就在刚刚，2026年诺贝尔物理学奖公布！
比利时裔理论物理学家、威斯康星大学麦迪逊分校教授Francis Halzen，一人独揽整座诺奖奖杯。
获奖理由是表彰他「对冰立方中微子天文台的决定性贡献，以及发现来自天体物理源的高能中微子」。
1200万瑞典克朗奖金，全部归他一人！
赛前接连拿下两个「诺奖风向标」的华人物理学家薛其坤和叶军，这次都没能押中。
这个奖项，全额授予了一位曾被所有人当成「疯子」的理论物理学家。
上一次物理学奖只颁给一个人，还是1992年。中间隔了整整34年。
因为在38年前，他提出了一个疯狂到不可思议的构想：
去地球上最苦寒绝望的南极点，把整整1立方公里的万年冰川钻开，改造成一台捕获宇宙深处神秘粒子的超级望远镜！
他后来回忆这段往事，说得非常坦白：「我猜别人一定也想到过同样的点子，然后放弃了。要不是我当时对天然冰的光学性质一无所知，我大概也会放弃。」
今天，这个构想不仅改变了人类观测宇宙的维度，也终于登上了物理学的最高荣耀殿堂。
靠着这台深埋冰下的「冰立方」，人类第一次确认：有高能中微子，从太阳系之外很远的地方飞来！
更有意思的是，两年前，诺贝尔物理学奖颁给了为机器学习打下地基的Hopfield和Hinton。
而这台冰下望远镜最亮眼的发现之一，我们银河系的中微子图像，正是靠机器学习从海量数据里挖出来的。
宇宙中「幽灵」：中微子
首先，我们必须先认识一下今天的主角——中微子。
诺奖官方插图：中微子沿直线飞来，穿进南极冰
它没有电荷，质量几乎为零，它几乎不与任何物质发生相互作用。被称为「宇宙幽灵」。此刻，有大约650亿个来自太阳的中微子，正穿过你的指甲盖。
为什么科学家一定要去寻找它？因为中微子是宇宙中最完美的「信使」。
它不同于光和宇宙射线，不受磁场影响，走的是绝对直线；同时它穿透力极强，不会被任何尘埃云或辐射阻挡。
哪怕是在宇宙深处超大质量黑洞的边缘，只要产生了高能中微子，它们就能直线飞越数亿光年，把原汁原味的宇宙极端事件信息，「快递」到地球。
如果人类能捕捉到这些高能中微子，就等于拥有了一双能够看穿宇宙的「透视眼」，让人类给宇宙做「CT扫描」。
宇宙射线被磁场带偏，伽马射线被尘埃挡住，中微子沿直线飞到地球
一个极其疯狂的想法——去南极凿冰！
麻烦在于，它太难抓了。
绝大多数中微子会直接穿过探测器。如果中微子的数量足够大，且我们准备的靶子（探测介质）足够厚、足够多，总会有那么几个中微子，会「一头撞上」靶原子核。
想攒够这样的碰撞，探测器就得大得离谱。
当高能中微子在介质中发生剧烈碰撞时，会产生带电粒子（比如缪子）。
这些带电粒子在介质中穿行的速度，会超过光在该介质中的传播速度，从而产生一种类似于「音爆」的光学现象——切伦科夫辐射，发出幽幽蓝光。
只要我们在极暗的环境中，放置足够多、足够灵敏的光学传感器，抓拍到这些蓝光，就能反推出中微子飞来的方向。
起初，科学家想用海水做介质。但深海的生物发光（比如水母）和天然放射性物质，会产生大量噪音。
这时候，弗朗西斯·哈尔岑登场了。
今年82岁的Francis Halzen
1980年代，他在研究宇宙射线时，听到了一个消息：苏联科学家正计划在南极洲使用无线电接收器捕捉中微子信号。
哈尔岑脑子里突然闪过一个绝妙的灵感：为什么我们要去海里折腾？为什么不直接用南极的冰？
南极冰盖有着得天独厚的优势：
足够大：有无尽的天然冰层，完全满足建造超级探测器的需求。
足够暗、足够纯：冰层深处是绝对的黑暗，没有发光生物，也没有复杂的海流干扰。
固态的绝对稳定：把传感器冻在冰里，它们将永远保持绝对静止，这对于精确计算粒子的轨迹至关重要。
1988年，哈尔岑和同事John G. Learned正式提出了在南极冰层下建造中微子天文台的构想。
起初，这个想法听起来就像是科幻小说。但哈尔岑四处游说，最终拉起了一支队伍，开始了人类历史上最硬核的「极地包工头」岁月。
