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乔治·斯穆特

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乔治·斯穆特诺贝尔奖得主
George Smoot
出生 (1945-02-20) 1945年2月20日74岁)
 美国佛罗里达州杰克逊维尔
国籍  美国
母校 麻省理工学院
知名于 宇宙微波背景辐射
奖项
诺贝尔物理学奖(2006年)
科学生涯
研究领域 物理学家
机构 劳伦斯伯克利国家实验室
博士导师 大卫·H·弗里希英语David H. Frisch

乔治·菲茨杰拉德·斯穆特三世(英语:George Fitzgerald Smoot III,1945年2月20日),美国天体物理学家、宇宙学家,伯克利加州大学物理学教授、香港科技大学高等研究院赵氏廷箴怀芳教授(IAS Helmut & Anna Pao Sohmen Professor-at-Large)。[1][2]乔治·斯穆特和约翰·马瑟因“发现了宇宙微波背景辐射黑体形式和各向异性”而分享了2006年诺贝尔物理学奖

这个使用COBE(Cosmic Background Explorer 宇宙背景探测)卫星的工作,有助于巩固宇宙大爆炸理论。据诺贝尔奖委员会的记载,"此 COBE 计划,堪称是宇宙学步入精确科学的一个起点".

他是加州大学伯克利分校的物理学教授。2003年,他获得了阿尔伯特·爱因斯坦奖章

传记

学历

1966年获得麻省理工学院双学士学位(数学和物理);1970年获得麻省理工学院粒子物理学博士学位。

初期研究

乔治·斯穆特不久转投宇宙学的研究,并前往劳伦斯伯克利国家实验室继续他的研究。在劳伦斯伯克利国家实验室,他与路易斯·阿尔瓦雷茨合作进行了HAPPE实验,利用一个平流层气球来探测大气层上部的反物质

随后,他对阿诺·彭齐亚斯罗伯特·威尔逊于1964年发现的宇宙微波背景辐射产生了兴趣(CMB)。当时,有许多关于宇宙结构等充满争议的基本问题。 一些宇宙学模型推测宇宙是一个不停旋转的整体,因此宇宙微波背景辐射就会受到影响:观察的方向不同,它的温度就应该不同。

路易斯·阿尔瓦雷茨理查·穆勒英语Richard A. Muller的帮助下,斯穆特制作了一个辐射差值测量计,用于观测两个夹角为60度的方向上宇宙微波背景辐射的差别。

这个仪器被安装在洛克西德的 U-2 侦察机上,并成功地测定了宇宙的整体旋转是零(不超出仪器的精确范围)。同时,这个仪器探测到了宇宙微波背景辐射温度上另一种形式的变化——偶极各向异性。

这个偶极的图案(宇宙微波背景辐射在天空的一侧温度较高,另一侧的温度则较低)是一种地球相对于微波背景辐射的运动带来的多普勒效应,它被称作最后散射面。 这个多普勒效应产生的原因是由于太阳(实际上整个银河系)并非静止的,而是以接近于600 km/s的速度相对最后散射面运动。这可能是由我们星系和巨引源(又被称为“大引力子”)之间的万有引力引起的。

参与 COBE

怎样才能得到宇宙微波背景辐射黑体谱的完整谱形?怎样才能检测出微乎其微的宇宙微波背景辐射异向性?马瑟和斯穆特领导的研究团组决心要解决这两个难题。

1974 年,约翰·马瑟提议发射专门用于探索宇宙背景的卫星,宇宙背景探测者(Cosmic Background Explorer,简称 COBE 卫星),对微波背景进行探测。提议获得 NASA 的批准。NASA 最初打算用航天飞机将 COBE 卫星送入太空。

但 1986 年挑战者号失事后,航天飞机停飞数年,COBE 卫星的前途莫测。为了能让 COBE 早日飞上天,马瑟和斯穆特与同事们专门争取到一枚火箭,最终于 1989 年11月将 COBE 卫星送入太空。马瑟作为 COBE 卫星科学项目的首席科学家自始至终领导和协调了 COBE 的观测以及对 COBE 观测资料的分析研究。

借助 COBE 卫星,马瑟领导的研究团组,首次完成了对宇宙微波背景辐射的太空观测,精确地测量出宇宙微波背景辐射各个波长的黑体谱形。利用太空的有利条件,他们一次完成了各个波长上的测量。弥补了过去由许多人的观测结果拼凑出并不完整的黑体谱这一遗憾。

他们对 COBE 卫星测量结果进行分析计算后发现, COBE 卫星观测到的宇宙微波背景辐射谱与温度为 2.74K 的黑体辐射谱非常符合,与大爆炸宇宙学所预言的结果非常一致。换句话说,他们更精确地验证了宇宙微波背景辐射的黑体谱形的特征。

在 COBE 卫星项目中,斯穆特主要负责测量微波背景辐射微小的温度波动。

1977 年,以斯穆特为首的天文学家小组,曾经将灵敏辐射仪放置在退役的 U2 高空侦察机上,在大气层上面飞行,得到了关于背景辐射中温度变化的第一个证据,叫做偶极各向异性现象。天空的微波辐射在沿着地球运动的方向热一些,在反方向冷一些。这是由于地球随着太阳在宇宙当中向前穿行所产生的。

我们的地球绕着太阳运行,太阳绕着银河系的中心转动,银河系在本星系群中运动,本星系群又朝室女座星系团运动。本星系群相对于宇宙微波背景辐射的运动速度是最快的。偶极各向异性是一种多普勒效应,并不是宇宙微波背景辐射本身的各向异性

斯穆特在 1977 年观测的基础上,设计了一个叫做差动微波辐射计(Differential Microwave Radiometer,简称 DMR)的特殊的精度更高的仪器,放置在 COBE 卫星上。

DMR 由 3.3mm、5.7mm 和 9.6mm 三个不同射电波长的三个辐射计组成。在这三个波长上,宇宙微波背景辐射的强度大大高于其他波长的强度。

斯穆特又为这个仪器设计了一对天线,使用这对天线去测量两个不同天区的温度差,能够测出 1% 的温度差,获得比其他辐射计精度更高的观测结果。

1992 年 4 月,斯穆特激动地宣布了,他们利用 COBE 卫星的观测结果--发现了期待已久的宇宙微波背景中的微弱的异向性现象,这是在 1 亿光年大小的天区内的热的和冷的变化。这些区域内的温度变化相对于平均温度为 2.74K 的微波背景来说,变化幅度仅有百万分之六。这微弱的温度起伏是由引力起伏造成的,也就是由物质密度的不均匀造成的。

马瑟和斯穆特领导的团组,利用 COBE 卫星所进行的观测和研究,更精确、也更全面地验证了宇宙微波背景辐射的两个特征,他们的工作使宇宙学的研究,进入了一个更为精确的新时代。

约翰·马瑟和乔治·斯穆特获得2006年诺贝尔物理学奖。他们于2006年12月10日,赴斯德哥尔摩接受诺贝尔奖评审委员会对他们的颁奖。

外部链接

  1. ^ CV (Prof George Smoot) (PDF). 
  2. ^ Smoot George | People | HKUST Department of Physics. physics.ust.hk. [2018-10-15]. 
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