今年物理诺奖颁给了一台望远镜，镜片是地球南极的万年寒冰

2026年的诺贝尔物理学奖被授予了一位将南极冰盖转化为天文观测装置的研究者。

瑞典皇家科学院于10月6日公布，本年度物理学奖单独授予弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），以认可其“对冰立方中微子天文台的关键性贡献，以及探测到源自天体的高能中微子”。

来自遥远宇宙的载体

哈尔岑现年82岁，出生于比利时蒂嫩，博士毕业后不久加入美国威斯康星大学麦迪逊分校，目前担任该校教授。本届物理学奖仅颁给他一人。

哈尔岑的观测设备并未使用传统镜片。它由南极冰层下1450米至2450米深处、体积达1立方千米的纯净冰体构成，其中嵌入了5160个光学传感器。这台设备观测的对象并非光线，而是宇宙中极难捕捉的粒子：中微子。

中微子不带电荷，质量近乎为零，穿越物质时几乎不发生相互作用。就在你阅读这句话的1秒内，大约有650亿颗来自太阳的中微子穿过你的小指指甲，而你毫无察觉，指甲也毫无损伤。它们穿越整个地球，如同穿过一团空气般轻松。

正因为几乎不与任何物质交互，中微子反而成为最可靠的信使：从宇宙深处飞抵地球，沿途携带的信息得以完好保存。物理学家希望借助它回答一个困扰科学界超过百年的问题。

宇宙中弥漫着高速运动的粒子，统称为宇宙射线。它们大多为质子，即失去电子的氢原子核。有些质子抵达地球时携带的能量极高，远超人类最大粒子加速器的加速能力。宇宙中必然存在某种天然的加速器，将这些粒子加速至如此速度。然而，这些加速器的具体位置至今未知。

问题在于质子带有电荷。带电粒子在太空中穿越磁场时路径会发生偏转，待其抵达地球，早已无法追溯其来源。顺着它的来向回溯，只能看到一片虚空。

中微子不带电荷，磁场无法使其偏转。物理学原理表明，能够将质子加速到极高能量的过程，同样会产生高能中微子。因此，只要捕捉到一个能量极高的中微子，顺着它的来向回溯，那里就应当是宇宙加速器本身。

捕捉中微子的方法早在1960年左右就有物理学家提出：利用水。中微子偶尔会撞击一个原子核，产生一个带电粒子，该粒子会沿中微子原方向继续飞行，并发出蓝光。水具有透明性，光线能够传播，布置合适的传感器即可探测到这道光，计算其方向，进而推断中微子的来源。关键只有一点：需要足够多的水，以等待足够多的碰撞事件。

冰立方的建设历程

20世纪80年代，哈尔岑听闻苏联研究人员计划在南极使用无线电天线捕捉中微子信号。他由此受到启发，想到了另一条路径：将光学传感器埋入冰川，冰同样透明，为何不直接利用天然的冰层？

他找到正在美国夏威夷深海进行类似项目的同行约翰·勒尼德（John G. Learned），两人共同探讨在南极实施的可行性，并于1988年在波兰的一次会议上首次提出方案。

南极点的优势众多。那里已有科考站，具备定期补给和后勤支持。冰层深处永远黑暗，没有海洋中会发光的生物干扰，放射性物质含量也很低。冰是固体，人员可在冰面上作业，该区域地质稳定，无地震活动。唯一的劣势是严寒导致一年中大部分时间无法进入，所有实际工作只能集中在11月至次年2月的短暂夏季。

哈尔岑原本只打算从事理论研究。勒尼德则忙于自己的项目，未再回到南极议题。故事本可就此终结。然而，这一想法吸引了众多研究者，几年内，来自不同机构的科学家聚集到哈尔岑身边，决心将其变为现实。

第一个挑战是如何将仪器放入1000米深的冰层。冰川学家提供了方法：使用类似花洒的热水钻头，一路融化冰层。随后将串有光学传感器的长缆绳放入注满水的钻孔中，等待水重新冻结。哈尔岑将这些传感器称为反向的灯泡：灯泡将电能转化为光，而传感器则将光转化为电信号。

