
今年诺贝尔物理学奖颁给了一个一辈子没做过实验的理论物理学家。他在南极两千米厚的冰盖底下主持建造了一台巨大的"望远镜",而他自己直到最近都没去过南极。文章最值得看的地方不是物理,是这个人怎么绕了一大圈又回到他最想逃离的工程现场,以及那台仪器到底靠什么才没死在第一天。
以下为原文全文,约 3100 字。文末参考文献保留,原页面配图与推广内容已略。
今年的诺贝尔物理学奖,颁给了一个一辈子没做过实验的人。
10月6日,瑞典皇家科学院宣布,将2026年诺贝尔物理学奖单独授予美国威斯康星大学麦迪逊分校82岁的弗朗西斯·哈尔岑(Francis Halzen),表彰他对"冰立方"中微子天文台的决定性贡献,以及发现天体物理起源的高能中微子。
用大白话说,就是他在南极2000多米深的冰盖底下造了一座巨大的"望远镜",专门捕捉从宇宙深处飞来的神秘粒子。
可哈尔岑是个纯粹靠纸笔干活的理论物理学家,更绝的是,至少到2020年,这位南极超级望远镜的首席科学家还没去过南极。甚至,他年轻的时候还想尽办法逃离工程。哈尔岑的父亲是个建筑商,手里有一家传了好几代的建筑公司,一直指望他学工程,将来接手家里的盖楼生意。哈尔岑听了父亲的话,去大学学了工程。
结果只坚持了半年。他实在受不了每天拿墨水画工程制图,索性转去读理论物理,还刻意挑那些不用动手做实验的专业课。
他大概没想到,自己这一转身,绕了几十年,最后还是回到了工程现场。
几十年后,为了抓中微子,哈尔岑主持了一场耗资2.79亿美元的工程。整个工程要在冰盖上融掉6500万升冰,成了南极历史上最昂贵、最复杂的一次大施工。
他后来在访谈里自嘲,自己绕了一大圈,最后还是干回了老本行。要是图赚钱,当初还不如老老实实回老家帮父亲造桥。
而这项工程能立项,起点是一次侥幸。
中微子这种粒子极难捕捉,平时穿过地球就像穿过空气一样,几乎不跟任何物质发生反应。物理学家想看它,只能找一个巨大且透明的介质,等中微子偶尔撞上原子时擦出的微弱蓝光。
上世纪80年代末,哈尔岑琢磨着,南极有现成的几千米厚大冰盖,把光电探测器塞进冰里不就行了?
当时冰光学的权威教科书白纸黑字写着:蓝光在冰里穿行8米左右就会被吸收殆尽。
如果按照书里的结论,冰盖根本不透光,这个项目连1美元的经费都别想申请到。巧的是,哈尔岑当年压根没读过那本教科书。
多年以后,一本被图书馆放错书架的旧书寄到他办公室,他随手翻到这一页,当场吓出一身冷汗。要是当年提前看了这本书,这个项目在第一天就夭折了。
南极深处的冰层在实际测量中表现极佳,光的吸收长度超过100米,比清澈的海水还要透亮得多。
"无知又走运,再好不过了。"这句话后来成了哈尔岑最出名的口头禅。
不过,真正的工程比理论家的大脑粗暴得多。
要在零下几十度的南极冰盖下埋探测器,唯一的办法是用热水硬生生烫出一条通道。
1993年平安夜,第一批探测器下井的时候,哈尔岑正在老家吃圣诞晚餐。
可当他们往冰里打激光测试时,所有人都傻眼了:光到得比预期慢得多,探测器周围白茫茫一片,整个仪器就像泡在了一大桶牛奶里。
美国团队完全找不着北。最后在1994年的一个国际研讨会上,是前苏联贝加尔湖项目的竞争对手拿出了冰芯数据,当面点破了玄机:你们埋得太浅了。
800到1000米深的浅冰里全是残留的微小气泡,把光线全给散射乱了。只有下潜到1300米甚至更深,上亿吨冰层的巨大重压才会把气泡硬生生压进冰的晶格里,冰才真正透明起来。
摸清规律后,工程重新推进。真正的冰立方从2004年开钻。工程师运来相当于一台全功率火车头功率的加热系统,把80多度的热水以每分钟700多升的流量往冰里灌。他们在冰上足足烫了86个深达2500米的大洞,每个洞融出来的直径只有60厘米。
直到2010年,整整86根电缆、5160个装在耐压玻璃球里的探测模块全部入冰,围成了整整1立方千米的超级冰阵列。
望远镜建成后,每到极夜,只有越冬队员留在南极守着它,外面是零下70多度的狂风。
海量的数据被送回各个大学,年轻人开始在电脑里筛信号。
中微子事件的代码全是一长串冷冰冰的数字,大家经常抄错,一位研究生干脆拿美国儿童节目《芝麻街》里的布偶角色给它们起绰号。
最早找到的两个超高能中微子,被顺嘴叫成了伯特(Bert)和厄尼(Ernie)。
名字叫开了之后,这位研究生才猛然反应过来:节目里伯特长着瘦长的脑袋,厄尼是张宽脸,可他偏偏把横着摊开的那个信号叫成了伯特。
两颗粒子的名字彻底起反了。可名字已经叫开,再也改不回来了。
2013年,冰立方公布了28个来自宇宙深处的中微子候选事件,这就是这次诺奖说的"发现"。
后来的科学发现一个接着一个。冰立方找到了中微子来自几十亿光年外黑洞耀发的证据,拍下了银河系的中微子全景图,还验证了60年前理论家预言的微观共振。
