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他在南极造了座望远镜,拿了诺奖,自己却一次南极都没去过

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  今年的诺贝尔物理学奖,颁给了一个一辈子没做过实验的人。

  10月6日,瑞典皇家科学院宣布,将2026年诺贝尔物理学奖单独授予美国威斯康星大学麦迪逊分校82岁的弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen),表彰他对“冰立方”中微子天文台的决定性贡献,以及发现天体物理起源的高能中微子。

  用大白话说,就是他在南极2000多米深的冰盖底下造了一座巨大的“望远镜”,专门捕捉从宇宙深处飞来的神秘粒子。

  

  2026年诺贝尔物理学奖得主弗朗西斯·哈尔岑丨wipac.wisc.edu

  可哈尔岑是个纯粹靠纸笔干活的理论物理学家,更绝的是,至少到2020年,这位南极超级望远镜的首席科学家还没去过南极。

  甚至,他年轻的时候还想尽办法逃离工程。哈尔岑的父亲是个建筑商,手里有一家传了好几代的建筑公司,一直指望他学工程,将来接手家里的盖楼生意。哈尔岑听了父亲的话,去大学学了工程。

  结果只坚持了半年。他实在受不了每天拿墨水画工程制图,索性转去读理论物理,还刻意挑那些不用动手做实验的专业课。

  他大概没想到,自己这一转身,绕了几十年,最后还是回到了工程现场。

  不想搞工程的人,最后搞了个大工程

  几十年后,为了抓中微子,哈尔岑主持了一场耗资2.79亿美元的工程。整个工程要在冰盖上融掉6500万升冰,成了南极历史上最昂贵、最复杂的一次大施工。

  他后来在访谈里自嘲,自己绕了一大圈,最后还是干回了老本行。要是图赚钱,当初还不如老老实实回老家帮父亲造桥。

  而这项工程能立项,起点是一次侥幸。

  中微子这种粒子极难捕捉,平时穿过地球就像穿过空气一样,几乎不跟任何物质发生反应。物理学家想看它,只能找一个巨大且透明的介质,等中微子偶尔撞上原子时擦出的微弱蓝光。

  上世纪80年代末,哈尔岑琢磨着,南极有现成的几千米厚大冰盖,把光电探测器塞进冰里不就行了?

  

  南极的冰盖丨wikimedia commons/Dave Pape

  当时冰光学的权威教科书白纸黑字写着:蓝光在冰里穿行8米左右就会被吸收殆尽。

  如果按照书里的结论,冰盖根本不透光,这个项目连1美元的经费都别想申请到。巧的是,哈尔岑当年压根没读过那本教科书。

  多年以后,一本被图书馆放错书架的旧书寄到他办公室,他随手翻到这一页,当场吓出一身冷汗。要是当年提前看了这本书,这个项目在第一天就夭折了。

  南极深处的冰层在实际测量中表现极佳,光的吸收长度超过100米,比清澈的海水还要透亮得多。

  “无知又走运,再好不过了。”这句话后来成了哈尔岑最出名的口头禅。

  

  “无知又走运”的哈尔岑丨UNIVERSITY OF WISCONSIN, MADISON

  不过,真正的工程比理论家的大脑粗暴得多。

  要在零下几十度的南极冰盖下埋探测器,唯一的办法是用热水硬生生烫出一条通道。

  1993年平安夜,第一批探测器下井的时候,哈尔岑正在老家吃圣诞晚餐。

  可当他们往冰里打激光测试时,所有人都傻眼了:光到得比预期慢得多,探测器周围白茫茫一片,整个仪器就像泡在了一大桶牛奶里。

  美国团队完全找不着北。最后在1994年的一个国际研讨会上,是前苏联贝加尔湖项目的竞争对手拿出了冰芯数据,当面点破了玄机:你们埋得太浅了。

  800到1000米深的浅冰里全是残留的微小气泡,把光线全给散射乱了。只有下潜到1300米甚至更深,上亿吨冰层的巨大重压才会把气泡硬生生压进冰的晶格里,冰才真正透明起来。

  摸清规律后,工程重新推进。真正的冰立方从2004年开钻。工程师运来相当于一台全功率火车头功率的加热系统,把80多度的热水以每分钟700多升的流量往冰里灌。他们在冰上足足烫了86个深达2500米的大洞,每个洞融出来的直径只有60厘米。

  直到2010年,整整86根电缆、5160个装在耐压玻璃球里的探测模块全部入冰,围成了整整1立方千米的超级冰阵列。

  

