今年的諾貝爾物理學獎,頒給了一個一輩子沒做過實驗的人。
10月6日,瑞典皇家科學院宣佈,將2026年諾貝爾物理學獎單獨授予美國威斯康星大學麥迪遜分校82歲的弗朗西斯·哈爾岑(Francis Halzen),表彰他對“冰立方”中微子天文台的決定性貢獻,以及發現天體物理起源的高能中微子。
用大白話說,就是他在南極2000多米深的冰蓋底下造了一座巨大的“望遠鏡”,專門捕捉從宇宙深處飛來的神秘粒子。
可哈爾岑是個純粹靠紙筆幹活的理論物理學家,更絕的是,至少到2020年,這位南極超級望遠鏡的首席科學家還沒去過南極。
甚至,他年輕的時候還想盡辦法逃離工程。哈爾岑的父親是個建築商,手裡有一家傳了好幾代的建築公司,一直指望他學工程,將來接手家裡的蓋樓生意。哈爾岑聽了父親的話,去大學學了工程。
結果只堅持了半年。他實在受不了每天拿墨水畫工程製圖,索性轉去讀理論物理,還刻意挑那些不用動手做實驗的專業課。
他大概沒想到,自己這一轉身,繞了幾十年,最後還是回到了工程現場。
不想搞工程的人,最後搞了個大工程
幾十年後,為了抓中微子,哈爾岑主持了一場耗資2.79億美元的工程。整個工程要在冰蓋上融掉6500萬升冰,成了南極歷史上最昂貴、最複雜的一次大施工。
他後來在訪談裡自嘲,自己繞了一大圈,最後還是干回了老本行。要是圖賺錢,當初還不如老老實實回老家幫父親造橋。
而這項工程能立項,起點是一次僥倖。
中微子這種粒子極難捕捉,平時穿過地球就像穿過空氣一樣,幾乎不跟任何物質發生反應。物理學家想看它,只能找一個巨大且透明的介質,等中微子偶爾撞上原子時擦出的微弱藍光。
上世紀80年代末,哈爾岑琢磨著,南極有現成的幾千米厚大冰蓋,把光電探測器塞進冰裡不就行了?
當時冰光學的權威教科書白紙黑字寫著:藍光在冰裡穿行8米左右就會被吸收殆盡。
如果按照書裡的結論,冰蓋根本不透光,這個項目連1美元的經費都別想申請到。巧的是,哈爾岑當年壓根沒讀過那本教科書。
多年以後,一本被圖書館放錯書架的舊書寄到他辦公室,他隨手翻到這一頁,當場嚇出一身冷汗。要是當年提前看了這本書,這個項目在第一天就夭折了。
南極深處的冰層在實際測量中表現極佳,光的吸收長度超過100米,比清澈的海水還要透亮得多。
“無知又走運,再好不過了。”這句話後來成了哈爾岑最出名的口頭禪。
不過,真正的工程比理論家的大腦粗暴得多。
要在零下幾十度的南極冰蓋下埋探測器,唯一的辦法是用熱水硬生生燙出一條通道。
1993年平安夜,第一批探測器下井的時候,哈爾岑正在老家吃聖誕晚餐。
可當他們往冰裡打雷射測試時,所有人都傻眼了:光到得比預期慢得多,探測器周圍白茫茫一片,整個儀器就像泡在了一大桶牛奶裡。
美國團隊完全找不著北。最後在1994年的一個國際研討會上,是前蘇聯貝加爾湖項目的競爭對手拿出了冰芯資料,當面點破了玄機:你們埋得太淺了。
800到1000米深的淺冰裡全是殘留的微小氣泡,把光線全給散射亂了。只有下潛到1300米甚至更深,上億噸冰層的巨大重壓才會把氣泡硬生生壓進冰的晶格里,冰才真正透明起來。
摸清規律後,工程重新推進。真正的冰立方從2004年開鑽。工程師運來相當於一台全功率火車頭功率的加熱系統,把80多度的熱水以每分鐘700多升的流量往冰裡灌。他們在冰上足足燙了86個深達2500米的大洞,每個洞融出來的直徑只有60釐米。
直到2010年,整整86根電纜、5160個裝在耐壓玻璃球裡的探測模組全部入冰,圍成了整整1立方千米的超級冰陣列。
望遠鏡建成後,每到極夜,只有越冬隊員留在南極守著它,外面是零下70多度的狂風。
海量的資料被送回各個大學,年輕人開始在電腦裡篩訊號。
中微子事件的程式碼全是一長串冷冰冰的數字,大家經常抄錯,一位研究生乾脆拿美國兒童節目《芝麻街》裡的布偶角色給它們起綽號。
最早找到的兩個超高能中微子,被順嘴叫成了伯特(Bert)和厄尼(Ernie)。
名字叫開了之後,這位研究生才猛然反應過來:節目裡伯特長著瘦長的腦袋,厄尼是張寬臉,可他偏偏把橫著攤開的那個訊號叫成了伯特。
