【諾貝爾獎】82歲的2026諾貝爾物理學獎得主:用30年,在南極埋下看穿宇宙的眼睛

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2026年諾貝爾物理學獎授予弗朗西斯・哈爾岑,表彰其在南極建立「冰立方」天文台,利用一立方公里的冰層捕捉「幽靈粒子」中微子,首次確認高能中微子的宇宙來源(耀變體),突破人類觀測宇宙的感官邊界。而生理學或醫學獎得主彼得·黑格曼則以光遺傳學貢獻獲獎;文中特別記載其作為導師的純粹,主張科學最高成就是「被寫入教科書」而非獲獎,展現了古典科學家的自律與人文關懷。

2026年10月6日,瑞典皇家科學院宣佈:將諾貝爾物理學獎單獨授予今年82歲的弗朗西斯・哈爾岑(Francis Halzen,比利時出生、美國威斯康星大學麥迪遜分校物理學教授,冰立方中微子天文台首席研究員),表彰他"對冰立方中微子天文台的決定性貢獻,以及對天體物理起源高能中微子的發現"。獎金1200萬瑞典克朗,由他一人獨享。

這份獎的故事,關於一種幾乎無法被捕獲的粒子,和一個瘋狂到近乎天真的設想:把南極一立方公里的冰,變成人類望向宇宙深處的一隻眼睛。


穿過一切,也躲過一切"幽靈粒子"

要理解這份獎,先要認識中微子——宇宙裡最害羞的"幽靈"。

中微子不帶電,幾乎沒有質量,穿過物質時基本什麼都不碰。就在你讀這句話的這1秒裡,大約有650億個來自太陽的中微子穿過了你的小指指甲,你毫無感覺,指甲也毫無感覺。它們能徑直穿過地球、穿過恆星,如同穿過虛空。中微子既不偏轉、也不減速,能從黑洞噴流的核心、從伽馬射線暴的最深處一路逃出來,直指源頭——那些光子都無法逃脫的地方,中微子可以。

也正因如此,它是宇宙派來的完美信使。從宇宙深處飛來,一路上它攜帶的資訊完好無損。物理學家想靠它回答一個困擾了一個多世紀的問題。

可問題也在這兒:一個幾乎不與任何東西作用的粒子,你要怎麼"看見"它?

抓它的辦法,早在1960年前後就有物理學家提出過:用水。中微子偶爾會撞上一個原子核,撞出一個帶電粒子,這個粒子會沿著中微子原來的方向繼續飛,並且發出藍光。水是透明的,光傳得出去,佈置合適的感測器就能看見這道光,算出它的方向,進而推出中微子從那兒來。關鍵只有一點:水要足夠多,多到能等來足夠多次碰撞。

答案簡單又奢侈:既然撞上一次的機率極低,那就把探測器做得足夠、足夠大——大到用整整一座冰川當靶子。


1980年代的遠見:在南極埋下看穿宇宙的眼睛

哈爾岑1944年出生於比利時蒂嫩,1969年在魯汶大學拿到博士學位,1972年起任教於美國威斯康星大學麥迪遜分校,是一位粒子物理學家,後來擔任冰立方首席研究員。

1980年代,哈爾岑聽說蘇聯研究者計畫用無線電天線在南極捕捉中微子:中微子在冰中相撞會產生電火花和無線電波。他大受啟發,轉念想到另一條路——在冰川里布置光感測器,直接尋找碰撞的閃光。他聯絡了正忙於DUMAND項目的約翰・勒尼德(John G. Learned),那是一個在夏威夷外海深海中捕捉中微子閃光的同類計畫。1988年,兩人在波蘭的一次會議上,首次提出了在南極冰中建造中微子天文台的構想。

為什麼哈爾岑會認為,南極是捕捉中微子天選之地?

那裡本就有科考站,有定期運輸和保障團隊;

冰到了足夠深度便永恆黑暗,不像海洋有生物干擾,放射性物質也極少;

冰面堅實穩固,地質穩定,沒有地震。

唯一的缺點是:一年中大部分時間嚴寒封路,所有施工只能擠在11月到次年2月短暫的南極夏季裡。


七年,在世界盡頭埋下5160隻"眼睛"

團隊先在格陵蘭試投感測器,確認儀器能在冰中讀到粒子的光,隨後在南極建起冰立方的前身——AMANDA。

哈爾岑後來回憶:1993年聖誕夜,他把電腦擱在腿上守在餐桌旁,一直等待第一根裝著光學模組的纜線成功埋入冰層的消息。

最初的嘗試令人失望——冰層上部佈滿氣泡,光被散射到各個方向,粒子運動的資訊被攪得模糊。然而當深度超過1400米,奇蹟出現了:那裡的冰極其純淨、透明,中微子發出的閃光在被吸收前,竟能在冰中穿行300米,遠超所有人的預期。

AMANDA一直建設到2000年1月,運轉良好,但要接住宇宙加速器拋出的高能中微子,它的體量還遠遠不夠。他們需要更大的體 ——於是,一立方公里的冰立方正式上馬。

冰川學家教給團隊一個關鍵辦法:用一種精巧的高壓熱水噴頭融化冰層,鑽出近2.5公里深的孔,再把串滿光感測器的長纜,垂進灌滿水的鑽孔裡。哈爾岑把這些感測器形容為"反向工作的燈泡"——它接收光,再把光變成電訊號。

