一立方公里冰，造就一个诺奖：哈尔岑为何独享2026年物理学？

2026年10月6日，瑞典皇家科学院把诺贝尔物理学奖授予威斯康星大学麦迪逊分校的弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）。授奖词没有指向某一个公式，而是指向一台仪器和一种粒子：「对冰立方（IceCube）中微子天文台的决定性贡献，以及对天体物理来源高能中微子的发现。」奖金1200万瑞典克朗。因为没有共同获奖人，不必分割。

哈尔岑1944年出生于比利时蒂嫩。授奖时，他已经82岁。从出生到这句授奖词，时间走过了82年。其间绝大部分岁月，他并不是一个守在南极冰原上的实验家，而是一名计算粒子的理论物理学家。直到1987年，他开始不肯满足于把探测器留在纸面上。

●1966—1986：他先学会的是计算，不是钻孔

哈尔岑1966年在鲁汶大学获得硕士学位，1969年获得博士学位，同年进入日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）担任科学协作者，直到1971年。随后他来到威斯康星大学麦迪逊分校，1972年完成高等教育资格考试并成为助理教授，1977年升任教授。1984年，他出任该校基本粒子物理研究所所长。

从履历上看，这是一条相当标准的理论物理学家道路：欧洲的加速器，美国中西部的大学，以及一间粒子物理研究所的办公室。

但他真正开始朝外看的，是宇宙线。宇宙线自1912年被维克托·赫斯发现以来，能谱一路测到约10²⁰电子伏，比大型强子对撞机（LHC）中质子的能量高出约千万倍。在几个拍电子伏（PeV，10¹⁵电子伏）附近，宇宙线能谱出现一个明显的拐折，被称为「膝」。通常认为，在这条能量线以下，宇宙线主要来自银河系，超新星爆发是重要的加速候选源。到了几个艾电子伏（EeV，10¹⁸电子伏）附近，又出现另一个「踝」。此时质子的回旋半径已经大到超过银河系尺度，河外宇宙线开始占据主导。

问题在于，质子带电。银河系和星系际空间中的磁场会不断改变它们的飞行方向。粒子最终落到地球时，已经很难根据来向追溯源头。伽马射线虽然沿直线传播，却会被尘埃吸收；传播距离足够远时，还会与宇宙中弥漫的背景光子发生作用。中微子不带电，只参与弱相互作用和引力，几乎不受沿途磁场影响，尘埃也挡不住它。它从哪里来、带着多少能量，基本都能保留下来。

理论家真正想知道的，是宇宙中那些天然的粒子加速器究竟在哪里。最后，他们会撞上一种最难抓住、却最值得追踪的粒子：它几乎不跟任何东西打招呼。这种粒子当时已经拥有自己的诺贝尔奖历史，只不过能量低得多。

1930年，泡利为了填补放射性衰变中的能量缺口提出中微子。1956年，科温和莱因斯在反应堆旁首次捕获它。2002年的物理学奖由三人分享：雷蒙德·戴维斯和小柴昌俊因为探测到太阳中微子和超新星1987A的中微子，里卡尔多·贾科尼因为X射线天文。

那些中微子的能量停留在兆电子伏（MeV，10⁶电子伏）量级，对应的是恒星核心和超新星爆发。1987年2月，超新星1987A的中微子抵达地球，人类第一次用中微子看见太阳系之外的一场恒星爆炸。哈尔岑想追的是另一端。太电子伏比兆电子伏大约高出一百万倍，拍电子伏大约高出十亿倍。那里对应的已经不是恒星如何燃烧氢，而是宇宙中那些真正凶猛的天然加速器。

●1987—1988：一场报告，一串邮件

转折发生在1987年秋天的堪萨斯大学。哈尔岑在那里做完报告，听众中的冰川学家泽勒告诉他，苏联科学家正在考虑利用南极冰层中的射电天线探测中微子。思路是，中微子与原子核发生作用后产生带电粒子，进而激发出射电脉冲。哈尔岑和同事斯坦涅夫、萨斯算了一遍，发现这种方法的能量门槛太高，够不到他们真正关心的拍电子伏能区。

