dq}
817 <% end_sec %> % Distortion of Space and Time
819 \vfill
821 <% begin_sec("Magnetic Interactions",4,'magnetic-interactions') %>
822         \epigraph{Think not that I am come to destroy the law, or the prophets:
823         I am not come to destroy, but to fulfill.}{Matthew 5:17}
825 At this stage, you understand roughly as much about the classification of interactions as physicists
826 understood around the year 1800. There appear to be three fundamentally different types
827 of interactions: gravitational, electrical, and magnetic. Many types of interactions that appear superficially to be
828 distinct --- stickiness, chemical interactions, the energy an archer stores in a bow --- are
829 really the same: they're manifestations of electrical interactions between atoms.
830 Is there any way to shorten the list any further? The prospects seem dim at first. For instance,
831 we find that if we rub a piece of fur on a rubber rod, the fur does not attract or repel a magnet.
832 The fur has an electric field, and the magnet has a magnetic field. The two are completely separate,
833 and don't seem to affect one another. Likewise we can test whether magnetizing a piece of iron
834 changes its weight. The weight doesn't seem to change by any measurable amount, so magnetism and
835 gravity seem to be unrelated.
837 That was where things stood until 1820, when the Danish physicist Hans Christian\index{Oersted, Hans Christian}
838 Oersted was delivering a lecture at the University of Copenhagen, and he wanted to give his
839 students a demonstration that would illustrate the cutting edge of research. He generated
840 a current in a wire by making a short circuit across a battery, and held the wire near a
841 magnetic compass. The ideas was to give an example of how one could search for a previously undiscovered
842 link between electricity (the electric current in the wire) and magnetism. One never knows how much
843 to believe from these dramatic legends, but the story is\footnote{Oersted's paper
844 describing the phenomenon says that ``The first experiments on the subject \ldots
845 were set on foot in the classes for electricity, galvanism, and magnetism, which were
846 held by me in the winter just past,'' but that doesn't tell us whether the result was
847 really a surprise that occurred in front of his students.} that the experiment he'd expected to turn out
848 negative instead turned out positive: when he held the wire near the
849 compass, the current in the wire caused the compass to twist!
850 <% marg(60) %>
852   fig(
853     'oersted',
854     %q{1. When the circuit is incomplete, no current flows through the wire, and the magnet is
855 unaffected. It points in the direction of the Earth's magnetic field. 2. The circuit is completed, and
856 current flows through the wire. The wire has a strong effect on the magnet, which turns almost perpendicular
857 to it. If the earth's field could be removed entirely, the compass would point exactly perpendicular to the
858 wire; this is the direction of the wire's field.}
859   )
861 \spacebetweenfigs
863   fig(
864     'magnetized',
865     %q{A schematic representation of an unmagnetized material, 1, and a magnetized one, 2.}
866   )
869 <% end_marg %>
871 People had tried similar experiments before, but only with static electricity, not with
872 a moving electric current. For instance, they had hung batteries so that they were free to
873 rotate in the earth's magnetic field, and found no effect; since the battery was not connected
874 to a complete circuit, there was no current flowing. With Oersted's own setup, \figref{oersted},
875 the effect was only produced when the ``circuit was closed, but not
876 when open, as certain very celebrated physicists in vain attempted several years ago.''\footnote{All
877 quotes are from the 1876 translation by J.E. Kempe.}
879 Oersted was eventually
880 led to the conclusion that magnetism was an interaction between moving charges and
881 other moving charges, i.e., between one current and another.  \index{magnetism!caused by moving charges}
882 A permanent magnet, he inferred, contained currents on a microscopic
883 scale that simply weren't practical to measure with an ammeter. Today this seems natural
884 to us, since we're accustomed to picturing an atom as a tiny solar system, with the electrons
885 whizzing around the nucleus in circles. As shown in figure \figref{magnetized},
886 a magnetized piece of iron is different from an
887 unmagnetized piece because the atoms in the unmagnetized piece are jumbled in random
888 orientations, whereas the atoms in the magnetized piece are at least partially organized
889 to face in a certain direction.
891 <% marg(0) %>
893   fig(
894     'magdeflects',
895     %q{Magnetism is an interaction between moving charges and moving charges. The moving
896 charges in the wire attract the moving charges in the beam of charged particles in the vacuum tube.}
897   )
899 <% end_marg %>
902 Figure \figref{magdeflects} shows an example that is conceptually
903 simple, but not very practical. If you try this with a typical vacuum tube, like a TV
904 or computer monitor, the current in the wire probably won't be enough to produce a visible
905 effect. A more practical method is to hold a magnet near the screen. We still have
906 an interaction between moving charges and moving charges, but the swirling electrons
907 in the atoms in the magnet are now playing the role played by the moving charges in the wire
908 in figure \figref{magdeflects}. Warning: if you do this, make sure your monitor has a
909 demagnetizing button! If not, then your monitor may be permanently ruined.
