2026年的诺贝尔物理学奖被授予了一位将南极冰盖改造成巨型探测器的人。

瑞典皇家科学院于10月6日宣布，本年度物理学奖得主是弗朗西斯·哈尔岑，以认可他“对冰立方中微子天文台作出的决定性贡献，以及发现源自天体的高能中微子”。

从遥远宇宙传来的信使

现年82岁的哈尔岑出生于比利时蒂嫩，博士毕业后不久便前往美国威斯康星大学麦迪逊分校，目前担任该校教授。今年的物理学奖仅由他一人独得。

哈尔岑的装置没有传统镜片。它位于南极点地下1450米至2450米处，是一块体积达1立方千米的冰体，内部嵌有5160个光传感器。这台设备观测的并非光线，而是宇宙中最难捕捉的粒子：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650亿个来自太阳的中微子穿过你的小指指甲，而你毫无察觉，指甲也毫无变化。它们穿越整个地球，就如同穿过稀薄空气一般。

正因为几乎不与任何事物发生作用，中微子反而成为最可靠的使者：从宇宙深处飞来时，它携带的信息完好无损。物理学家希望借助它来解答一个困扰了科学界一个多世纪的问题。

宇宙中到处充斥着高速运动的粒子，统称为宇宙线。其中大多数是质子，即失去了电子的氢原子核。有些质子抵达地球时携带的能量高得惊人，远超人类最大粒子加速器的加速能力。宇宙中必定存在某种天然加速器，将这些粒子推至如此高速。然而，这些加速器的具体位置，至今无人知晓。

问题在于质子带电。带电粒子在太空中穿越磁场时路径会弯曲，等它飞到地球时，早已无法追溯其起源。顺着它的来向回溯，看到的只是一片虚空。

中微子不带电，磁场无法改变其路径。物理学原理告诉我们，能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，那里就应该是宇宙加速器本身。

捕捉它的方法早在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，这个粒子会沿着中微子原来的方向继续飞行，并发出蓝光。水是透明的，光可以传播出去，布置合适的传感器就能探测到这道光，计算出它的方向，从而推断出中微子的来源。关键只有一点：水量要足够多，多到能等来足够多的碰撞事件。

冰立方的建造历程

上世纪80年代，哈尔岑听说苏联研究者计划在南极用无线电天线捕捉中微子信号。他受到启发，想到了另一条路径：将光传感器埋入冰川，冰也是透明的，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，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了方案。

南极点具备诸多优势。那里已有科考站，有定期补给，以及支持团队工作的后勤保障。冰层深处永远黑暗，没有海洋中那些会发光的生物干扰，放射性物质也极少。冰是固体，人可以站在上面工作，该区域地质稳定，无地震。唯一的缺点在于：严寒使得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。

哈尔岑原本只打算做理论工作。勒尼德忙于自己的项目，再未回到南极这个话题。故事本可能就此结束。但这个想法吸引了太多人，几年之内，来自不同机构的研究者聚集到哈尔岑身边，要将它变为现实。

第一个障碍是如何将仪器放入1千米深的冰层。冰川学家教给他们一个方法：使用一个像花洒一样的热水钻头，一路将冰融化。然后将串着光传感器的长缆绳放入注满水的洞中，等待水重新冻结。哈尔岑将这种传感器称为反向的灯泡——灯泡是将电转化为光，而它是将光转化为电信号。

团队先在格陵兰进行了测试，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，建成了冰立方的前身——一个名为AMANDA的探测阵列。

1993年平安夜，哈尔岑坐在餐桌旁，笔记本电脑放在腿上，等待一条消息：第一根装有光学模块的缆绳已被放入冰中。

最初的结果令人失望。冰层上部充满气泡，光线被四处散射，粒子运动的信息完全模糊不清。但继续向下，情况突然改变。1400米以下的冰极其纯净透明，中微子撞击产生的蓝光能在其中传播300米才被吸收，这比所有人预想的距离都要远得多。

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。于是团队接着建造冰立方：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

建成仅仅是开始。冰立方每天记录到的信号中，绝大多数与宇宙深处无关。宇宙线撞击地球大气层，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。宇宙线在大气中还会产生中微子，每天有几百个从北半球方向穿透整个地球，到达冰立方。

要在这些噪音中筛选出真正来自宇宙深处的中微子，依靠的是能量。放射性物质、太阳、大气层产生的中微子能量都低得多。能量高到一定程度的中微子，不可能来自我们附近，只能来自非常遥远的地方，例如恒星爆炸的残骸，或者遥远的活动星系。

仅凭单个事件，研究者无法百分之百确定它来自地球之外。但将所有筛选出的事件放在一起，观察它们的整体特征是否符合宇宙中微子的预期，并且明显区别于大气中微子，就能做出判断。2013年，团队报告了第一批证据。又过了两年，数据量足够多，使他们确信：宇宙中微子已被捕捉到。

中微子天文学其实早有前史。上世纪60年代，雷蒙德·戴维斯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，来自邻近的大麦哲伦云中一颗爆炸的恒星。两人因此获得2002年的诺贝尔物理学奖。

戴维斯当时还留下一个谜题：他捕捉到的太阳中微子数量只有理论预测的1/3。后来人们才弄清楚，中微子有三种类型，并且在飞行途中会转变形态，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·麦克唐纳因揭示这种转变而获得2015年的诺贝尔物理学奖。

但以往捕捉到的中微子，无论是来自太阳还是那颗超新星，都是家门口的信使。冰立方要做的是将中微子天文学推向宇宙深处，去观察那些藏在尘埃云后面、远到其他辐射半路就消失的东西。伽马射线在传播过程中会被光和物质消耗，而中微子则完全不在乎。这是一种任何其他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动星系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，这一证据还不够充分，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。近几年，团队还看到了来自银河系内部的高能中微子，他们认为那是宇宙线撞击星际稀薄气体的产物。

当年启发哈尔岑的那个夏威夷深海项目，于1995年终止。它的思路延续在贝加尔湖、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年波兰那场会议算起，哈尔岑在这件事上投入了38年。现在，南极冰盖深处1450至2450米之间，5160个光传感器仍在持续工作，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。