一立方公里的「冰立方」与逆向灯泡
在南极造天文台，绝不是搭个帐篷那么简单。
1993年，哈尔岑团队在南极开始了初步尝试（AMANDA项目）。
最初他们遇到巨大的挫折：浅层冰里充满了气泡，光线根本传不出去。但他们没有放弃，冰川学家指出，挖得越深，巨大的压力就会把气泡挤压进冰的晶格中。
果不其然，当他们钻到1400米以下时，奇迹出现了——这里的冰层极其纯净、透明。中微子碰撞产生的蓝色闪光，可以毫无阻碍地穿透数百米的冰层！
在国家科学基金会（NSF）的支持下，2004年，冰立方的建设正式启动。这是一项工程学上的奇迹。
工程师们使用高压热水钻，在南极极寒的冰原上，硬生生融化出了一口口深达两公里多的垂直深井。
每钻好一口井，他们必须争分夺秒，赶在井水重新冻结之前，将一根挂满*光学传感器的超长电缆沉入井底。
这样的电缆，他们一共放下了86根；电缆上挂着的球形传感器，多达5160个。
哈尔岑曾幽默地将这些传感器形容为「逆向运作的灯泡」——这些传感器是捕捉微弱的光子，并将其转化为电信号，传回地表。
这些线缆排列成一个巨大的六边形阵列，深度覆盖1450米到2450米的冰层。就这样，科学家们在南极冰盖内部，圈出了一整块体积达一立方公里、重达十亿吨的纯冰，这就是「冰立方」。
2011年，随着最后一根电缆就位，这个地球上最大的「望远镜」正式竣工。
南极点的冰立方实验室，冰下的信号都汇总到这里，再经卫星传出去
它不看星空，而是深埋地下；它不收集可见光，而是日夜监听着宇宙幽灵的足音。
冰立方示意图：中微子在冰里撞上原子核，闪出的光被一串串传感器记录下来
每天1亿个假信号里，挑出100个真的
造好望远镜只是开头，真正难的是从数据里把宇宙中微子认出来。
宇宙射线打进南极上空的大气层，每天有1亿多个粒子钻进冰里，被传感器记录下来。
大气里还会生成中微子，每年冰立方记录下来的中微子约有10万个，绝大多数都产自地球大气。
按理论预期，真正来自宇宙深处的，一年只有大约100个。
2013年，历史性的突破降临！
2013年，团队在两年的数据里翻找能量更高的一类中微子，结果撞见了两个能量超过1PeV的事件，分别是1.04PeV和1.14PeV。这是人类首次确凿发现来自太阳系外的高能天体物理中微子。
这场持续了几十年的星际狩猎，终于有了结果。
顺着这两个事件调整分析方法，团队在同一批数据里找出了28个高能宇宙中微子。2014年，统计显著性达到5.7σ，纯大气来源的解释被排除。
2017年9月22日，冰立方抓到一个约290TeV的中微子，一分钟之内，警报就发往全世界。
全世界的望远镜立刻对准那个坐标，结果令人汗毛直立：那里有一个正在疯狂爆发的耀变体（TXS 0506+056）——一个中心拥有超大质量黑洞的活跃星系！
这是人类第一次，将高能中微子与一个确切的宇宙源头联系在一起。
2022年，冰立方又从活跃星系NGC 1068方向找到了79个中微子。那里的超大质量黑洞裹在厚厚的气体和尘埃里，测到的伽马射线很弱，中微子却出来了。
2023年，冰立方第一次在中微子里看到了我们自己的银河系。
这次立功的是机器学习。冰立方在德国多特蒙德工业大学的合作者，开发了一套机器学习方法，专门挑出中微子撞击产生的「级联」事件，同时重建它的方向和能量。
用上新方法后，保留下来的中微子事件多了一个数量级以上，搜索灵敏度提高到原来的3倍。团队从10年的数据里，用约6万个中微子拼出了银河系的样子。
Halzen当时说：
有意思的是，和任何波长的光都不一样，在中微子里，遥远的宇宙比我们银河系里近处的源还要亮。
今年早些时候，冰立方用12年的数据把银河系的信号推到了5.7σ。银河系由此成为第一个越过5σ发现门槛的高能中微子源。
就在本次诺奖揭晓前的2026年，冰立方团队发布重磅成果：他们终于清晰地看到了银河系自身发出的高能中微子辉光！这意味着，我们终于用中微子作为画笔，描绘出银河系的全新面貌。