于是，他把目光转向了光。当带电粒子在水或冰中运动的速度超过光在这种介质中的相速度时，就会产生一锥蓝紫色的光，这就是切伦科夫辐射（Cherenkov radiation）。它有点像超音速飞机制造的音爆，只不过这里被轰出来的是光。水的折射率约为1.33，μ子能量超过约160兆电子伏后就可以产生这种辐射。只要用一串光电倍增管捕捉这些光，就能根据光抵达不同探测器的时间和位置，反推出粒子的运动方向。

真正的门槛是体积。到了拍电子伏能区，中微子与核子发生作用的截面仍只有约10⁻³³平方厘米，而高能中微子的能谱又非常陡。想让一年中的碰撞次数达到足以做天文学的水平，靶必须做到大约一立方公里。

其实，早在20世纪60年代，马尔科夫、莱因斯和格雷森等人就分别提出过利用巨大体积水体探测中微子的想法。深海方案中最著名的，是夏威夷外海的杜曼德（DUMAND）计划。发言人约翰·勒尼德（John Learned）准备把光学传感器串部署到约4800米深的海底。

哈尔岑后来回忆，他猜想别人也想到过利用冰，然后放弃了。「如果我不是对天然冰的光学性质一无所知，大概也会这么做。」于是，他给勒尼德连发了一串电子邮件。勒尼德很快看出了南极冰的优势，但他仍然留在杜曼德；哈尔岑则把自己此后的职业生涯押在了冰上。1988年6月，两人第一次把「冰同时作为靶和发光介质」的设想写成论文。同年，这一方案又在波兰举行的一次会议上公开亮相。

南极点当时已经有考察站，运输和后勤并不需要从零开始。冰层深处没有海洋中的生物发光，天然放射性本底很低，环境稳定而安静。代价同样明显：南极一年中大部分时间无法施工，钻孔、下放仪器和安装设备，只能挤在每年11月至次年2月的短暂窗口里。

就在这一年，威斯康星大学麦迪逊分校授予哈尔岑格雷戈里·布赖特讲席教授头衔。头衔是学校的事。他接下来真正要解决的问题只有一个：能不能把这些玻璃球，真的冻进南极冰里。

●1991—2001：格陵兰先亮，南极的气泡后来给了他一个教训

1991年9月，《自然》发表了一篇篇幅不长的原理验证：研究人员把光电倍增管放进格陵兰冰盖已有的钻孔中，成功记录到大气宇宙线产生的μ子在冰中留下的切伦科夫光。冰，足够透明。这一年，哈尔岑又被聘为希尔代尔讲席教授，一直担任到2021年。

1992年，一群不肯放弃的研究人员和工程师开始把传感器放进南极冰盖。前身探测器叫阿曼达（AMANDA）。哈尔岑后来讲过1993年的圣诞夜：人坐在餐桌旁，电脑放在腿上，等消息确认第一串光学模块已经进入冰中。

真正的麻烦很快出现了。大约800至1000米深处，冰里藏着直径约50微米的气泡，切伦科夫光的散射长度不到50厘米，方向信息严重丢失。再往下，高压把气泡逐渐变成空气水合物，冰才真正变清。大约1500米以下，透明度好得出人意料，切伦科夫光可以传得很远。

阿曼达最终把主要探测区域放在约1500至2000米深处，并于1993年至2000年分期建成。2001年3月，《自然》发表了它对50吉电子伏到几个太电子伏大气中微子的观测结果。冰这条路走通了。阿曼达随后给出了天体物理中微子流量的上限，但也让人看得更清楚：如果真正想抓住宇宙加速器产生的那一支中微子，现有的探测体积仍然不够。