911 <% begin_sec("Relativity requires magnetism") %>\index{magnetism!and relativity}\index{relativity!and magnetism}\label{relativity-requires-magnetism}
912 So magnetism is an interaction between moving charges and moving charges. But how
913 can that be?
914 Relativity tells us that
915 motion is a matter of opinion. Consider figure \figref{fulfill}. In this figure and in figure
916 \figref{magrelativity}, the dark and light coloring of the particles represents the fact that
917 one particle has positive charge and the other negative.
918 Observer \figref{fulfill}/2 sees the two particles as flying through space side by side, so they
919 would interact both electrically (simply because they're charged) and magnetically
920 (because they're charges in motion). But an observer moving along with them,  \figref{fulfill}/1, would
921 say they were both at rest, and would expect only an electrical interaction. This seems
922 like a paradox.
923 Magnetism, however, comes not to destroy relativity but to fulfill it. Magnetic interactions
924         \emph{must} exist according to the theory of relativity. To understand how this can be,
925         consider how time and space behave in relativity. Observers in different frames of reference
926         disagree about the lengths of measuring sticks and the speeds of clocks, but the laws
927         of physics are valid and self-consistent in either frame of reference.
928         Similarly, observers in different frames of reference disagree about what electric and magnetic
929         fields there are, but they agree about concrete physical events.
930         An observer in frame of reference \figref{fulfill}/1
931         says there are electric fields around the particles, and predicts that as time goes on, the
932         particles will begin to accelerate towards one another, eventually colliding. She explains the
933         collision as being due to the electrical attraction between the particles.
934         A different observer, \figref{fulfill}/2, says the particles are moving. This observer
935         also predicts that the particles will collide, but explains their motion in terms of both
936         an electric field and a magnetic field. As we'll see shortly, the
937         magnetic field is \emph{required} in order to maintain consistency between the predictions made
938         in the two frames of reference.
939         
940 <% marg(40) %>
942   fig(
943     'fulfill',
944     %q{One observer sees an electric field, while the other sees both an electric field and a magnetic one.}
945   )
947 \spacebetweenfigs
948 <% fig(
949     'magrelativity',
950      %q{A model of a charged particle and a current-carrying wire, seen in
951         two different frames of reference. The relativistic length contraction is highly
952         exaggerated. The force on the lone particle is purely
953         magnetic in 1, and purely electric in 2.}
954    )
956 <% end_marg %>
957         To see how this really works out, we need to find a nice simple example.
958         An example like figure \figref{fulfill} is \emph{not} easy
959         to handle, because in the second frame of reference, the moving charges
960         create fields that change over time at any given location, like when the V-shaped wake of a speedboat
961         washes over a buoy. Examples like
962         figure \figref{magdeflects} are easier, because there is a steady flow of charges, and
963         all the fields stay the same over time.
964         Figure \figref{magrelativity}/1 shows a simplified and idealized model of figure \figref{magdeflects}.
965         The charge by itself is like one of the charged particles
966         in the vacuum tube beam of figure \figref{magdeflects}, and instead of the wire, we have
967         two long lines of charges moving in opposite directions. Note that,
968         as discussed in discussion question \ref{dq:signsofcurrent} on page \pageref{dq:signsofcurrent},
969         the currents of the two lines of charges do not cancel out. The dark and light balls represent particles with
970         opposite charges. Because of this, the total current in
971         the ``wire'' is double what it would be if we took away one line.
973         As a model of figure \figref{magdeflects}, figure \figref{magrelativity}/1 is partly realistic and
974         partly unrealistic. In a real piece of copper wire, there are indeed charged particles of both types,
975         but it turns out that the particles of one type (the protons) are locked in place, while only some 
976         of the other type (the electrons) are free to move. The model also shows the particles moving in
977         a simple and orderly way, like cars on a two-lane road, whereas in reality most of the particles are
978         organized into copper atoms, and there is also a great deal of random thermal motion.
979         The model's unrealistic features aren't a
980         problem, because the point of this exercise is only to find one particular situation that shows
981         magnetic effects must exist based on relativity.
983         What electrical force does the lone particle in figure \figref{magrelativity}/1 feel? Since the
984         density of ``traffic'' on the two sides of the ``road'' is equal, there is zero overall
985         electrical force on the lone particle. Each ``car'' that attracts the lone particle is paired with a partner on the other
986         side of the road that repels it. If we didn't know about magnetism, we'd think this
987         was the whole story: the lone particle feels no force at all from the wire.