团队先在格陵兰进行测试，确认传感器能在冰中探测到粒子发出的光。随后他们在南极点动工，建造了冰立方的前身——一个名为AMANDA的探测阵列。

1993年平安夜，哈尔岑坐在餐桌旁，腿上放着笔记本电脑，等待一条消息：第一根装有光学模块的缆绳已放入冰层。

最初的结果令人失望。冰层上部充满气泡，光线被四处散射，粒子的运动信息变得模糊不清。但继续向下，情况发生了转变。1400米以下的冰极其纯净透明，中微子撞击产生的蓝光可在其中传播300米才被吸收，远超所有人的预期。

AMANDA一直建设到2000年1月。它运行正常，但规模仍不够大，无法捕捉那些来自宇宙加速器的高能中微子。于是团队继续建设冰立方：整整1立方千米的冰，86根缆绳，5160个传感器。2011年，它达到了设计规模。

捕捉中微子

建成只是起点。冰立方每日记录的信号中，绝大多数与宇宙深处无关。宇宙射线撞击地球大气层，会产生大量粒子，其中一些能一路钻到冰下的传感器，每天超过1亿个。宇宙射线在大气中还会产生中微子，每天有数百个从北半球方向穿透整个地球，抵达冰立方。

要从这片噪声中识别出真正来自宇宙深处的中微子，关键在于能量。放射性物质、太阳、大气层产生的中微子能量都较低。能量达到一定阈值的中微子，不可能来自地球附近，只能来自极其遥远的区域，例如恒星爆炸的残骸或遥远的活跃星系。

仅凭单个事件，研究者无法百分之百确定其来自地球之外。但将所有筛选出的事件汇总，观察其整体特征是否符合宇宙中微子的预期，并显著区别于大气中微子，便可作出判断。2013年，团队报告了首批证据。又过了两年，数据量足以让他们确信：宇宙中微子已被捕捉到。

中微子天文学已有前史。20世纪60年代，雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis Jr）观测到了来自太阳的中微子。日本的神冈探测器在小柴昌俊的领导下确认了这一点，并测出了中微子的来向。1987年，神冈又捕捉到一阵中微子，来自邻近大麦哲伦云中一颗爆炸的恒星。两人因此获得2002年诺贝尔物理学奖。

戴维斯当时留下了一个谜题：他捕捉到的太阳中微子数量仅为理论预测的1/3。后来人们才明白，中微子有三种类型，且在飞行途中会发生变化：出发时是一种，到达时可能变成另一种，戴维斯的仪器只识别其中一种。梶田隆章和阿瑟·麦克唐纳（Arthur B. McDonald）因揭示这种变化而获得2015年诺贝尔物理学奖。

但此前捕捉到的中微子，无论是来自太阳还是那颗超新星，都是近处的信使。冰立方要做的是将中微子天文学推向宇宙深处，观测那些隐藏在尘埃云后面、远到其他辐射半路就已消失的天体。伽马射线在传播过程中会被光和物质消耗，而中微子则不受影响。这是一种其他任何手段都无法获取的信息。

至于宇宙加速器本身，目前最可能的候选者是活跃星系NGC 1068，也称为M77。冰立方记录到的中微子中，有79个看起来来自它的方向。不过，这一证据尚不充分，不足以将其确认为中微子源。捕捉到的中微子越多，找到源头的把握才越大。近年来，团队还观测到来自银河系内部的高能中微子，他们认为这是宇宙射线撞击星际稀薄气体的产物。

当年启发哈尔岑的夏威夷深海项目，于1995年终止。但它的思路延续至贝加尔湖、地中海、南海和加拿大西海岸的一批水下中微子望远镜中。南极这边，冰立方的下一代也已在规划中，名为冰立方二代，体积将达到8立方千米。

从1988年波兰的那场会议算起，哈尔岑在这一项目上投入了38年。如今，南极冰盖深处1450至2450米之间，5160个光学传感器仍在不停工作，等待着下一道来自宇宙深处的蓝光。

本文来自微信公众号“果壳”（ID：Guokr42），编辑：steed 李小葵，36氪经授权发布。