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