989         Figure \figref{magrelativity}/2
990         shows what we'd see if we were observing all this from a frame of reference moving
991         along with the lone charge.
992         Here's where the relativity comes in. Relativity tells us that moving objects
993         appear contracted to an observer who is not moving along with them.
994         Both lines of charge are in motion in both frames of reference, but in frame 1
995         they were moving at equal speeds, so their contractions were equal.
996         In frame 2, however, their speeds are unequal. The dark
997         charges are moving more slowly than in frame 1, so in frame 2 they are less contracted.
998         The light-colored charges are moving more quickly, so their contraction is greater now.
999         The ``cars'' on the two sides of the ``road'' are no longer paired off, so the electrical
1000         forces on the lone particle no longer cancel out as they did in \figref{magrelativity}/1.
1001         The lone particle is attracted to the wire, because the particles attracting it are more
1002         dense than the ones repelling it. Furthermore, the attraction felt
1003         by the lone charge must be purely electrical, since the lone charge is at rest in this
1004         frame of reference, and magnetic effects occur only between moving charges and other
1005         moving charges.
1007         Now observers in frames 1 and 2 disagree about many things, but they do agree on
1008         concrete events. Observer 2 is going to see the lone particle drift toward the wire
1009         due to the wire's electrical attraction, gradually speeding up, and eventually hit
1010         the wire. If 2 sees this collision, then 1 must as well. But 1 knows that the total
1011         electrical force on the lone particle is exactly zero. There must be some new type
1012         of force. She invents a name for this new type of force: magnetism. This was a particularly
1013         simple example, because the force was purely magnetic in one frame of reference, and
1014         purely electrical in another. In general, an observer in a certain frame of reference
1015         will measure a mixture of electric and magnetic fields, while an observer in another
1016         frame, in motion with respect to the first, says that the same volume of space contains a different mixture.
1018 We therefore arrive at the conclusion that electric and magnetic phenomena aren't
1019 separate. They're different sides of the same coin. We refer to electric and magnetic interactions
1020 collectively as electromagnetic interactions. Our list of the fundamental interactions
1021 of nature now has two items on it instead of three: gravity and electromagnetism.\index{magnetism!related to electricity}\index{electromagnetism}
1023 Oersted found that magnetism was an interaction between moving charges and other moving charges.
1024 We can see this in the situation described in figure \subfigref{magrelativity}{1}, in which the result of the argument depended 
1025 on the fact that both the lone charge and the charges in the wire were moving. To see this in a different way, we can
1026 apply the result of example \ref{eg:gamma-for-low-v} on p.~\pageref{eg:gamma-for-low-v}, that for small velocities
1027 the $\mygamma$ factor differs from 1 by about $v^2/2c^2$. Let the lone charge in figure \subfigref{magrelativity}{1} have
1028 velocity $u$, the ones in the wire $\pm v$. As we'll see on p.~\pageref{relativistic-combination-of-vel}, velocities in
1029 relative motion don't exactly add and subtract relativistically, but as long as we assume that $u$ and $v$ are small, the correspondence
1030 principle guarantees that they will approximately add and subtract. Then the velocities in the lone charge's rest frame,
1031 \subfigref{magrelativity}{2}, are approximately 0, $v-u$, and $-v-u$. The nonzero charge density of the wire in frame
1032 \subfigref{magrelativity}{2} is then proportional to the difference in the length contractions $\mygamma_{-v-u}-\mygamma_{v-u}\approx 2uv/c^2$.
1033 This depends on the product of the velocities $u$ and $v$, which is as expected if magnetism is an interaction of moving charges
1034 with moving charges.
1035 <% marg(30) %>
1036 <% fig(
1037    'magtwobody',
1038    %q{Magnetic interactions involving only two particles at a time. In these figures, unlike figure
1039     \figref{magrelativity}/1, there are electrical forces as well as magnetic ones. The electrical forces are
1040     not shown here. Don't memorize these rules!}
1041    )
1043 <% end_marg %>
1045 The basic rules for magnetic attractions and repulsions, shown in figure \figref{magtwobody}, aren't
1046 quite as simple as the ones for gravity and electricity. Rules \figref{magtwobody}/1 and
1047 \figref{magtwobody}/2 follow directly from our previous analysis of figure \figref{magrelativity}.
1048 Rules 3 and 4 are obtained by flipping the type of charge
1049 that the bottom particle has. For instance, rule 3 is like rule 1, except that the bottom charge
1050 is now the opposite type. This turns the attraction into a repulsion. (We know that flipping the charge
1051 reverses the interaction, because that's the way it works for electric forces, and magnetic forces
1052 are just electric forces viewed in a different frame of reference.)