兩顆粒子的名字徹底起反了。可名字已經叫開,再也改不回來了。
2013年,冰立方公佈了28個來自宇宙深處的中微子候選事件——這就是這次諾獎說的“發現”。
後來的科學發現一個接著一個。冰立方找到了中微子來自幾十億光年外黑洞耀發的證據,拍下了銀河系的中微子全景圖,還驗證了60年前理論家預言的微觀共振。
直到今天,瑞典皇家科學院把物理學獎頒給了他。
今年6月19日,比利時物理學家弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)去世,享年93歲。他去世時,是唯一一位拿過諾貝爾物理學獎的比利時人。不到4個月,哈爾岑成了第二位比利時出生的得主。
兩人的交集還要早得多。哈爾岑在比利時魯汶大學讀博時,恩格勒和搭檔羅伯特·布勞特(Robert Brout)每周都來跟學生討論,布勞特差不多算他半個導師。兩人那篇後來成為希格斯機制奠基之作的論文,哈爾岑當年讀過,以為講的是固體物理,沒當回事。
2013年,恩格勒憑這篇論文拿到了諾貝爾物理學獎。
這次頒給哈爾岑的獎,還是34年來第一次由一個人獨享物理學獎。上一位獨自拿獎的人,是1992年發明多絲正比室的法國物理學家喬治·夏帕克(Georges Charpak)。
在這座大儀器背後,參與的科學家有幾百人,各國的研究機構有近60家。有人負責鑽井,有人提出數位化晶片,日本的年輕學者最早從茫茫資料裡翻出了伯特和厄尼。
但諾獎委員會最終唯寫了一個人的名字。
好在哈爾岑對此看得很開。他多次公開說過,這種大獎根本不是獎給某一個人的,而是獎給整個實驗的,自己最大的貢獻不過是當年請來了一位懂工程的項目主管。
2015年他拿到巴爾贊獎,獎金75萬瑞士法郎。記者問他打算怎麼花,回答很樸素:給自己買一輛新的公路賽車。
諾獎降臨的這一年,冰立方的日子其實過得相當緊巴。
今年3月,望遠鏡進行加密升級時,有一根電纜在700米深處斷裂,成了整個項目歷史上第一次徹底丟掉一整根探測纜的事故。
同一時間,美國國家科學基金會的2026財年預算請求,打算把冰立方的日常運行經費砍掉將近一半。而中國在南海籌劃的新一代深海中微子望遠鏡,體積規劃已經是冰立方的數倍乃至幾十倍。
發佈會現場,諾獎委員會打電話給哈爾岑。恰好他人在義大利,和斯德哥爾摩沒有時差。他的第一句話是“太意外了,我完全沒想到”,接著又說自己手頭正在寫一份申請,希望這個獎能幫它批下來。現場笑成一片。
在冰立方工作是什麼感覺?
說了這麼多哈爾岑,我們來講講冰立方。
冰立方探測器的主體由約一立方公里的南極天然冰體構成——其水量足以填滿一百萬個游泳池。
人們利用熱水融化冰層,在冰層上鑽出數千米深的孔洞,然後在冰層中安裝了探測中微子所需的光學模組。等到水再次凍結,探測裝置就固定在了冰層當中。為確保冰層鑽孔順利,科學家們動用了大型洗車加熱器來供應高溫水流。
鑽設線纜孔的平均耗時約為48小時,鑽設每個孔平均消耗18169升燃料,還要用掉超過750000升水。施工只有在夏季才能進行,因此冰立方花了7年時間才建成。
或許你還想替哈爾岑問一句,在冰立方工作是什麼樣的感覺?
冰立方項目的工作人員們需要前往阿蒙森-斯科特南極站工作與生活。這座科考站位於極其寒冷乾燥的南極內陸高原,要乘坐軍用運輸機才能到達。這裡的所有物資都必須通過航空運輸,不過科考站的小型溫室也可以培育一些新鮮蔬菜作為食物補充。
這裡的戶外環境十分艱苦,但生活並不算非常枯燥。在日常工作之外,人們可以在這裡使用健身房、排球場和籃球場,還能組建俱樂部、成立樂隊,或是練習蘇格蘭舞。在繁忙的夏季,工作人員時常感到可做的事情太多,而時間完全不夠用。
最困擾人的細節是,在南極解凍食物需要的時間格外長。冰立方項目的官方網站特別提醒工作人員,冰淇淋必須提前幾個小時從冷庫取出解凍,否則吃的時候恐怕就得動用鋼鋸——當年一心想逃離工程學的哈爾岑,大概也沒想到過這個工程問題。(果殼)