大气中微子在这里并不是失败，而是一把刻度尺。宇宙线撞入地球大气层后，会产生π介子和μ子，它们进一步衰变，形成大量中微子。大气中微子的能谱非常陡，大致按能量的-3.7次方下降。如果天体物理中微子来自激波加速后的质子碰撞，能谱则应该平得多，大约接近-2.5次方。能量足够高时，后者才有机会从前者的背景中浮现出来。阿曼达证明了探测器能够看见已知的大气中微子。下一步，需要的是一个大得多的靶。

●1999—2011：申请书写着首席研究员，冰却还要再钻十年

冰立方的方案于1999年提交给美国国家科学基金会，哈尔岑署名首席研究员。从2001年开始，他的正式履历中又多了一项身份：冰立方首席研究员兼联合发言人。2002年3月，美国国家科学基金会批准经费，2004年正式开工。86串探测器在2005年至2010年的每一个南极夏季陆续放入冰层，2011年达到全尺寸运行。

最终的规模相当惊人：86串，每串60个光学模块，总计5160个；深度约1450至2450米。探测串按六角形、三角形网格布设，相邻两串相距125米，不是整个阵列只有125米宽；86串排开，水平尺度大约一公里。同一串上相邻模块间距17米。

每个光学模块的核心，是一只口径25.4厘米、朝下安装的半球形光电倍增管。连同玻璃外壳，整个模块大约35厘米。朝下，是为了接从地球另一侧穿上来的光。探测器并不是单纯在仰望天空，而是把整颗地球用成了望远镜的一部分。哈尔岑曾把它形容成一只反过来的灯泡：普通灯泡把电变成光，这些模块把光变成电，再通过光纤送到冰面，最终由卫星传回麦迪逊。

钻孔仍用那套高压热水系统。热水喷头向冰层中融出一口竖井，缆绳带着光学模块下到预定深度，水重新冻结，仪器就此封存在冰中。约2100米以下最清澈的区域，吸收长度约200米，散射长度约50米，折射率约1.31。被仪器覆盖的体积约一立方公里，靶的质量约十亿吨。冰面上还有一套「冰面阵」（IceTop），用来测量大气簇射，并在有限的角度里帮冰下事例排除大气背景。

一次中微子碰撞如何变成天文数据，也在这些年里定下来。μ子中微子的带电流相互作用会打出μ子。在太电子伏能区，μ子可以在冰中走上大约一公里，留下长长的径迹。相互作用甚至可以发生在探测器外面，只要μ子穿进来，就可能被记下来。因此有效体积实际上大于那一立方公里。在约100太电子伏附近，μ子径迹的方向可以重建到约0.3度。电子中微子、τ子中微子，以及所有味道的中性流相互作用，往往留下一个尺度不到十米的粒子级联。光看起来更像一个球。大约50太电子伏以上，方向精度约5度，能量却测得更好，因为绝大部分簇射都包在探测器内部。

真正麻烦的是背景。大气μ子每天有上亿个能冲到这个深度，触发率约每秒3000次，但它们穿不过整个地球。挑选μ子径迹时，只留下从地平线以下穿上来的事件，本底就能被压下去。地球在这套样本里是一块天然滤网。级联和起始事例并不只看脚下。能量再高，从上往下掉进来的中微子也要留下。

2005年，南极一座高地被命名为哈尔岑方山。2009年，阿曼达退役。2011年，冰立方达到全尺寸运行，此后有效运行时间一直超过99%。合作组大约450人，来自14个国家、58家机构。哈尔岑从方案、经费获批、施工到运行，始终是把这支团队拢在一起的首席研究员。这一年他67岁。第一串光学模块冻进南极冰层，已经过去了18年。

●2010—2014：他们本来在找更稀有的那一种

全尺寸冰立方还没有正式宣布完成，数据已经开始说话。2010年5月至2012年5月的数据里，出现两个异常事件，沉积能量分别约1.04拍电子伏和1.14拍电子伏。冰立方用了一种「起始事件」筛选：外层当作否决区，只保留第一次相互作用就发生在内部约5亿吨灵敏体积中的事件，用来挡从外面闯进来的大气μ子。

