去南极捕捉幽灵信号！他凭什么拿下2026诺贝尔物理学奖？

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