谁会想到，南极厚厚的冰层里，竟然藏着一台“望远镜”？它不看星星，也不拍星云，却能捕捉来自几十亿光年外的“宇宙信使”。更有意思的是，这个听起来有些疯狂的想法，当初还真失败过——冰层不够“干净”、探测器不够深，一切都得推倒重来。
这个想法究竟是谁提出来的？他们又为什么偏偏盯上了南极的冰？
2026年诺贝尔物理学奖得主弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen）的获奖故事，就要从这里说起。
一个理论物理学家的“离经叛道”
弗朗西斯·哈尔岑的学术起点，可以说与“南极冰层”毫无关系。
1944年3月23日，哈尔岑出生于比利时蒂嫩（Tienen）。1969年，他在鲁汶大学获得物理学博士学位，研究方向是强子的破缺对称性。1971年，他在日内瓦CERN工作期间，收到一位同事的邀请，到威斯康星大学麦迪逊分校进行为期六个月的研究访问，后来留在那里工作。1972年起，他正式成为该校教授。
整个七十年代，哈尔岑是一位标准的理论粒子物理学家。他与弗朗西斯·塞鲁鲁斯（Frans Cerulus）合作研究介子中的非相对论夸克，在CERN从事共振与粒子交换的对偶性研究，后来又参与了布鲁克海文实验室寻找W玻色子的计划。他的学术生涯看起来会沿着理论物理的轨道平稳前行。
但八十年代中期，一个问题把他拽出了轨道：宇宙线的起源。
宇宙线是来自太空的高能带电粒子，但它们在传播途中会被星际磁场不断偏转，抵达地球时方向信息早已丢失。科学家知道宇宙中存在能把粒子加速到地球实验室百万倍能量的天然加速器，却无法指认它们在哪里。
但中微子不一样，它们几乎不与物质发生相互作用，从源头出发后方向不变、能量不损，是唯一能“指认现场”的信使。
“用中微子做天文学的优势在于，与光子不同，中微子可以穿透物体，”哈尔岑后来在接受美国物理学会采访时说，“所以也许你可以看到宇宙中其他方式看不到的东西。这当然就是最大的吸引力。”
南极冰层，竟成了他的大胆设想
问题在于，如何捕捉来自宇宙深处的高能中微子？当中微子偶尔与一个原子核碰撞时，产生的次级粒子的运动速度会超过探测介质内的光速，从而产生一束微弱的切伦科夫光锥。理论上，需要的探测介质体积至少要一立方公里——相当于一座中等城市的面积。这个数字让绝大多数人望而却步。
1988年，哈尔岑提出了一个在当时看来近乎疯狂的方案：用南极冰层。这个想法最初甚至被他自己形容为一个“可爱的想法”（cute idea）。“我们的态度是，‘先研究冰，先设计热水钻，先看看行不行。’我们从小处开始，令我们自己都惊讶的是，我们克服了所有这些障碍。然后突然之间，我们有了建造一立方公里探测器的工具。”
这个想法很快获得了包括他的博士后恩里克·萨斯（Enrique Zas，现为圣地亚哥-德孔波斯特拉大学教授）在内的少数同行的支持。几年后，团队就在冰层中进行了传感器的初步测试。
第一次尝试，结果却不理想
然而，初步测试的结果令人沮丧。
1993至1994年，团队在南极部署了第一批传感器阵列，称为南极缪子与中微子探测器阵列（AMANDA）。最初几串探测器被下放至冰下约800至1000米的深度，但表现完全不达标。
哈尔岑后来回忆说，问题出在冰本身。“我们很快发现AMANDA太浅了，冰里气泡太多了。”冰层在1000米深度以上含有大量气泡，这些气泡会散射光线，使探测器无法准确重建中微子碰撞的位置和方向。
这是一个典型的科学探索中的“错误假设”——他们此前认为南极冰层足够纯净，但实际并非如此。团队不得不向下钻探到更深的位置。最终他们确认，约1500米以下的冰层才是真正透明的。这个“失败”带来的教训，后来直接决定了冰立方的设计深度——传感器布设在冰下1450米到2450米之间。
AMANDA团队在2001年完成了AMANDA-II的最终配置，证明了南极冰层作为中微子探测介质的可行性。但AMANDA本身太小，不足以捕捉来自宇宙深处的高能中微子。
作为一名理论学者，哈尔岑后来坦言：“如果我拥有充足的实验经验，我绝不会提出这个实验方案。 ”
这个自嘲背后是一个深刻的洞察：理论物理学家往往因为“不知道什么不可能”，才敢于提出实验物理学家不敢提的方案。而正是这种“无知者无畏”，让冰立方从一张图纸变成了一立方公里的现实。
23年，这个疯狂想法终于成真
冰立方的建设不是一次科学突破，而是一场漫长的工程与融资接力。