当时他们真正想找的，是更稀有的GZK中微子。宇宙线能量超过约50艾电子伏后，会与宇宙微波背景光子作用，理论上应留下能量更高的中微子。结果先撞上的是能量低一截、却依然高得离谱的两粒。大型强子对撞机里的质子约为7太电子伏，这两个事件的沉积能量已经高出一百多倍。若纯粹来自大气背景，预期大约只有0.08个。观察到两个或更多的概率约为千分之三，相当于2.8倍标准差。2012年夏天的国际中微子会议上，合作组已经把这两个事件拿出来展示。正式论文在2013年发表。仅凭两粒，还不能叫发现。

真正改变结论的，是把同一批数据继续往下挖。研究人员从中找出28个能量在30太电子伏至1.14拍电子伏之间的事件，21个是级联，7个是径迹。2013年11月，《科学》发表论文，用的词是「证据」。2014年，对2010年至2013年数据的分析，把「全部来自大气背景」排除到5.7倍标准差。科学院的科学背景把结论写得很明确：冰立方发现了一支弥散的天体物理中微子流，能量一直延伸到拍电子伏，来源主要在河外。

所谓弥散，是说它们并没有明显指向某一颗天体。更像远方无数盏灯组成的一片灯海：单独一盏还认不出来，整片光已经不是地面路灯能解释的。一年里，能量高于约0.1太电子伏的中微子，大约有十万个进入数据，绝大多数仍来自大气；真正来自天体物理过程的，预计大约一百个。2010年5月至2021年5月，样本后来扩大到231486条径迹和10569个级联。数字大，绝大部分依然是大气背景。天体物理成分是靠能谱拟合剥离出来的。大约30太电子伏以下，能谱更平；更高能段才逐渐接近一条幂律。这像是在说，贡献者并不只有一类源。

中微子的能量流量，与较低能段的伽马射线、较高能段的宇宙线处在相近量级。质子撞上气体或光子后，中性π介子衰变成伽马射线，带电π介子产生中微子。三本账对得上，才有理由相信它们来自同一类宇宙加速器。

一个早期猜想比这句「发现」更早被否掉。2012年4月，《自然》已经报告，伽马暴的位置和时间对不上中微子。到2026年科学背景写成时，按位置和时间做过的后续搜索超过一千次，一次符合都没有。人类最初设想的那一类伽马暴，并不是这支弥散流的主要来源。

●2017—2022：灯海里面，先亮起两盏不一样的灯

发现弥散流之后，困难才刚刚开始：能不能从这片灯海里指出具体是哪一盏。学界的认可来得比斯德哥尔摩早。2015年，巴尔赞奖把天体粒子物理学奖授予哈尔岑。诺贝尔奖又等了11年。他没有离开冰立方首席研究员的位置。

2017年9月22日，一个μ子中微子抵达。能量约290太电子伏，在冰中沉积约180太电子伏。重建方向离耀变体TXS 0506+056只有约0.06度。耀变体是喷流几乎正对地球的活动星系核。这颗源当时正在爆发，此前几个月，伽马射线流量升到平常的大约7倍。警报在一分钟内发往全球，射电、光学、X射线和伽马射线望远镜转向那个方向。回查档案，2014年9月至2015年3月，同一方向还有过一次中微子耀发，显著性3.5倍标准差。两篇论文2018年发表在《科学》上。中微子天文学第一次按一颗具体天体发出警报，而不再只公布全天的统计。按粒子物理的惯例，3.5倍标准差仍然不能称为发现。

