物理群星
乔治·斯穆特 肖像

图:Michael Hoefner,2009(CC BY 3.0,维基共享资源)

乔治·斯穆特

George F. Smoot

1945–2025 · 生于美国佛罗里达州尤康 · 美国

天体与宇宙学

从 U-2 侦察机上量出地球在宇宙里的速度,又用 COBE 在十万分之一的起伏里找到了星系的种子

诺贝尔物理学奖 2006 发现宇宙微波背景辐射的黑体形式与各向异性(与马瑟共享)

「如果你信教,这就像看见了上帝。」

—— 1992 年 4 月 23 日美国物理学会年会后的记者会,据斯穆特 2006 年诺贝尔自传所记英文原话译

小时候一次夜里坐车穿过亚拉巴马州,乔治·斯穆特发现月亮一路跟着他们家的车,一英里又一英里,比家里的狗还执着。他问父母:月亮怎么知道要跟着我们?父母告诉他,月亮很大、很远,车开出几英里,看它的角度几乎不变。

他在诺贝尔自传里说,这是他第一次意识到:世界可以用简单的道理想明白。

法官世家的物理学家

他 1945 年生于佛罗里达州尤康。两位祖父都是法官,叔叔和一位表亲也是。父亲本想读法律,战争与对工程的兴趣把他引向了水文学,后来在美国地质调查局测量河流流量,足迹远到亚马孙河与湄公河。一家人从亚拉巴马搬到阿拉斯加,再到俄亥俄州哥伦布。

斯穆特靠送报、剪草、当球童攒下麻省理工第一学期的学费。1966 年他拿到数学与物理双学位,留校读粒子物理,1970 年随戴维·弗里施获博士学位。本科最后一年他听说了彭齐亚斯与威尔逊的发现,当时只当作一条学过的知识收了起来。

阿尔瓦雷茨的组

1970 年,阿尔瓦雷茨把他招到伯克利。那个组的风格是什么新鲜就敢去做什么。斯穆特先参加了一项用高空气球研究宇宙线的实验,仪器坠入太平洋后,组里改做另一件事:在宇宙线里找反物质。从 1971 年起他在德克萨斯、南达科他带队放气球,用超导磁谱仪找反碳、反氧,结果一个也没找到,把上限压到了万分之一。

1973 年他转向宇宙微波背景。他的理由是:不管量出什么,结果都是关于早期宇宙的,一定是根本性的。宇宙在转动吗?各个方向膨胀得一样快吗?那些后来长成星系团的原初扰动,会不会在这片辐射里留下痕迹?他说,皮布尔斯 1971 年的《物理宇宙学》帮他说服了同事们,这个方向值得投入。

U-2 飞机上的偶极

斯穆特与理查德·穆勒等人造了一台微差微波辐射计:两只喇叭天线互成 60 度,从 U-2 侦察机的上舱口朝天,只量两个方向的温差,灵敏到千分之一度。1976 年起的几次飞行表明,宇宙没有在转,各方向的膨胀也一样快。唯一清楚的信号是一个偶极:天空一侧偏热约 3.5 毫开,相反一侧偏冷同样多。

这是运动造成的多普勒效应,从中可以读出我们相对微波背景的速度与方向。让人吃惊的是,这个方向与银河系自转的方向相差很远:整个银河系在以每秒数百公里的速度奔向某处,那里必定有一团巨大的物质在拉它。天文学家起初将信将疑,小组又到南半球的秘鲁重飞了一遍,同样的图样依然在。1977 年这一结果发表在《物理评论快报》上。

三队合一

1974 年起,他在准备气球与 U-2 实验的同时,给 NASA 写了一份卫星方案。那一轮有三份测微波背景的方案被看中:伯克利、戈达德、喷气推进实验室各一份。1976 年 NASA 让三家合成一队,这就是宇宙背景探测者 COBE。斯穆特被推为其中微差微波辐射计(DMR)的首席研究员。

DMR 是 U-2 那台仪器的放大版:三个频段(31.5、53 与 90 吉赫),每个频段两路独立通道,每路一对喇叭,永远只量天上相隔 60 度的两点之差。此后十几年,他在伯克利的地面、气球、U-2 实验与马里兰州的戈达德航天飞行中心之间来回奔波。

十万分之一

COBE 1989 年 11 月升空。据斯穆特的诺贝尔演讲,1991 年第一年数据做成的全天图里已经有超出噪声的信号:两路通道相加的图明显比相减的图起伏大,而相减本应只剩仪器噪声。问题是,这些信号来自宇宙,还是来自太阳、月亮、银河系、仪器本身或数据处理?