在南極點,科考隊幹了整整七個南極夏季:他們在冰中融出86個鑽孔,垂下86根鋼纜;每根纜線串著60個直徑約35釐米、籃球大小的數字光學模組;總計5160隻光感"眼睛",被永久封存在冰下約1450至2450米深處,守著整整一立方公里的冰。

2010年12月,最後一串模組沉入鑽孔;2011年,冰立方全面建成、達到完整規模——按時、按預算。在地球上最冷、最干、最孤獨的地方,人類建起了有史以來最大、也最奇怪的一台望遠鏡。

找天外中微子,如同在暴風雪裡辨認一根針。

冰立方每天要記錄超過一億個來自大氣的粒子,宇宙射線在大氣層裡產生的中微子,每天也有幾百個穿過整個地球抵達探測器。研究者必須從這海量背景裡,篩出性質與大氣中微子截然不同的"異類"。

2013年,團隊首次報告了天外中微子存在的證據。研究者用《芝麻街》角色給這些超高能事件起了親切的名字——Bert和Ernie(後來還有能量更高的Big Bird),它們的能量高達千兆電子伏特(PeV)量級,遠超大氣所能產生。又積累了幾年資料後,他們終於可以確鑿地宣佈:宇宙深處的中微子,真的被接住了。

290TeV的"飛箭"與40億光年外的黑洞

以前抓到的中微子,不管是太陽的還是那顆超新星的,都是家門口的信使。冰立方要做的,是把中微子天文學推到宇宙深處,看那些藏在塵埃雲後面、遠到其他輻射半路就消失了的東西。伽馬射線一路上會被光和物質消耗,中微子卻什麼都不在乎。這是一種其他任何手段都拿不到的資訊。

如果說2013年證明了"天外中微子存在",那麼2017年的一場 "追兇",則回答了更關鍵的問題——它究竟從那來?

2017年9月22日,冰立方探測到一個母粒子能量約290TeV的中微子(編號IC-170922A),系統自動向全球天文台發出警報。作為對比,人類最強大的加速器LHC,最多隻能把粒子加速到7TeV。

費米伽馬射線望遠鏡循聲望去,在中微子到來的方向發現一個遙遠的耀變TXS0506+056——那是一個盤踞著超大質量黑洞的活動星系核,當時正劇烈爆發、兩周內亮度飆升約六倍,距地球約40億光年。全球十幾座望遠鏡從射電、紅外、光學、X射線到伽馬射線波段同時鎖定了它。

2018年7月,兩篇《科學》論文給出結論:人類歷史上第一次,確認了一個高能中微子的宇宙來源。多信使天文學的全新時代,就此拉開大幕。

近年來,冰立方的研究人員還觀測到了來自我們自身星系——銀河系的高能中微子。他們認為,這些中微子是在宇宙線與恆星之間的稀薄氣體原子碰撞中產生的。未來幾年,隨著其他項目沿著冰立方開闢的道路繼續前進,我們一定會聽到更多有關中微子天文學的消息。在北半球,另外幾座中微子望遠鏡正處於不同的發展階段,它們使用水作為探測介質,而不是冰。

20世紀80年代啟發哈爾岑的DUMAND項目於1995年終止。不過,其經驗仍在其他項目中延續,例如貝加爾湖、地中海、南海,以及加拿大西海岸外的項目。與此同時,冰立方仍在持續捕捉中微子。南極點的下一輪擴建目前也正在規劃中:第二代冰立方的冰探測體積將達到驚人的8立方千米。


它改變了我們看宇宙的方式

過去,人類觀天幾乎只用一種語言——光。如今,引力波讓我們"聽"見黑洞相撞,而中微子,遞來了一把打開最極端天體內部的鑰匙。

借助冰立方,科學家得以追問那些懸而未決的根本問題:能量驚人的宇宙射線,究竟被什麼加速到如此恐怖的程度?黑洞噴流正是頭號嫌犯;耀變體、活動星系核、伽馬射線暴的核心,正在上演怎樣的物理?

候選的源頭正一個個浮現:在活動星系NGC1068(M77)方向,已有約79個中微子被記錄;近年來,冰立方還看到了來自我們銀河系內部的高能中微子。

從1988年首次提出構想,到1990年代守著AMANDA,再到2011年冰立方建成、2013年捕獲天外中微子、2018年鎖定耀變體——哈爾岑為這件事傾注了三十多年。他做的,本質上和所有偉大的望遠鏡建造者一樣:在人類感官的邊界之外,再向外推一吋。

南極點的冰下,沒有星光,萬籟俱寂,5160隻眼睛卻永遠在等待一縷來自數十億光年外的幽藍微光。

也許這正是物理學最動人的地方:宇宙把秘密藏在最難以捉摸的粒子裡,而一個執著的人,用一立方公里的冰,耐心地、一吋一吋地,把它請了出來。 (價值線)