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去南极捕捉幽灵信号!他凭什么拿下2026诺贝尔物理学奖?

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北京时间10月6日,2026年诺贝尔物理学奖揭晓。比利时出生的物理学家弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen)获奖,诺贝尔委员会给出的授奖理由是:“为对冰立方中微子观测站的决定性贡献,以及发现天体物理起源的高能中微子。”



2026年诺贝尔物理学奖获得者弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen)(图片来源:TheNobelPrize)

乍一看,这似乎是一个离普通人非常遥远的故事:一个物理学家、一座建在南极冰层里的巨大探测器,以及一些几乎从来不与物质发生作用的“幽灵粒子”。但这项工作的真正意义,远不只是“发现了一些中微子”。

它改变的是人类观察宇宙的方式。

过去我们主要依靠光来认识宇宙,从可见光、红外线到X射线和伽马射线;后来又有了引力波。如今,中微子也加入进来,成为来自宇宙深处的新“信使”。而哈尔岑最大的贡献,就是把一个看起来近乎疯狂的设想变成了现实:把南极冰层本身,变成一台巨大的“望远镜”。

一种每时每刻穿过你身体、却几乎没有存在感的粒子

要理解这项工作的意义,首先得认识中微子。

中微子是标准模型中的基本粒子之一。它不带电荷,而且质量极其微小。它还有一个令人难以置信的特点:极少与普通物质发生相互作用。



这是一张模糊的银河系图像,但图中记录的并不是星光,而是中微子。(图片来源:IceCube)

太阳核心正在发生核聚变,每时每刻都会产生数量惊人的中微子。仅仅在人体一个指甲盖大小的面积上,每秒就会有数百亿个太阳中微子穿过,而我们几乎感觉不到它们的存在。但这种“几乎不与任何东西发生作用”的特性,却恰恰赋予了中微子巨大的科学价值。

来自遥远天体的光,在漫长的宇宙旅行中可能被尘埃吸收、被物质散射;宇宙射线中的质子等带电粒子,则会受到宇宙磁场的影响,飞行方向不断发生偏折。中微子既不带电,又很少与物质相互作用,因此它们有机会从产生地点一路飞到地球,携带着相对直接的源头信息。

换句话说,中微子的“沉默”,反而让它成为一种特别干净的宇宙信使。

为什么偏偏要到南极,用冰来寻找它?

问题随之而来:既然中微子这么难被抓到,究竟怎么探测?

答案听起来非常反直觉:寻找它撞上物质的那一瞬间。



中微子与冰立方(图片来源:TheNobelPrize)

中微子虽然几乎不与物质发生作用,但“几乎”并不等于“绝对不会”。极少数情况下,一个高能中微子会撞击冰中的原子核,产生带电粒子。高速带电粒子在冰中穿行时,会产生一种特殊的蓝色微光,也就是所谓的切伦科夫光(Cherenkov light)。

中微子本身并不是发出蓝光,而是它与冰发生罕见相互作用后产生的次级带电粒子发光。科学家要做的,就是在巨大体积的透明冰中布置足够多的光学传感器,捕捉这些极其微弱的闪光,再根据不同传感器接收到光的时间和强度,反推出粒子的运动方向与能量,进一步重建最初中微子的性质。

这正是哈尔岑的关键创意。1988年,他提出利用南极冰层建造中微子天文台。南极冰的深处没有阳光,环境极其黑暗;深层冰体非常纯净、透明,而且相对稳定。更重要的是,天然冰本身已经占据了巨大的空间,科学家不需要建造一座装满数十亿吨水的容器,只需要把传感器“埋”进冰里。



位于南极阿蒙森-斯科特南极站的IceCube中微子观测站。(图片来源:IceCube)

但这个想法的工程难度同样惊人。研究人员需要用高温水流在冰层中钻出超过两公里深的孔洞,再把连接着光学传感器的长缆线一点一点放入其中。之后,孔洞重新冻结,传感器便永久“封装”在冰里。早期项目AMANDA证明了这种思路可以工作。最终,IceCube也由此诞生。

从“捕获一个粒子”到找到宇宙中的天然加速器

IceCube建成之后,真正的问题才开始:怎样从海量粒子中找到来自遥远宇宙的高能中微子?



不同波段的天文观测共同描绘宇宙图景。由于单一望远镜无法覆盖全部电磁波范围,现代天文学需要结合地面和空间望远镜的数据;如今,中微子探测也加入其中,为寻找宇宙中的高能粒子加速器提供了新的线索。(图片来源:维基百科)

南极上空每天都有大量宇宙射线进入大气层,并产生各种次级粒子,其中同样包括中微子。因此,IceCube探测到的绝大多数信号并不是科学家最想寻找的“宇宙深处来客”。

2013年,研究团队从数据中筛选出一批能量特别高、无法用通常的大气来源解释的中微子事件。这些事件提供了首批来自太阳系之外的高能天体中微子证据。人类由此第一次真正获得了利用高能中微子研究遥远宇宙的能力。

它解决的,是一个困扰天文学家百余年的问题:宇宙中那些能够把粒子加速到超高能量的“天然粒子加速器”究竟在哪里?

