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

瑞典皇家科学院宣布，2026年诺贝尔物理学奖授予弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），以表彰他对冰立方中微子天文台（IceCube Neutrino Observatory）的决定性贡献，以及对天体物理起源的高能中微子的发现。

图源：瑞典皇家科学院

哈尔岑1944年出生于比利时蒂嫩，1969年在比利时鲁汶大学获博士学位，现为美国威斯康星大学麦迪逊分校教授。他的想法听起来近乎异想天开，用南极的冰川，去捕捉宇宙中最“害羞”的粒子。

一、最害羞的粒子

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。

图源：瑞典皇家科学院

除了太阳，宇宙其他角落也会送来中微子。它们带着那些极端天体环境的线索，如果能捕捉到这些更稀少的“宇宙中微子”，就能反推它们的来源。

二、为什么要找它们：破解宇宙线之谜

这项探索的动机，其实来自另一类粒子：宇宙线。宇宙线主要是质子，也就是氢原子的裸核。有些来自太空的质子能量惊人，远超地球上任何粒子加速器所能赋予的水平。最极端的宇宙线究竟从何而来，一直是宇宙里保守得最好的秘密之一。

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。

三、让冰变成探测器

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。

图源：瑞典皇家科学院

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），后者正在参与 DUMAND 项目，打算在夏威夷外海的深海里捕捉中微子的光信号。两人讨论了在南极做观测的机遇与挑战，并于1988年在波兰的一次会议上首次公开了这个构想。

南极点的优势显而易见，那里已有科考站，有定期的运输体系和工作条件；足够深的冰层里永远一片漆黑，没有海洋生物的干扰，放射性物质含量低；冰层稳定，地质上没有地震。缺点同样明显，严寒使得大部分时间无法往返，所有现场工作只能挤在11月到次年2月的短暂南极夏季里完成。

四、从 AMANDA 到 IceCube

起初，哈尔岑满足于做理论工作，勒纳德也忙于自己的项目，没有再回头。故事本可以就此结束，但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。冰川学家告诉他们，可以用一种精巧的“淋浴喷头”，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。哈尔岑把这种传感器形容为“反过来的灯泡”，它不发光，而是接收光并转换成电信号。

冰立方中微子天文台由今年的物理学奖得主弗朗西斯·哈尔岑提出构想，用于追踪来自遥远宇宙的中微子。 冰立方持续收集到的中微子相互作用数据，将为研究者提供新的认识，帮助他们了解能产生高能中微子的那些剧烈天体环境，甚至有可能揭示此前未知的宇宙现象。

图源：IceCube/NSF

团队先在格陵兰做了测试，随后在南极建造了IceCube的前身AMANDA。哈尔岑曾回忆，1993年圣诞夜，他坐在饭桌前，把电脑放在腿上，等着确认第一条光学模块缆线是否成功下放。

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。顺带一提，项目也让人类对不同深度冰的性质有了大量新认识。

AMANDA 的建设持续到2000年1月，运行一切正常，但还不足以探测来自宇宙粒子加速器的高能中微子。要更大的体积，于是 IceCube 诞生，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。

从 AMANDA 到 IceCube，哈尔岑始终是项目的“催化剂”，作为充满热情的首席科学家，他把这些项目从想法一路推进到完整的测量和科学成果。

五、大海捞针：终于找到宇宙中微子

IceCube 探测到的远不止研究者想要的目标。位于地下1450到2450米的传感器，每天会记录到超过一亿个来自南极上空大气的粒子；宇宙线在大气中还会产生中微子，其中每天有几百个穿过整个地球，从北半球方向抵达 IceCube。

要找到宇宙中微子，研究者必须筛选出中微子在冰中发生相互作用的特定事件。即使无法百分之百确定某一个中微子来自地球之外，他们仍可以从整体上考察这些事件的性质，看它们是否符合宇宙中微子的预期、是否有别于大气中微子。2013年，团队报告了第一批宇宙中微子的证据；几年后，数据积累到足以确证这一发现。

六、中微子天文学的“前史”

中微子天文学早在上世纪60年代就小规模起步，当时雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis Jr）观测到了来自太阳的中微子。后来，小柴昌俊领导的日本神冈探测器确认了这一点，并能确定中微子的路径与来源。1987年，神冈捕捉到一阵与大麦哲伦云超新星爆发相关的中微子，美国和苏联的同步测量也随之印证。戴维斯和小柴昌俊因此获得2002年诺贝尔物理学奖。

图源：瑞典皇家科学院

当时还留有一个谜团，戴维斯测到的中微子数量只有理论预言的三分之一。原因后来被证明与中微子有三种类型有关，中微子会“变身”，产生时是一种，到达地球可能变成另一种。这一性质通过日本和加拿大的实验被揭示，梶田隆章和阿瑟·B·麦克唐纳因此获得2015年诺贝尔物理学奖。

中微子已经帮助物理学家验证了太阳内部和超新星内部过程的模型。IceCube 的理念，是把中微子天文学推向新高度：去了解被尘埃云遮挡的现象，或者遥远到其他辐射已在途中消失的天，获取其他方式无法得到的知识。

七、接下来会发生什么

一个重要目标，是确定宇宙中微子的具体来源。IceCube已发现了少数潜在来源，其中之一是活动星系 NGC 1068（也称 M77），在 IceCube 记录的中微子中，有79个看起来来自这个星系的方向。但证据还不够有力，不足以最终认定它就是中微子源；捕捉到的中微子越多，找到来源的机会就越大。

近年来，研究团队还观测到了来自银河系自身的高能中微子，他们预计这些中微子是宇宙射线与星际稀薄气体中的原子碰撞所产生的。

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。与此同时，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。

时间线速览

年份

事件

约1960年

物理学家提出：水可以用来捕捉来自太空的中微子

1988年

哈尔岑与学者在波兰会议上首次提出南极冰层中微子观测站的构想

1992年

研究者首次尝试把光传感器放入南极冰川

1993年

圣诞夜，AMANDA 首条光学模块缆线下放

2000年1月

AMANDA 建设完成

2011年

IceCube 达到完整规模：86条缆线、5160个光传感器

2013年

首次报告宇宙中微子的证据；数年后数据足以确证发现

2026年

哈尔岑获诺贝尔物理学奖

一个来自比利时的粒子物理学家，把目光投向了南极的冰；几十年后，那片冰变成了一台望远镜，让人类第一次“看见”来自宇宙深处的高能中微子。这个奖，奖励的不只是一次发现，更是一种把看似不可能的想法，一步步做成现实的耐心。

参考

[1]https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2026/popular-information/

[2]https://x.com/NobelPrize