  冰立方的一个数字光学模块(DOM),即将放入第85号冰孔,2009年12月13日摄于冰立方钻井营地。丨Amble/Wikimedia Commons(CC BY-SA 3.0)

  

  2010年12月18日傍晚(南极点时间),冰立方的最后一个数字光学模块沉入冰孔。丨Robert Schwarz

  望远镜建成后,每到极夜,只有越冬队员留在南极守着它,外面是零下70多度的狂风。

  海量的数据被送回各个大学,年轻人开始在电脑里筛信号。

  中微子事件的代码全是一长串冷冰冰的数字,大家经常抄错,一位研究生干脆拿美国儿童节目《芝麻街》里的布偶角色给它们起绰号。

  最早找到的两个超高能中微子,被顺嘴叫成了伯特(Bert)和厄尼(Ernie)。

  

  厄尼(左)和伯特(右)丨芝麻街

  

  冰立方记录到的三个超高能中微子事件,被研究者以芝麻街角色伯特、厄尼和大鸟命名,每个圆点代表一个探测模块,颜色表示光到达的先后(红色最早),圆点越大收到的光子越多,图源:IceCube Collaboration/NSF/威斯康星大学

  名字叫开了之后,这位研究生才猛然反应过来:节目里伯特长着瘦长的脑袋,厄尼是张宽脸,可他偏偏把横着摊开的那个信号叫成了伯特。

  两颗粒子的名字彻底起反了。可名字已经叫开,再也改不回来了。

  2013年,冰立方公布了28个来自宇宙深处的中微子候选事件——这就是这次诺奖说的“发现”。

  后来的科学发现一个接着一个。冰立方找到了中微子来自几十亿光年外黑洞耀发的证据,拍下了银河系的中微子全景图,还验证了60年前理论家预言的微观共振。

  直到今天,瑞典皇家科学院把物理学奖颁给了他。

  今年6月19日,比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)去世,享年93岁。他去世时,是唯一一位拿过诺贝尔物理学奖的比利时人。不到4个月,哈尔岑成了第二位比利时出生的得主。

  

  弗朗索瓦·恩格勒丨wikimedia commons/Bengt Nyman

  两人的交集还要早得多。哈尔岑在比利时鲁汶大学读博时,恩格勒和搭档罗伯特·布劳特(Robert Brout)每周都来跟学生讨论,布劳特差不多算他半个导师。两人那篇后来成为希格斯机制奠基之作的论文,哈尔岑当年读过,以为讲的是固体物理,没当回事。

  2013年,恩格勒凭这篇论文拿到了诺贝尔物理学奖。

  这次颁给哈尔岑的奖,还是34年来第一次由一个人独享物理学奖。上一位独自拿奖的人,是1992年发明多丝正比室的法国物理学家乔治·夏帕克(Georges Charpak)。

  在这座大仪器背后,参与的科学家有几百人,各国的研究机构有近60家。有人负责钻井,有人提出数字化芯片,日本的年轻学者最早从茫茫数据里翻出了伯特和厄尼。

  但诺奖委员会最终只写了一个人的名字。

  好在哈尔岑对此看得很开。他多次公开说过,这种大奖根本不是奖给某一个人的,而是奖给整个实验的,自己最大的贡献不过是当年请来了一位懂工程的项目主管。

  2015年他拿到巴尔赞奖,奖金75万瑞士法郎。记者问他打算怎么花,回答很朴素:给自己买一辆新的公路赛车。

  

  巴尔赞奖每年颁发一次,以奖励在人文、自然科学、文化领域以及促进人类交流与和平做出贡献的个人或组织。图为2015年哈尔岑获奖的相关报道页面。丨balzan.org

  诺奖降临的这一年,冰立方的日子其实过得相当紧巴。

  今年3月,望远镜进行加密升级时,有一根电缆在700米深处断裂,成了整个项目历史上第一次彻底丢掉一整根探测缆的事故。

  同一时间,美国国家科学基金会的2026财年预算请求,打算把冰立方的日常运行经费砍掉将近一半。而中国在南海筹划的新一代深海中微子望远镜,体积规划已经是冰立方的数倍乃至几十倍。

  发布会现场,诺奖委员会打电话给哈尔岑。恰好他人在意大利,和斯德哥尔摩没有时差。他的第一句话是“太意外了,我完全没想到”,接着又说自己手头正在写一份申请,希望这个奖能帮它批下来。现场笑成一片。

  在冰立方工作是什么感觉?