宇宙射线早已告诉我们,宇宙中存在远远超过地球实验室能力的粒子加速过程。但质子等宇宙射线带电,在宇宙磁场中飞行时会发生偏转,因此我们很难根据它们抵达地球的方向,直接找到源头。

中微子却不一样。它们不带电,因此不会被磁场弯曲。如果某个遥远天体正在猛烈加速质子,并在这些高能粒子的碰撞过程中产生中微子,那么中微子就可能沿着近乎笔直的路线飞到地球。科学家因此可以根据中微子的方向反向追踪,寻找宇宙中真正的“粒子加速器”。



宇宙中的不同“信使”以不同方式抵达地球。带电的宇宙射线会受到磁场偏转,而中微子(红)能够沿近乎直线的路径传播,因此有望帮助科学家追踪宇宙中高能粒子加速器的位置。(图片来源:University of Copenhagen)

这就好像宇宙中有人向地球射来一支箭:箭在飞行过程中几乎没有被风吹偏,我们接到它之后,就能够沿着来向回头寻找发射者。

这正是中微子天文学最重要的价值。

从“看见”到“定位”:宇宙正在进入多信使时代

真正让中微子天文学发生质变的,还有另一个概念——多信使天文学。

传统天文学主要依靠电磁波。今天,我们已经可以用射电、红外、可见光、X射线和伽马射线等不同波段观察宇宙。后来,人类又获得了引力波这一全新的观测手段。

而IceCube增加了中微子这一种信使。2017年9月22日,IceCube探测到一个能量约290万亿电子伏特的高能中微子,并迅速向全球天文台发出警报。随后,伽马射线、X射线、光学和射电望远镜对同一天区展开跟踪观测,发现那里一个被称为TXS 0506+056的耀变体正处于高能爆发状态。2018年发表的研究将这一事件及历史数据结合起来,给出了高能中微子与这个活动星系之间的重要关联证据。这意味着,不同“信使”开始共同讲述同一个宇宙故事。



IceCube中微子观测站示意图。研究人员在南极冰层1450至2450米深处部署了5160个数字光学模块(DOM),利用中微子与冰中原子相互作用产生的微弱闪光,追踪来自遥远宇宙的高能粒子信号。(图片来源:IceCube)

光可以告诉我们一个天体有多亮、温度如何;引力波可以记录时空本身的剧烈扰动;而中微子则有机会从极端环境内部逃出来,把那里发生的高能粒子过程直接带到地球。

后来,IceCube还从附近活动星系NGC 1068的方向发现了显著的中微子发射证据,并观测到来自银河系的高能中微子。

这些结果并不意味着宇宙中的高能中微子来源已经全部找到。恰恰相反,很多问题仍然没有答案:哪些天体是真正高效的宇宙粒子加速器?它们究竟通过什么机制制造如此高能的粒子?黑洞附近、恒星爆发以及其他极端环境内部又发生着怎样的物理过程?

但人类第一次拥有了直接追踪这些过程的新方法。

这项诺奖真正奖励的是什么?

因此,理解2026年诺贝尔物理学奖,不能简单概括成“发现高能中微子”。



弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen)(图片来源:IceCube)

中微子并不是2026年才被发现的新粒子。早在20世纪,科学家就已经通过太阳和超新星研究中微子。1995年,弗雷德里克·莱因斯因中微子发现相关工作获得诺贝尔物理学奖;2002年,雷蒙德·戴维斯和小柴昌俊因开创中微子天文学获得诺奖;2015年,梶田隆章和阿瑟·麦克唐纳则因发现中微子振荡、证明中微子具有质量而获奖。

2026年的特殊之处在于:哈尔岑把中微子从粒子物理实验中的“研究对象”,进一步变成了观察宇宙的工具。

诺贝尔委员会特别强调了他的科学远见和领导作用。1988年,哈尔岑就提出了在南极冰层中探测中微子的设想。后来,他推动AMANDA等早期实验,又推动IceCube从概念走向建设、运行和科学产出。几十年之后,最初看似冒险的想法终于成为世界上规模最大的中微子天文台之一。

所以,这座诺奖真正奖励的,其实是一种能力:不是只回答一个问题,而是创造一种过去不存在的观察宇宙的方法。

从可见光望远镜到射电望远镜,人类一次次通过新的“信使”扩展自己的宇宙视野。IceCube的意义,也正是在这里——它让原本几乎沉默的中微子开始“说话”。



弗朗西斯·哈尔岑提出并推动建设的这一观测设施,将南极冰层变成捕获宇宙中微子的巨大探测器,为人类打开了传统望远镜之外的一扇全新宇宙窗口。(图片来源:IceCube)

但南极冰下的故事,还远远没有结束,这项研究的下一章已经开始。未来,也许我们会找到更多明确的中微子源;也许能够真正揭开超高能宇宙射线的起源;甚至可能在这些来自宇宙深处的粒子中,发现今天理论还没有预料到的新现象。

  • 1. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2026/press-release/
  • 2. https://mp.weixin.qq.com/s/KhutJaUmg7VgFkhbqxUIZg
  • 3. https://edition.cnn.com/2026/10/06/science/nobel-prize-physics-francis-halzen-winner-intl
  • 4. https://www.scientificamerican.com/article/2026-nobel-prize-in-physics-awarded-to-francis-halzen-for-discovery-of-high-energy-neutrinos/
  • 5. https://mp.weixin.qq.com/s/oK3Cnb8oadhORI79gEkumw

作者:蝌蚪君
审核:刘颖 李培元 张超 杨柳
审核专家:梁文杰 中科院物理研究所 研究员

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