82岁狂人，在南极抓“幽灵”，捕获诺奖

作者 | 黄泽敏

编辑 | 向现

1990年代初，弗朗西斯·哈尔岑接到一个有些莫名其妙的电话。

电话那头，美国国家科学基金会（NSF）极地项目负责人齐默尔曼告诉他，有两个伯克利研究生，正在南极做一个未经批准的实验。“这是违法的。”对方表示，“大家都说是你指使他们这么做的。”

哈尔岑很困惑。他甚至不认识这两个人。

后来他才知道，这两个年轻人读了他关于在南极冰层中探测中微子的论文后，设法混进一支钻井队，跑去南极当钻井工。钻孔结束后，他们试图偷偷把几个光电倍增管塞进冰层里。结果被抓住，受到审问。

电话那头原本是来兴师问罪的。但聊着聊着，齐默尔曼的语气变了：“嘿，这倒是个有趣的想法。”不久以后，两人坐在他的办公室里开始讨论，怎样把论文里的设想做下去。

那场讨论的结果，是一笔五万美元的探索性研究经费，和一个叫AMANDA的项目。这个看起来有些荒唐的故事，成了后来“冰立方”中微子实验（IceCube）漫长历史的一个起点。

30多年后，2026年10月6日，82岁的哈尔岑获得诺贝尔物理学奖，表彰他对冰立方中微子天文台的“决定性贡献”，以及对天体物理起源高能中微子的发现。

位于南极点的冰立方中微子天文台/图源：冰立方中微子天文台官网

这是该奖项时隔34年再次单独颁发给一位科学家，哈尔岑将独享1200万瑞典克朗（约合人民币802万元）奖金。诺贝尔委员会认为，哈尔岑关于利用南极冰层捕捉中微子的设想，以及此后对这一项目的科学领导，为一种新的天文学铺平了道路。

哈尔岑领导建造的冰立方，由5160个光学传感器组成，它们分布在南极冰面下约1450米至2450米之间，把约一立方公里的南极冰层变成了一台巨大的中微子望远镜。

那些几乎不与物质发生作用、从遥远宇宙而来的高能中微子，撞入冰层后留下极其微弱的光。埋在冰下的传感器捕捉这些痕迹，人类由此第一次获得了一种观察高能宇宙的新方式。

埋在南极冰层深处的冰立方/图源：冰立方中微子天文台官网

但哈尔岑不像一个奔着大奖去的人。他说，人生中很多事情都是偶然发生的，包括主导这场实验。

回忆起那五万美元，哈尔岑调侃道：“我是个理论家。可突然之间，我就成了这两个家伙的负责人，口袋里装着五万美元，成了一个实验项目的首席研究员。”

他有个习惯，但凡弄懂一件事，就会失去兴趣，转身去寻找下一个问题。唯独AMANDA和冰立方是例外。

问起缘由，他开玩笑道，因为他到现在还没有完全搞懂冰立方。他的后半生，就这样跟南极冰下的这台机器牢牢绑在一起。

一场“美丽的误会”

哈尔岑从不掩饰这个项目开端的荒诞。

他习惯把物理学家写论文的原因分成两类，一类探讨自己真正相信的物理，另一类“只是炫耀自己的聪明才智”。他直言，自己关于在冰里探测中微子的那几篇，属于后者。

那是1987年，哈尔岑去波兰参加学术会议。他原本受邀去讲量子色动力学和宇宙射线物理的报告，但会议同时安排了一个探测器技术的平行分会。哈尔岑跑到那个分会去讲自己关于中微子探测器的想法。

许多年后，他解释当时的心理：“我就是想看看，有没有人会在台下笑话我。”结果没人笑，“所以我就继续操心这件事”，还和同行合写了一篇论文。

敢讲、敢想，很大程度上是因为无知。哈尔岑自认是理论物理学家，此前一辈子没有做过实验，对冰的光学性质几乎一无所知。

“倘若我有点实验经验，就不会提出做IceCube（冰立方）。”他说。

图源：冰立方中微子天文台官网

他当时已经五十岁上下，在这个领域却是新手。多年后，他把这归结为一种幸运：“一旦年纪大了，自认为对自己的专业领域了如指掌，那么遇到难题时的第一反应就是去探究为什么事情不可能，而通常就会发现，它们确实不可能。”

当时，该领域标准的教科书认定，光在冰里只能走8米。他说，若真如此，冰立方这项实验从一开始就不成立。

哈尔岑说，如果自己当时知道天然冰的真实情况，可能也不会开始这场实验。

巧的是，哈尔岑当时根本没读过那本书。他认为，也许还有其他人想到过类似的办法，只是因为更了解冰的光学性质，最后放弃了。

“事实证明，当初得出这些（教科书）数值的实验方法存在缺陷，因此后续结果也是错误的。”哈尔岑说，真正把传感器埋进南极的冰深处，光能走上百米，甚至接近三百米。

用于钻穿冰层的长达2500米的高压软管/图源：冰立方中微子天文台官网

回头看自己的研究生涯，他常常用“偶然”形容。

做夸克理论，是因为第一次读到乔治·茨威格的论文时，意外发现自己学过的群论正好派上用场。成为研究生，也是因为已经找到高中教师工作的他，突然接到教授的电话。后来研究弦理论，写了两篇论文，兴趣又转向了别处。