他要求全组保密,逐项排查所有可能的误差来源,还悬赏两张飞往世界任何地方的机票,给能证明信号是假的人。据他的自传,1991 年 11 月他带队去南极待了一个月,自己测一张天图,核对银河系的微波辐射是否比预想的强。随后的全组评审确认了数据质量。

最后一步是扣掉四极之后看剩下的起伏符不符合标度不变谱。他自己算完,又请研究生查利·莱恩维弗用另一套程序独立再算一遍,事先不告诉他答案。凌晨,莱恩维弗把结果塞进他办公室的门缝,附一张字条:「你要的图。尤里卡?」

1992 年 4 月 23 日,他在华盛顿的美国物理学会年会上第一个发言,公布了 COBE 测到的起伏:约 30 微开,平均温度的十万分之一。会后的记者会上他说:「如果你信教,这就像看见了上帝。」第二天《纽约时报》头版头条报道了这一发现,霍金称之为「本世纪最伟大的科学发现」。

功劳之争

这场发布也在 COBE 团队内部留下了裂痕。据《纽约时报》2025 年的讣告,发布会前几天,劳伦斯伯克利实验室发出一份新闻稿,许多人认为它把发现单独归在斯穆特与该实验室名下,略去了其他组长与 NASA;马瑟在采访中说斯穆特「很让人头疼」,也说他「机敏、周到、热情,这谁都知道」。据马瑟 2026 年的回忆文,斯穆特没有遵守团队关于发表与接触记者的约定,1993 年的书《时间的褶皱》也让科学组不满,科学组因此让马瑟写了另一本《最初的光》。

「看见上帝」一语,一位老同事在追念文集里写道,让一些更持重的同行觉得过火了;他也写道,这种舞台感从长远看帮实验宇宙学赢得了公众。斯穆特自己在诺贝尔自传里说,这些创世的比喻让这项发现得到了广泛的关注与讨论。两方的更多说法见 COBE 发现页。

巴黎的晚年

2006 年,他与马瑟共获诺贝尔物理学奖。他把自己那份奖金中的 50 万美元捐出,设立了伯克利宇宙学物理中心。他还在情景喜剧《生活大爆炸》里客串过自己,在电视问答节目《你比五年级学生聪明吗?》里赢过一百万美元。

2009 年起他在巴黎任教,参与在法国、西班牙、韩国筹建研究机构。晚年他把兴趣延伸到生物学与低温医学。2025 年 9 月 18 日,他因心脏病在巴黎去世,终年 80 岁。

代表方程

偶极各向异性

T(θ)≈T0(1+vccos⁡θ)T(\theta) \approx T_0\left(1 + \frac{v}{c}\cos\theta\right)

观测者相对微波背景运动时,迎面方向的辐射因多普勒效应显得稍热、背面稍冷,两者相差千分之一左右。COBE 测得偶极幅度 3.37 毫开,折合太阳系相对微波背景约每秒 370 公里。斯穆特小组 1976 年在 U-2 飞机上测它,要找的本来是宇宙是否在转动。

球谐展开

ΔTT(θ,ϕ)=∑ℓ,maℓm Yℓm(θ,ϕ)\frac{\Delta T}{T}(\theta, \phi) = \sum_{\ell, m} a_{\ell m}\, Y_{\ell m}(\theta, \phi)

把全天温度图拆成一层层球谐函数:ℓ=1\ell = 1 是偶极,ℓ=2\ell = 2 是四极,ℓ\ell 越大对应的角尺度越小。DMR 的波束约 7 度,只看得见 ℓ\ell 在二十左右以内的大尺度起伏。

十万分之一

ΔTrms=30±5 μK,ΔTT≈1.1×10−5\Delta T_{\mathrm{rms}} = 30 \pm 5\ \mu\mathrm{K}, \quad \frac{\Delta T}{T} \approx 1.1 \times 10^{-5}

1992 年 DMR 第一年全天图扣掉偶极、平滑到 10 度后,剩下的起伏均方根约 30 微开,是平均温度的十万分之一。这就是后来星系与星系团长出来的种子。

原初涨落谱

P(k)∝kn,n=1.1±0.5P(k) \propto k^{n}, \quad n = 1.1 \pm 0.5

起伏在各个尺度上的强弱遵循幂律;n=1n = 1 是哈里森与泽尔多维奇 1970 年代初提出、暴胀理论后来也给出的「标度不变」谱。COBE 的数值与之相符,误差还大;后来普朗克卫星测得 nn 略小于 1。

伟大发现