2022年11月4日，《科学》发表了另一盏更安静的灯。在110个已知伽马射线源的方向上寻找超额之后，有79个能量约1至10太电子伏的中微子来自NGC 1068，超出背景4.2倍标准差。它也就是梅西叶77，位于鲸鱼座，距离地球约4600万光年，中心黑洞约1500万倍太阳质量。它没有明显的大尺度喷流。毫米波和X射线观测显示，黑洞周围裹着厚厚的气体和尘埃。费米卫星看到的伽马射线能量流量远低于中微子，地面切伦科夫望远镜也没有看到太电子伏伽马射线。伽马射线出不来，中微子出来了。这更像产生在黑洞周围辐射密集的冕里，而不是一条已经冲出星系的喷流。和2017年那颗耀变体放在一起，像两口不同的宇宙厨房。

4.2倍标准差仍没有跨过惯例中的5倍。科学背景把它记成超出本底4.2倍标准差的结果，并说时间会判断活动星系核能否坐实为源。科普文本更克制：这些中微子看起来来自那个方向，还不足以最终确认；抓到的越多，锁定源头的机会越大。

●2023—2026：银盘跨线，授奖词上却只有一个名字

点源还在争论，银盘先跨过了线。2023年，冰立方以4.5倍标准差报告了来自银盘方向的高能中微子。它们对不上任何单一的点源，却与宇宙线在银河系里撞击星际气体的图景相符，也与费米卫星看到的、由中性π介子产生的弥漫伽马射线相呼应。今年用12年数据，显著性提高到5.7倍。按科学背景的表述，银河系成为第一个跨过5倍标准差的高能中微子源。这里的源是整条银盘，不是某一颗超新星遗迹。点源依然没有被单独指认。银河系和NGC 1068加起来，也只是那支弥散河外流量旁边的一小块。

味道也在这几年补齐。电子、μ子和τ子三种中微子在长途中会来回变身，到达地球时理论上应接近均分。地球大气里，由μ子中微子变来的τ子中微子只能出现在100吉电子伏以下；再高，就只能是天体物理来的。2024年，冰立方公布了7个能量从20太电子伏到1拍电子伏的高能τ子中微子，把「不存在天体物理τ子中微子」排除到5倍标准差。三种味道都到了，说明这些粒子在路上走得够远。

能量纪录来自一次迟到的发表。2019年3月31日，一个从上方进入探测器的μ子中微子被记录下来，重建能量11.4拍电子伏，不确定度大约2.5拍电子伏。论文直到2026年3月才发表，是冰立方迄今公布的最高能量。它没有从地平线下面穿过地球，并不奇怪：能量越高，中微子越容易和物质发生作用。到了这一档，地球也不再完全透明。

然后是10月6日。诺贝尔物理学委员会主席马克·皮尔斯说：「弗朗西斯·哈尔岑带领一支由研究人员和工程师组成的国际团队，给了我们一台了不起的仪器。他的执着和科学远见，为一种新的天文学铺了路。」此时他是维拉斯研究教授、格雷戈里·布赖特讲席教授，也是冰立方首席研究员。从1987年堪萨斯那场报告算起，这条路他走了39年。

●为什么只有哈尔岑？

冰立方大约有450名科学家和工程师，论文作者名单是一整个合作组。诺贝尔物理学奖为什么没有颁给合作组，只给了哈尔岑一个人？

章程规定，一项奖最多由三个人分享，也不发给实验室或合作组。数百人共同完成的工程，不可能按作者名单一直排下去。这只解释了为什么不能人人有份，还没有解释为什么是他，而且只有他。

科学背景里的关键词是决定性。委员会把他的贡献收成一条没有换人的线：最初的想法和概念设计，技术上高度冒险的施工，建成之后的长期运行，都集中在同一位首席研究员身上。皮尔斯说的是「带领」，不是「独自测到」。授奖词把天文台和发现并列，是把这件事看成一条完整的链：先有仪器，才有数据；先有数据，才有发现。2013年《科学》上的那篇论文不是他一个人写的，作者是整个合作组。委员会表彰的，不是某一篇论文里最后做统计分析的人，而是从1987年起把「用冰看中微子」一直带到出结果的那个人。