1054 \begin{eg}{A magnetic weathervane placed near a current.}\label{eg:weathervane}
1055 Figure \figref{weathervane} shows a magnetic weathervane, consisting of two charges that spin
1056 in circles around the axis of the arrow. (The magnetic field doesn't cause them to spin; a motor
1057 is needed to get them to spin in the first place.) Just like the magnetic compass in figure \figref{oersted},
1058 the weathervane's arrow tends to align itself in the direction perpendicular to the wire. This
1059 is its preferred orientation because the charge close to the wire is attracted to the
1060 wire, while the charge far from the wire is repelled by it.
1061 \end{eg}
1063 \startdq
1064 \begin{dq}
1065 Resolve the following paradox concerning the argument given in this section.
1066 We would expect that at any given time,
1067 electrons in a solid would be associated with protons in a definite way.
1068 For simplicity, let's imagine that the solid is made out of hydrogen (which
1069 actually does become a metal under conditions of very high pressure).
1070 A hydrogen atom consists of a single proton and a single electron.
1071 Even if the electrons are moving and forming an electric current, we would
1072 imagine that this would be like a game of musical chairs, with the protons
1073 as chairs and the electrons as people. Each electron has a proton that is its
1074 ``friend,'' at least for the moment. This is the situation shown in figure
1075 \subfigref{magrelativity}{1}. How, then, can an observer in a different frame
1076 see the electrons and protons as not being paired up, as in \subfigref{magrelativity}{2}?
1077 \end{dq}
1079 <% marg(80) %>
1080 <% fig(
1081      'weathervane',
1082      %q{Example \ref{eg:weathervane}},
1083      {'anonymous'=>true}
1084    )
1086 <% end_marg %>
1089 <% end_sec() %> % Relativity requires magnetism
1090 <% end_sec() %> % Magnetic Interactions
1094  %%===============================================================================
1095 \begin{summary}
1097 \begin{notation}
1098 \notationitem{$\mygamma$}{an abbreviation for $1/\sqrt{1-v^2/c^2}$}
1099 \end{notation}
1101 \begin{summarytext}
1103 Experiments show that space and time do not have the properties claimed by Galileo and Newton.
1104 Time and space as seen by one
1105 observer are distorted compared to another observer's perceptions if they are moving
1106 relative to each other. This distortion is quantified by the factor
1107 \begin{equation*}
1108   \mygamma = \frac{1}{\sqrt{1-\frac{v^2}{c^2}}} \qquad ,
1109 \end{equation*}
1110 where $v$ is the relative velocity of the two observers, and $c$ is a universal velocity
1111 that is the same in all frames of reference. Light travels at $c$. A clock appears to run fastest to an
1112 observer who is not in motion relative to it, and appears to run too slowly by a factor of
1113 $\mygamma$ to an observer who has a velocity $v$ relative to the clock. Similarly, a meter-stick
1114 appears longest to an observer who sees it at rest, and appears shorter to other observers.
1115 Time and space are relative, not absolute.
1117 As a consequence of relativity, we must have not just electrical interactions
1118 of charges with charges, but also an additional magnetic interaction of
1119 moving charges with other moving charges.
1120 \end{summarytext}
1122 \end{summary}
1124  %%===============================================================================
1126 <% begin_hw_sec %>
1127 <% begin_hw('gammafornegativev') %>__incl(../../share/relativity/hw/gammafornegativev)<% end_hw() %>
1129 \vfill
1131 <% begin_hw('gamma-derivation') %>__incl(../../share/relativity/hw/gamma-derivation)<% end_hw() %>
1132 <% marg(50) %>
1134   fig(
1135     'hw-gamma-derivation',
1136     %q{Problem \ref{hw:gamma-derivation}.}
1137   )
1139 <% end_marg %>
1141 \vfill
1143 <% begin_hw('agreeontime') %>__incl(../../share/relativity/hw/agreeontime)<% end_hw() %>
1145 \vfill
1147 <% begin_hw('voyagergamma') %>__incl(../../share/relativity/hw/voyagergamma)<% end_hw() %>
1149 \vfill
1151 <% begin_hw('earth-lorentz-contraction') %>__incl(../../share/relativity/hw/earth-lorentz-contraction)<% end_hw() %>
1153 \pagebreak
1155 <% begin_hw('sr-from-length-contraction') %>__incl(../../share/relativity/hw/sr-from-length-contraction)<% end_hw() %>
1159 <% end_hw_sec %>
1163 <% end_chapter() %>
1165 %<% figure_in_toc("rhic") %>