AMANDA和冰立方原本也不在他的计划里。项目真正启动时，只有他会写提案，就这样“偶然被拖进去”。他后来多次想过退出。

2020年，他在采访中说，自己“从来不是一个弱相互作用领域的人”，在真正参与实验之前，对中微子物理“从来没有过真正的兴趣”。他甚至认为，“让一个理论家领导一项实验，本身就是一个坏主意”。

但项目逐渐变成一项真正的大型实验，哈尔岑也越来越难抽身。冰立方项目启动后，还有人告诉他，拨款时如果他不是首席研究员，项目就不会批。他那时别无选择。

他回忆，在用AMANDA探测大气中微子的时候，他们已经花了几百万美元。“在花了这么多钱之后，你不能一走了之。”他形容自己“陷得太深”，没法不负责任地撂下一句话就走。

等一个未知的答案

走不了，哈尔岑便真留了下来，一留就是几十年。

1988年，哈尔岑首次提出在南极用冰捕获中微子的构想。此后，他用AMANDA一点点验证这个想法。

冰立方真正开始运行，又过去了很长时间。直到2013年，实验团队从数据中找到第一批无法由大气背景解释的高能中微子，证实这些粒子确实来自宇宙深处。人类第一次有了通过中微子观察高能宇宙的办法。

今年，哈尔岑自己得知获奖时，说这是一个“巨大的惊喜”。其实从2013年首次发表宇宙中微子的研究结果开始，就不断有人告诉他，他是诺贝尔奖的热门人选之一。

哈尔岑

他甚至估算过，自己每年获得诺贝尔奖的几率是1/20。“我只是想活得足够久，所以我就活到了现在。”今年已经82岁的哈尔岑说。

这背后，是中微子长达近百年的等待。

1930年，为了解释放射性衰变中看似凭空消失的能量，理论物理学家沃尔夫冈·泡利在给同行的公开信中提出，可能存在一种尚未被发现的中性粒子。他后来感叹：“我做了一件可怕的事——我假设了一种无法被探测的粒子。”

后来，这种粒子被称作中微子。中微子也被称为“幽灵粒子”，不带电、几乎不和物质发生作用，绝大多数时候，穿过地球，穿过人的身体，不留下任何痕迹。

泡利之后，人类又等了26年。1956年，美国科学家莱因斯和考恩在核反应堆旁捕捉到中微子。消息传来，泡利回电：“一切终将抵达懂得等待的人。”又过了近40年，莱因斯获得诺贝尔物理学奖，那时考恩已去世21年。

中微子就这样从一个无法直接看见的假设，变成可以捕捉、研究的粒子。后来，人们发现，中微子不止一种。

哈尔岑要寻找的，是来自宇宙深处的高能中微子。它的能量远高于人们熟悉的太阳中微子，只有极少数在南极冰层里正面撞上原子核，留下微弱的光。

南极冰捕获中微子示意图/图源：诺贝尔奖官网

为了等到这微弱的光，科学家们把几十年投了进去。而守着这一切的哈尔岑，本人并不在南极。

“作为那些‘多余的理论物理学家’之一，我从未获邀前往南极。”他说。但真正让他睡不着的，是南极那头正在发生的一切。钻井在夜间进行时，他会一直盯着床边的笔记本电脑，等着南极发来的邮件。

1993年圣诞前夜，第一条探测串完成部署。他那时在比利时蒂伦的家里，坐在平安夜的餐桌前。甜点刚端上来，邮件到了，只有一句：“第一条探测串已部署。”

那只是开始。此后是漫长的运行、校准、分析。他形容这种在南极之外干等的感觉，是一种“精致而残酷的折磨”。

事业前途悬在半个地球之外，资助者和同事都在等待结果，而他却几乎无能为力。“这就像尤利西斯的旅程，以20年为单位来衡量。”哈尔岑说。

即便已经投入了十几年研发、巨额资金和无数人的时间，在真正获得结果之前，他们仍然不知道自己究竟会看见什么。

图源：冰立方中微子天文台官网

冰立方开始建设时，没有人能够保证它一定会发现宇宙中微子，早期还有人怀疑他们最终什么都看不到。“但我们做到了。”他说。

看见高能中微子之后，哈尔岑知道，更大的空白还在后面。他在散文《南极之梦》里写道，历史上每当人类第一次用一种新的波段观察天空，得到的结果往往都会超出最初的设想。

正如，贾科尼最初建造X射线探测器，是为了研究月球反射的太阳X射线，后来却发现了中子星和X射线双星；彭齐亚斯和威尔逊调试天线时，意外撞见宇宙微波背景辐射。

“如果在为AMANDA工作近二十年后，我们最终只发现了当初打算寻找的东西，那么从许多意义上说，那将是最令人失望的结果。”他说。

对高能物理学者来说，真正把自己的研究生涯同一台大型科学装置绑在一起，一生可能只有一次。

图源：冰立方中微子天文台官网

后来回看这段时间，哈尔岑带着一点玩笑意味：“从最初的想法到现在，仅仅用了半个世纪，才半个世纪而已。”他说，一个物理学家要有纪律地撑过一个大型项目的建设，“这种事，你是做不了两次的”。

眼下，更大的下一代冰立方实验正在规划，新的探测器预计会比现在大得多。82岁的哈尔岑不会再是它的主导者。他曾笑着问：“我还能活着看到那一天吗？”