公开记录里最容易拿来对照的另一个名字，是约翰·勒尼德。1988年那篇论文是他和哈尔岑一起写的。此后两条路分开了：勒尼德继续领导杜曼德，哈尔岑把职业生涯押在南极的冰上。杜曼德在1995年停止。委员会奖励的是把设想坚持到真正获得发现的人。共同提出一个想法，不等于共同走完同一条路。委员会还讨论过谁，公开资料没有写。不必替他们编一份落选名单。

大型装置的物理学奖，本来就常常只点出把装置做成的科学负责人。2017年引力波的奖给了雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩，没有给整个LIGO合作组。2015年中微子振荡的奖给了梶田隆章和阿瑟·麦克唐纳，也没有列入超级神冈和萨德伯里中微子观测站的全体参与者。冰立方这边，在委员会看来，「想出来」和「带到出结果」落在同一个人的几十年里，所以没有再拆成两个人或三个人。这一次是独享。

独享不是独占。那支弥散的高能中微子流，是整个合作组测出来的。没有冻进冰里的5160个光学模块，没有人在南极把竖井一口口融开，没有分析人员把每秒约3000次触发收成每年大约一百个天体物理中微子，授奖词后半句的「发现」就不会成立。奖表彰的是一条被认定为决定性的个人时间线，并没有宣布其他几百个人只是帮手。

●一立方公里之后

下一段时间线已经写在计划里，还没有写进授奖词。冰立方二代准备把仪器化的冰扩大到约8立方公里。北半球的水基望远镜接着杜曼德没有走完的路：贝加尔湖的Baikal-GVD、地中海的KM3NeT、温哥华岛外的P-ONE，以及南海的海铃计划。一立方公里，可能只是第一步。

冰立方仍在南极冰下记闪光，有效运行时间保持在99%以上。那支弥散的高能中微子流已经确定，其中绝大多数仍对不上某一颗具体天体。TXS 0506+056停在一次警报和3.5倍标准差上，NGC 1068停在4.2倍，银盘刚越过5倍，但那是展源。跨过5倍标准差的点源，目前仍没有一个。

今年这个奖表彰的不是宇宙已经被看清，而是一种新的观测手段终于有了。过去只能靠宇宙线和电磁波去猜的高能宇宙，现在多了一种信使。它穿过星系际空间，也穿过地球，把出发地的信息带到探测器里。

哈尔岑花了近四十年，把一个听起来近乎异想天开的设想变成一座真在运行的天文台。2026年10月6日，斯德哥尔摩只是给这段路程发了一枚奖章。南极冰下的探测器不会因此停下来。它仍在黑暗里等下一束切伦科夫光。那束光也许来自一颗望远镜已经看见的天体，也许来自一个还没有名字的宇宙加速器。一立方公里冰，故事还没有结束。

主要信源：瑞典皇家科学院2026年10月6日物理学奖新闻稿，授奖词、皮尔斯的话、奖金与建成时间；同日科普解读，圣诞夜、气泡、NGC 1068的79个中微子和冰立方二代；科学背景全文，探测器参数、1.04与1.14拍电子伏、28例与5.7倍标准差、TXS 0506+056、NGC 1068、银盘5.7倍标准差、τ子中微子和11.4拍电子伏，独享一段的「决定性」也出此处；哈尔岑2026年5月长履历，补学位、教职和2001年起出任首席研究员；WIPAC名录上的2015年巴尔赞奖与2005年哈尔岑方山；冰立方2013年4月23日新闻，两粒拍电子伏曾于2012年中微子国际会议展示；《自然》1991年格陵兰验冰、2001年阿曼达大气中微子、2012年伽马暴不符；《科学》2013年11月的28例证据、2018年耀变体和2022年11月4日的NGC 1068。诺贝尔基金会章程只用来说明物理学奖最多三人、不发给合作组。