一己之力开启「多信使」新时代
如今，这位从上世纪80年代，就开始执着于用冰块捕捉幽灵的固执老头，终于迎来了属于他的加冕时刻。
诺贝尔物理学奖委员会主席Mark Pearce如此评价——
Francis Halzen领导的国际团队为我们提供了一个绝妙的仪器。他的坚韧和科学远见，为一种全新的天文学铺平了道路。
是的，这就是「多信使天文学」时代的到来。
今天仰望星空，我们不仅能用光去「看」，用引力波去「听」，还能用冰立方捕获的高能中微子，直接「透视」宇宙中最狂暴的黑暗核心。
目前，规模扩大了八倍的「冰立方-Gen2」正在筹划中。
地中海、太平洋、以及中国在南海推进的「海铃计划」（TRIDENT），一张覆盖全球的中微子捕捉网正在徐徐张开。
此刻，正穿过你的指甲盖的650亿个中微子，穿越了无尽的虚空，历经沧桑，直线奔向地球。
而在地球最南端，有一群浪漫又疯狂的地球人，在一立方公里的黑暗纯冰中，睁大了眼睛，只为等待这跨越亿万年的惊鸿一瞥。
这，或许就是人类探索宇宙最极致的浪漫。
让我们向2026年诺贝尔物理学奖得主，弗朗西斯·哈尔岑致敬！
2026诺奖得主独家撰文：高能中微子，窥见远古宇宙
2015年11月，《环球科学》刊登了一篇赫尔任亲自为《科学美国人》撰写的文章，详细介绍了位于南极的冰立方捕获高能中微子的故事。
弗朗西斯·赫尔任
高能中微子：窥见远古宇宙
撰文 弗朗西斯·赫尔任（Francis Halzen）
翻译 曹俊（中国科学院高能物理研究所所长、研究员，主要从事中微子物理等领域的研究）
2010年，在南极开始运行的冰立方（IceCube）是世界上最宏大、条件最极端的实验设备之一，它是一个埋在极地冰层下的巨大粒子探测器，用以捕捉难以捉摸的高能中微子。中微子是一种基本粒子，几乎能直接穿过它们碰到的任何物体。我主持的这个项目，目标是利用中微子研究遥远的宇宙现象，特别是一些神秘而又剧烈的过程。一般认为，就是这些过程产生了持续不断轰击着地球、我们称之为宇宙线的带电粒子。
我们估计，冰立方偶尔会捕捉到这些能量非常高的中微子。这些粒子几乎没有质量，也没有电荷（这是它们很少与其他粒子有相互作用的原因），而且运动速度接近光速。不管中微子的来源是远还是近，当它们抵达地球时，绝大多数都不会停下来——它们会继续飞行，直接穿过我们的行星继续前进。正因为面临这些困难，所以这个实验开头几年，当探测器仍在建设时，我们在探测器取得的数据中没发现任何特别的东西，而我们对此也没有感到惊讶。但在2012年，情况发生了变化。
有一天，团队成员在举行例行电话会议时，屏幕上出现了以前从未见过的图像。这些信号代表了两个中微子，其能量比地球上用加速器产生的能量最高的中微子还要高1 000倍，几乎是太阳平时喷发出来的中微子的10亿倍。显然，它们来自远离地球的某些壮观的高能过程。狂喜在房间中漫延，我们意识到，此刻看到的东西具有划时代的意义。一个研究生突发奇想，用动画片《芝麻街》（Sesame Street）中的人物给这两个粒子取了昵称，叫“伯特”（Bert）和“厄尼”（Ernie，取名不仅是为了好玩，它们比通常标记中微子事例的一长串数字简单明了）。
我们又花了一年时间，对相同的数据进行了全新的分析，终于可以确信我们最初的推测是正确的：它们的确是来自宇宙深处的中微子，从而为第一幅宇宙中微子图像填上了第一个像素。从那以后，我们共发现54个高能中微子，并为其中许多粒子起了布偶的名字，包括一个绰号叫“大鸟”（Big Bird）的，它的能量是伯特或厄尼的两倍。
我们正在努力找出这些高能中微子来自宇宙何处，以及它们是怎么产生的。它们可能来自极端的宇宙现象，例如超新星爆发和被称为伽马射线暴的恒星爆炸，这两种现象同样也可能是宇宙线的来源。如果高能中微子的来源能确切地追溯到这些可能的宇宙线来源上，我们将开启一个全新的前沿领域，更好地理解那些产生高能中微子的、极其剧烈的天体物理过程。
