2026 年的诺贝尔物理学奖,颁给了一个把「一块南极冰变成一台望远镜」的人。
10 月 6 日,瑞典皇家科学院宣布,82 岁的弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen)独得今年的物理学奖,表彰他对「冰立方中微子天文台」的决定性贡献,以及发现来自天体物理源头的高能中微子。
简单说:他主导创建了一座用南极冰做成的天文台,第一次抓到了来自宇宙深处的高能中微子。人类从此多了一种看宇宙的方式。
哈尔岑 1944 年生于比利时,1969 年在鲁汶大学取得博士学位,现在是美国威斯康辛大学麦迪逊分校的教授。
主角:幽灵粒子
先认识研究的主角:中微子。它是一种极小的基本粒子,几乎没有质量、不带电,也几乎不和任何东西发生作用。它能轻松穿过地球,也穿过你的身体——此刻每一秒,都有几百亿个来自太阳的中微子穿过你的指甲盖,而你毫无感觉。
所以它被叫做「幽灵粒子」:无处不在,却极难抓到。
打个比方:光像城市里的广播,会被墙挡住、被雾打散;而中微子像一个穿墙而过的快递员,不敲门、不停留,直接从源头送来一张写着「我从哪里来」的纸条。
为什么非抓住它不可
一百多年前,人类发现太空中不断有高速粒子砸向地球,叫做宇宙线。它们是被什么加速到这么快的?至今仍是天文学最大的悬案之一。
这个案子难查,是因为两条线索都断了:
- 宇宙线带电,一路被宇宙中的磁场拐来拐去,到地球时早已找不到来路。
- 光虽然走直线,却会被尘埃和气体挡住,从最黑暗、最致密的地方出不来。
中微子刚好两样都不怕:不带电,不会被带偏;几乎不和物质作用,不会被挡住。而宇宙线诞生的地方,也会同时产生高能中微子。只要抓住一个,顺着它飞来的方向倒推,就能找到源头。
用冰来抓
中微子几乎不和物质作用,但不是完全不作用。亿万个里,偶尔有一个会撞上原子核,产生一个高速带电粒子,沿途发出一道微弱的蓝光,叫切伦科夫辐射——可以理解成光的「音爆」。
所以办法很直接:找一大块又黑又透明的东西,埋满光传感器,等那一闪。
当时的主流方案是用深海的海水,但海里有会发光的生物,还有洋流,杂讯太多。1988 年,哈尔岑和 John Learned 提出另一个想法:用南极的冰。冰又黑、又静、又干净,传感器冻住以后永远不会动。
哈尔岑日后回忆,他当时对冰的光学性质一无所知,才敢提出这个想法;换作更懂行的人,也许早就放弃了。
运气也站在他这边。浅层的冰满是气泡,但在大约 1,400 公尺以下,气泡被压没了,冰清澈得出人意料,蓝光能传出几百公尺远。
冰立方的文件
从想法到建成,一共花了二十多年:九十年代先用 AMANDA 做原型,2004 年前后动工,2010 年底完工。
- 位置:南极点附近,整台设备都在冰面以下。
- 规模:86 根缆绳、5,160 个光传感器,涵盖一立方公里的冰。
- 深度:地下约 1,450 到 2,450 公尺。
- 怎么建:用热水在冰里融出两公里多深的孔,放下缆绳,等水重新结冻。
- 怎么测:每个传感器记录光到达的时间和亮度,推算粒子从哪里来、能量有多大。
为什么要建得这么大?因为要等的事太罕见了:每天有上亿个宇宙线的杂讯,每年有大约十万个大气中微子,而真正来自宇宙深处的高能中微子,一年只有几十个。探测器不够大,就等不到。
冰立方建成后,果然发现了来自宇宙深处的高能中微子,并一步步追到了它们的源头:从遥远的黑洞星系,一直到我们自己的银河系。
一件关于坚持的事
这对人类意味着什么?最大的意义是,我们多了一种看宇宙的方式。过去,天文学靠「看光」;2015 年,人类第一次探测到引力波,开始「听」时空的震动;现在,中微子让我们能「透视」宇宙最狂暴的角落。三者互相印证,叫做多信使天文学。
但说到底,这是一件关于坚持的事:1988 年提出想法,2004 年动工,2010 年建成,2013 年拿到第一个结果,2026 年得奖,中间是三十八年。
一个理论物理学家,在中年时提出一个当时谁也没验证过的方案,用半辈子把它从一张纸变成一立方公里的冰,再守到宇宙真的回信。诺贝尔物理学委员会评价哈尔岑时用的词,正是「坚韧」。
过去,人类靠光去「看」宇宙;后来,靠引力波去「听」宇宙;现在,靠中微子去「透视」宇宙最黑暗的内核。
而这一次,我们的眼睛,是一块冰。
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