1999年11月，团队提交了冰立方的完整经费申请。但审批过程极其漫长。美国国家科学基金会（NSF）的评审持续了数年，期间最大的不确定性是资金链可能断裂。威斯康星大学麦迪逊分校不得不动用本地资源来填补资金缺口，维持项目运转。正式的建造批准直到2004年才下达，项目总预算约2.79亿美元。
南极施工的难度同样超出预期。热水钻需要穿透近2.5公里的冰层，将传感器串放入钻孔后等待冰层重新冻结。2004/2005年夏季，第一批传感器串成功部署。哈尔岑后来坦言，在那个时刻，“我本来以为这下要彻底搞砸了。这种焦虑并非没有来由：每一串传感器的部署都耗费巨资，而任何一个环节的失误都可能让整个项目搁浅。
冰立方最终包含86根垂直电缆，每根携带60个光学传感器，总计5160个探测器，分布在1立方公里的冰体内。2010年12月18日，最后一根传感器串成功部署。2011年5月，全探测器正式开始物理运行。从1988年提出构想到建成，过去了23年。
冰立方投入运行后不久，研究人员就探测到了第一批高能中微子。2013年，冰立方团队宣布发现了来自太阳系之外的高能中微子。这一发现正式开启了中微子天文学的新纪元。
哈尔岑在学术会议上介绍冰立方时，常常以他认为是该项目最重要的发现作为开场白：“中微子天文学确实存在。”
真正的突破发生在2017年9月22日。
那一天，冰立方探测到一个能量高达290 TeV的中微子。作为对比，欧洲核子研究中心大型强子对撞机能将质子加速到的最高能量是13 TeV。冰立方的自动预警系统在探测到该事件后43秒内就重建了中微子的方向，并通过AMON多信使望远镜网向全球天文学家网络发出了警报。
接下来的故事充满了科学探索中典型的“曲折与接力”。警报发出后，最初几个天文台并没有发现任何反常信号。4小时后，帮助全世界天文学家获取多信使天文观测信息的通用协调网发出通知，但依然没有确认。6天后，费米伽马射线空间望远镜首先报告：在冰立方给出的方向仅相差0.1度的地方，一个名为TXS 0506+056的耀变体正在变得异常明亮。
这个耀变体距离地球约40亿光年，其中心是一个超大质量黑洞，正在吞噬大量物质并喷射出接近光速的粒子流。哈尔岑当时激动地评价：“我们终于逮到了宇宙的粒子加速器。 ”
冰立方团队随后重新检查了历史数据，在这个方向上发现了2014年12月至2015年1月期间接收到19个TeV能级的中微子爆发。两个完全独立的证据令科学界有足够的信心确认：TXS 0506+056耀变体确实是高能中微子的源头。
“冰立方”捕捉中微子。图片来源：诺贝尔奖官网
科学的接力并未止步于2017年。冰立方团队持续积累数据，同时启动了升级计划。
2023年，冰立方利用机器学习技术分析长达10年的数据，首次捕捉到来自银河系内部的高能中微子弥漫信号，以4.5σ的显著性识别出银河系盘面的中微子发射，进一步验证了中微子天文学的观测能力。
最终，足够多的独立事件和统计证据使科学界得以确认：高能宇宙中微子确实来自天体物理源，而冰立方是第一个打开这扇窗口的仪器。
“我认为这份荣誉也属于那些勇敢的人”
2026年10月6日，诺贝尔物理学奖公布时，哈尔岑正在意大利参加一个委员会会议。他通过电话接受了瑞典皇家科学院的采访。“这是一个巨大的惊喜，我显然没有预料到。”他说，“我正在准备一个提案，我希望这个奖能帮助它获得批准。”这句话引来了发布会现场的阵阵笑声。
谈到获奖的感受，哈尔岑说：“对我来说，除了获得诺贝尔奖之外，最大的快乐是，我认为这份荣誉也属于那些在这个项目开始时就加入我的、真正勇敢的人们。”
诺贝尔物理学委员会主席马克·皮尔斯在颁奖词中总结道：“弗朗西斯·哈尔岑领导了一支由研究人员和工程师组成的国际团队，为我们提供了一台绝妙的仪器。他的坚韧不拔和科学远见，为一种新型天文学开辟了道路。”
从1988年一个理论物理学家的“离经叛道”的构想，到1990年代AMANDA的挫折与学习，再到2004至2010年漫长而昂贵的南极施工，最后是2017年那43秒内的警报和此后数年的数据积累——这条路上没有单一的决定性时刻，只有一连串“错误假设”的修正、资金链的挣扎、技术难题的攻克，以及全球数十个国家数百名研究者的持续接力。
哈尔岑的获奖，表彰的正是这种在不确定性中坚持近四十年的科学韧性。以及一个理论物理学家敢于“不知道自己不知道”的勇气。
策划制作
作者丨孙正凡 天体物理学博士 中国科普作家协会会员
王梦如 科普创作者
审核丨黄崧 清华大学天文系副教授
热门跟贴