威力巨大的宇宙线
宇宙线由极高能的质子和其他带电粒子组成，它们从太空持续不断地轰击地球。发现宇宙线一个多世纪后的今天，我们仍不了解它们的产生过程。当它们到达地球时，我们无法推断出它们从何而来，因为带电粒子在穿过太空时，星系和星系间的磁场会改变这些粒子路径。不过幸运的是，理论上认为，宇宙线也会在它们的出生地与光子相互作用，产生中微子。
不同于宇宙线，中微子总是指向它们的起点。因为中微子不受其他物质的影响，几乎没有东西能让它们偏离自己的道路。因此，尽管宇宙线不能指引我们找到它们的起点，但它们理应产生的能量极高的中微子却可以。
当然，宇宙线是怎么产生的，天文学家对此多少有些想法，但我们需要数据来证实或排除各种可能性。一个可能的来源是大质量恒星的垂死挣扎。在它的生命终点，当核心无法再支撑自身巨大的质量时，它将塌缩成一个名为中子星的致密天体，甚至是更加致密、任何东西也无法逃离的黑洞。除了在短时间暴发出极明亮的光（即超新星爆发）外，塌缩产生的激波也会把大量引力能转换成加速粒子的推力。早在1934年，天文学家沃尔特·巴德（Walter Baade）和弗里茨·兹维基（Fritz Zwicky）就推测超新星遗迹是一个可能的宇宙线来源。80年过去了，这个假说仍存在争议。银河系中每个世纪大约有3颗超新星爆发，把相当一部分恒星质量转化成粒子加速的燃料，这可以解释我们在银河系内看到的稳定宇宙线流。
系外宇宙线起源于我们的银河系外，一般比来自近处的宇宙线能量更高，需要更加强劲的产生来源。一个候选者是伽玛暴。比普通超新星更明亮的伽玛暴有点神秘，也许是质量非常大的恒星在极端条件下塌缩时发生的。
另一个理论上的系外宇宙线来源是活动星系核。这类星系的中心可能有一个不断吸收大量物质的超大质量黑洞。当物质掉入这样的黑洞时，有些粒子可能向外偏转，并被加速到高速，成为宇宙线。
捕获中微子
为了探测来自上述过程的宇宙线所产生的中微子，冰立方必须极其巨大。实验使用了整整1立方千米的冰，这些冰已经在南极冰面下1.5千米深处埋藏了10万年。冰是极好的天然中微子探测器。当中微子偶尔与冰中的原子发生反应时，会产生一大团带电粒子，带电粒子辐射出的蓝光照亮了周围的冰。这些被称为切伦科夫辐射的蓝光可以在纯净的、极透明的冰中传播几百米。我们在整个冰立方的范围内安装了 5 160 个光学传感器，来探测切伦科夫辐射。
当一个中微子击中某个原子时，传感器会精细描绘出由原子核碎片产生的光幕。图案的形状揭示出中微子的种类（或者说“味道”）、能量以及运动方向。厄尼、伯特还有我们找到的其他中微子的能量大约是1“拍”电子伏（PeV），或者说10^15电子伏；厄尼和伯特分别是1.07 PeV和1.24 PeV。我们可以比较一下，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）是世界上最强大的粒子加速器，它产生的粒子束能量在“太”电子伏（TeV）量级，或者说10^12电子伏，比厄尼和伯特低了三个数量级。这使得后者成为人类目前发现的能量最高的中微子，且远超此前观测到的其他中微子。由厄尼和伯特产生的10万个光子形成延伸500多米的光幕，差不多有6个街区宽。
最重要的是，这两个中微子高达PeV量级的能量告诉我们，它们携带的肯定是来自宇宙深处的信号——它们能量太高，不可能是在我们附近产生的。来自本地的中微子多不胜数，每6分钟，冰立方就探测到一个宇宙线与大气中的氢核或氧核作用产生的中微子。但这些中微子就在我们后院产生，不能告诉我们任何关于宇宙线本质或其他天体物理现象的信息，因此我们必须筛除这些干扰。根据过去的经验，我们已经知道这些普通中微子产生的光的图案，从而可以过滤它们。