  说了这么多哈尔岑,我们来讲讲冰立方。

  

  南极冬季夜空下的冰立方实验室,头顶是银河与极光,探测器就埋在它下方的冰层里。丨John Hardin/Wikimedia Commons(CC BY 4.0)

  冰立方探测器的主体由约一立方公里的南极天然冰体构成——其水量足以填满一百万个游泳池。

  人们利用热水融化冰层,在冰层上钻出数千米深的孔洞,然后在冰层中安装了探测中微子所需的光学模组。等到水再次冻结,探测设备就固定在了冰层当中。为确保冰层钻孔顺利,科学家们动用了大型洗车加热器来供应高温水流。

  

  用热水在冰层中钻孔 | Rachel Procter-Murphy

  钻设线缆孔的平均耗时约为48小时,钻设每个孔平均消耗18169升燃料,还要用掉超过750000升水。施工只有在夏季才能进行,因此冰立方花了7年时间才建成。

  或许你还想替哈尔岑问一句,在冰立方工作是什么样的感觉?

  冰立方项目的工作人员们需要前往阿蒙森-斯科特南极站工作与生活。这座科考站位于极其寒冷干燥的南极内陆高原,要乘坐军用运输机才能到达。这里的所有物资都必须通过航空运输,不过科考站的小型温室也可以培育一些新鲜蔬菜作为食物补充。

  这里的户外环境十分艰苦,但生活并不算非常枯燥。在日常工作之外,人们可以在这里使用健身房、排球场和篮球场,还能组建俱乐部、成立乐队,或是练习苏格兰舞。在繁忙的夏季,工作人员时常感到可做的事情太多,而时间完全不够用。

  

  两位工作人员在南极玩起了桌上足球。| James Braun, IceCube/NSF

  最困扰人的细节是,在南极解冻食物需要的时间格外长。冰立方项目的官方网站特别提醒工作人员,冰淇淋必须提前几个小时从冷库取出解冻,否则吃的时候恐怕就得动用钢锯——当年一心想逃离工程学的哈尔岑,大概也没想到过这个工程问题。

  参考文献

  [1] The Royal Swedish Academy of Sciences. Press release: Nobel Prize in Physics 2026[EB/OL]. NobelPrize.org, 2026-10-06. https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2026/press-release/

  [2] The Associated Press. Belgian-American Francis Halzen wins Nobel Prize in physics[EB/OL]. NBC Miami, 2026-10-06. https://www.nbcmiami.com/news/national-international/francis-halzen-nobel-prize-physics-high-energy-neutrinos-of-astrophysical-origin/3868931/

  [3] HALZEN F, ZIERLER D. Francis Halzen: oral history interview[EB/OL]. College Park, MD: Niels Bohr Library & Archives, American Institute of Physics, 2020-07-20. https://www.aip.org/history-programs/niels-bohr-library/oral-histories/45441

  [4] BOWEN M. Ice Fishing for Neutrinos[EB/OL]. Nautilus, 2017-10-26. https://nautil.us/ice-fishing-for-neutrinos-236860

  [5] BENSON T. Innovations in Hot Water Drilling at the South Pole[C]//9th Annual Polar Technology Conference. Annapolis, Maryland, 2013-04-02/04. https://sundowner.colorado.edu/seefeldt/ptc-2005_2016/2013_pdf/PTC_2013_Benson.pdf

  [6] TUTTLE K. Ultra-high-energy neutrinos[EB/OL]. Symmetry Magazine, 2013-11-08. https://www.symmetrymagazine.org/article/november-2013/ultra-high-energy-neutrinos

  [7] VANDER BEKEN H. Belgische Nobelprijswinnaar voor Fysica François Englert (93) overleden[EB/OL]. VRT NWS, 2026-06-19. https://www.vrt.be/vrtnws/nl/2026/06/19/francois-englert-obit/

  [8] Global Neutrino Network. GNN Monthly February/March 2026[EB/OL]. 2026-03-30. https://www.globalneutrinonetwork.org/news/2026/gnn-monthly-february-march-2026/

  [9]https://icecube.wisc.edu/pole/daily-life/

  [10]https://cmns.umd.edu/news-events/news/Procter-Murphy-neutrinos-IceCube-Antarctica-Physics

  [11]https://icecube.wisc.edu/about-us/facts/

  作者:steed,窗敲雨

  编辑:李小葵

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