2026,新晋诺奖得主哈尔岑,82 岁仍然再写论文开会。82 岁的弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen),虽然早过了退休年龄,但只要得空,便会待在他位于威斯康辛大学麦迪逊分校的办公室里。他的办公室门总是敞开着,随时欢迎任何人来找他;只有开会时,那扇门才会关上。
10月6日,2026年诺贝尔物理学奖授予比利时裔美国物理学家弗朗西斯·哈尔岑,表彰他对冰立方中微子天文台(IceCube Neutrino Observatory)的决定性贡献以及发现源自天体的高能中微子。这是近半个世纪极为罕见的单人独享物理学诺奖,上一次物理学家独享还要追溯到1992年。
2024 年去世的著名物理学家李政道,再武汉黄鹤楼这样评价,“黄鹤飞上天,轻若中微子”的优美诗句。1988年夏天,62岁的李政道在北京主持世界高能物理会议后,与夫人取道西安前往重庆,然后顺流而下,观赏长江三峡壮丽的风光。船抵武汉后,李政道夫妇在中国科学院相关同志的陪同下,游览了黄鹤楼。其间,李政道应黄鹤楼工作人员的请求,挥毫写下诗句:“黄鹤飞上天,轻若中微子”。这句诗将李政道最熟悉的中微子比喻成凌空飞舞的黄鹤,格外轻灵自由。在武汉逗留两天后,李政道便匆匆离开。
上世纪80年代,哈尔岑听说苏联研究者打算在南极用无线电接收器捕捉中微子信号,中微子撞上冰中原子核会产生电火花,进而发出无线电波。受此启发,他想到另一条路,在冰川里安装光传感器,去捕捉碰撞产生的闪光。历经数十年攻坚,哈尔岑带领团队在南极冰层下构建起体积达一立方千米的探测网络,植入5160个高精度光学传感器,建成了全球独一无二的“冰立方”中微子天文台,并通过它发现高能中微子确实存在,从而开创了高能中微子天文学这一全新学科领域,也为人类观测宇宙提供了一种全新手段(张静,2026)。
中微子不带电,质量几乎为零,绝大多数时候会悄无声息地穿过物质,极少与原子核发生碰撞。科普一个数字,每一秒,都有650亿个来自太阳的中微子穿过你的小指指甲,而你毫无察觉。瑞典皇家科学院当天发布的新闻公报说,中微子几乎无处不在,它们能够穿过地球和人体,却极难被察觉。只有在极少数情况下,单个中微子会与原子核发生相互作用,从而留下可被探测的信号。
至此,方才体会“轻若中微子”。
物理学告诉我们:能把质子加速到极高能量的过程,同时也会产生高能中微子 —— 这就让中微子成了绝佳的“信使”。质子带电,在宇宙磁场中会被弯折路径,无法顺着方向追溯源头;伽马射线在旅途中会因与光和物质相互作用而衰减;而中微子不带电、几乎不被阻挡,能够笔直地把信息送到地球。只要追踪最高能量的中微子,就有可能找到宇宙中的“粒子加速器”,也许是恒星爆炸的区域,也许是遥远的活动星系(NASA爱好者,2026)。
其实早在1960年前后,就有物理学家提出,水是捕捉宇宙中微子的好材料,中微子偶尔撞上原子核,会产生一个沿原方向前进、并发出蓝光的带电粒子。水是透明的,光可以被探测到,通过设备还能判断光的路径,甚至确定中微子的来向。关键在于水体要足够大,才能看到足够多的碰撞。
哈尔岑的创意是,不用水,用天然的冰。
他联系了同行约翰·G·勒纳德(John G.Learned),再1988年在波兰的一次会议上首次公开了这个构想。这个构想引起了足够多的关注,几年之内,来自不同机构的研究者聚集到哈尔岑身边,要把它变成现实。
首先要解决的是在深冰里安装仪器的难题。通过热水融冰,钻出一公里深的孔洞,再把挂满光传感器的长缆线放入注满水的孔里 —— 它不发光,而是接收光并转换成电信号。
最初的尝试并不理想,冰的上层布满气泡,会把光散射到各个方向,使粒子运动的信息变得模糊。但在1400米以下,冰变得极为纯净透明,中微子产生的闪光可以传播300米才被吸收,远超预期。值得一提的是,在探测深冰中微子的过程中,产生很多 Spin-offs。例如,该项目也让人们对不同深度冰的性质有大量认知。
2000 年,IceCube 完成,原理是,一立方公里的冰布满光传感器。2011年,它达到完整规模,共有5160个光传感器,分布在86条缆线上。冰深度达到 1450 米到 2450 米,每天记录超过一亿个南极大气中的粒子。宇宙线在大气中还是会产生中微子的,每天有几百个穿过地球,或者说可以被实验装置捕获。2013 年,团队报告了第一批宇宙中微子的证据。
既然中微子是“信使”,捕获到中微子有助于我们了解宇宙中的信息。
更多探测器也在路上。北半球有多个处于不同建设阶段的中微子望远镜,不过它们用的是水而不是冰;曾经启发哈尔岑的DUMAND项目虽于1995年结束,其经验正延续在贝加尔湖、地中海、南海和加拿大西海岸外的多个项目里。同时,IceCube仍在继续工作,南极的下一次扩建也在规划中,IceCube-Gen2将拥有惊人的8立方公里冰体(NASA爱好者,2026)。
2026 年诺奖得主弗朗西斯 · 哈尔岑,1944年生于比利时蒂嫩。1969年获比利时鲁汶大学博士学位。现为美国威斯康星大学麦迪逊分校教授。
参考文献
[1] 张静(2026),新晋物理诺奖得主哈尔岑:82岁仍在写论文、开会,科学网,2026
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[2] NASA爱好者(2026),2026年诺贝尔物理学奖授予弗朗西斯·哈尔岑,一场持续四十年的冰下天文学,虎嗅网,2026
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[3] 天下事(2026),2026年诺贝尔物理学奖揭晓!他在南极追踪宇宙“幽灵粒子”,凤凰网
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[4] 湖北日报(2026),哈尔岑获2026年诺贝尔物理学奖,MSN,2026
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[5] 极目新闻(2024),李政道曾登黄鹤楼题字:黄鹤飞上天,轻若中微子,搜狐网
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