因此我们相当肯定，冰立方看到的这些PeV能量的中微子来自遥远的宇宙。它们极可能与宇宙线来源相同。当然也存在其他非主流解释，比如说它们可能是暗物质产生的信号。所谓的暗物质是一种看不见，却占宇宙物质总量80%以上的物质。如果暗物质由平均寿命长过宇宙年龄、且非常重的粒子组成的话，这种解释就是可行的。在这种情况下，暗物质粒子可能偶尔衰变，产生了我们所看到的PeV能量中微子。
中微子的数量
在发现PeV中微子以前，冰立方搜寻宇宙中微子的工作主要集中在μ中微子上（另两种为电子中微子和τ中微子）。科学家预期，在到达地球的宇宙中微子中，三种中微子是一样多的，但因为它们在探测器中产生的信号不同，有的比较容易寻找。我们最初对冰立方进行优化，以寻找在探测器的边界外击中原子的μ中微子。它们能产生长达上千米的光迹，穿过整个探测器。这种技术实质上扩大了中微子收集区域，让这个区域变得比探测器的实际体积还要大。但对非宇宙中微子的杂质来说，敞开的门也变大了，需要采用其他措施来筛除本底信号。
我们也进行另一种分析，专门搜寻一类特殊的极高能中微子，叫格雷森－杰特斯平－库兹闵（Greisen-Zatsepin-Kuzmin，GZK）中微子，它们来自宇宙线与微波背景辐射光子的相互作用，后者是宇宙大爆炸的余晖。这种中微子的能量在“艾”电子伏（EeV）量级，即10^18电子伏。
这种方法瞄准的是范围更有限的区域——边长只有整个冰立方探测器一半的中心区，从而减少了杂质混入的机会。像这样限定搜索范围的最大好处，是可以探测每个中微子在冰中释放的全部能量，精度可以达到10%～15%。与那些在探测器外发生作用的中微子相比，这是一个巨大的优势。虽然我们还没有找到GZK中微子，但已经通过这种搜索方法发现了许多宇宙中微子，三种类型的都有。
发现厄尼和伯特以来，通过这种方法和起初用来寻找μ中微子的方法，我们找到了更多的宇宙中微子。第一年的数据显示有26个能量在30到1 200 TeV之间的中微子，加上厄尼和伯特，总数达到28个。与完全来自大气的背景中微子的预期个数相比，这个数字高出了4倍多的标准差，意味着这些中微子确实来自深空的几率大于99.9999%。后来当我们加入第二年的数据时，宇宙中微子的总数达到了54个，信号显著度提高到了5倍标准差以上，达到了“发现”的统计阈值。
那么这些中微子的来源到底指向宇宙何处呢？目前收集到的样本仍然没有多到足以给出明确答案的程度。它们看上去不局限于我们的星系——显示中微子来向的星空图显示，仅有极少数中微子的来源与我们的星系平面重合。大部分来自远离平面的方向，几乎肯定来自银河系外。不过，来自银河系中心的中微子确实略高于平均值。伯特仍然是我们找到的能量最高的中微子之一，它就属于这一类，指向银心周围1度内的范围。我们还无法断言为何这个区域喷射出这么多中微子，但我们知道，银心充满了超新星遗迹，还有一个巨大的黑洞，因此有很多中微子源的候选者。
随着不断收集到更多穿越地球而来的μ中微子，我们希望更好地了解宇宙中微子从何而来。因为这些粒子可以产生上千米长的光迹，所以对其来源方向的重建可以精确到0.5度以内，从而得到披露更多信息的星空图。这张图将告诉我们宇宙线从天空的何处而来；如果它们的方向正好与已知的天体重合，例如具有活动星系核的明亮星系，或者伽玛射线暴，也许我们就终于能精准定位某些宇宙线的源头。
冰立方的发现之旅刚刚拉开序幕。它将运行20年，甚至更久。同时，我们已经开始考虑它的升级版。我们正在提议修建一个更大的、使用10立方千米冰块的探测器，体积是冰立方的10倍。增大规模后，我们也许能收集到足够多的信号，最终确定宇宙中微子和宇宙线的起源。
参考资料：
诺贝尔奖官方网站：
https://www.nobelprize.org/
https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2026/press-release/?utm_source=X&utm_medium=Social+&utm_campaign=X_physics_2026