直到今天,瑞典皇家科学院把物理学奖颁给了他。
今年6月19日,比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)去世,享年93岁。他去世时,是唯一一位拿过诺贝尔物理学奖的比利时人。不到4个月,哈尔岑成了第二位比利时出生的得主。
两人的交集还要早得多。哈尔岑在比利时鲁汶大学读博时,恩格勒和搭档罗伯特·布劳特(Robert Brout)每周都来跟学生讨论,布劳特差不多算他半个导师。两人那篇后来成为希格斯机制奠基之作的论文,哈尔岑当年读过,以为讲的是固体物理,没当回事。
2013年,恩格勒凭这篇论文拿到了诺贝尔物理学奖。
这次颁给哈尔岑的奖,还是34年来第一次由一个人独享物理学奖。上一位独自拿奖的人,是1992年发明多丝正比室的法国物理学家乔治·夏帕克(Georges Charpak)。
在这座大仪器背后,参与的科学家有几百人,各国的研究机构有近60家。有人负责钻井,有人提出数字化芯片,日本的年轻学者最早从茫茫数据里翻出了伯特和厄尼。
但诺奖委员会最终只写了一个人的名字。
好在哈尔岑对此看得很开。他多次公开说过,这种大奖根本不是奖给某一个人的,而是奖给整个实验的,自己最大的贡献不过是当年请来了一位懂工程的项目主管。
2015年他拿到巴尔赞奖,奖金75万瑞士法郎。记者问他打算怎么花,回答很朴素:给自己买一辆新的公路赛车。
诺奖降临的这一年,冰立方的日子其实过得相当紧巴。
今年3月,望远镜进行加密升级时,有一根电缆在700米深处断裂,成了整个项目历史上第一次彻底丢掉一整根探测缆的事故。
同一时间,美国国家科学基金会的2026财年预算请求,打算把冰立方的日常运行经费砍掉将近一半。而中国在南海筹划的新一代深海中微子望远镜,体积规划已经是冰立方的数倍乃至几十倍。
发布会现场,诺奖委员会打电话给哈尔岑。恰好他人在意大利,和斯德哥尔摩没有时差。他的第一句话是"太意外了,我完全没想到",接着又说自己手头正在写一份申请,希望这个奖能帮它批下来。现场笑成一片。
说了这么多哈尔岑,我们来讲讲冰立方。
冰立方探测器的主体由约一立方公里的南极天然冰体构成,其水量足以填满一百万个游泳池。
人们利用热水融化冰层,在冰层上钻出数千米深的孔洞,然后在冰层中安装了探测中微子所需的光学模组。等到水再次冻结,探测设备就固定在了冰层当中。为确保冰层钻孔顺利,科学家们动用了大型洗车加热器来供应高温水流。
钻设线缆孔的平均耗时约为48小时,钻设每个孔平均消耗18169升燃料,还要用掉超过750000升水。施工只有在夏季才能进行,因此冰立方花了7年时间才建成。
或许你还想替哈尔岑问一句,在冰立方工作是什么样的感觉?
冰立方项目的工作人员们需要前往阿蒙森-斯科特南极站工作与生活。这座科考站位于极其寒冷干燥的南极内陆高原,要乘坐军用运输机才能到达。这里的所有物资都必须通过航空运输,不过科考站的小型温室也可以培育一些新鲜蔬菜作为食物补充。
这里的户外环境十分艰苦,但生活并不算非常枯燥。在日常工作之外,人们可以在这里使用健身房、排球场和篮球场,还能组建俱乐部、成立乐队,或是练习苏格兰舞。在繁忙的夏季,工作人员时常感到可做的事情太多,而时间完全不够用。
最困扰人的细节是,在南极解冻食物需要的时间格外长。冰立方项目的官方网站特别提醒工作人员,冰淇淋必须提前几个小时从冷库取出解冻,否则吃的时候恐怕就得动用钢锯。当年一心想逃离工程学的哈尔岑,大概也没想到过这个工程问题。
这篇最好的是选人。诺奖报道最容易写成"成果综述",它反过来写"这个人怎么绕回来的":想逃离工程的人,最后干了南极史上最大的一次施工。开篇那句"颁给了一个一辈子没做过实验的人"就把钩子下好了,后面所有的细节都在还这句话的债。
细节也扎实。86 个洞、5160 个模块、每分钟 700 多升热水、两颗粒子被《芝麻街》布偶带歪了名字,这些都是能记住的东西,比"重大突破"有用得多。
有两点我不同意。
第一,它把立项成功讲得太像运气。"无知又走运"是哈尔岑自己的口头禅,写进去没错,但文章顺着这个调子走,就把真正的转折点写轻了:1994 年那场研讨会上,是竞争对手拿出贝加尔湖的冰芯数据,当面告诉他们"埋得太浅"。这是同行共享数据救了一个耗资近三亿美元的项目,不是运气。这个环节值得单独写一段,现在只是插曲。
第二,文章点出了"诺奖只写一个人的名字",但没往下问。近 60 家机构、几百个科学家、日本年轻人从数据里翻出那两颗粒子,规则却只认个人。文章写到"好在哈尔岑看得很开"就收了,其实这里有个真问题被绕过去了。
另外结尾埋的那三条(电缆断裂、经费砍半、中国规划更大望远镜)都是好料,但都没展开。读完会想知道"那接下来呢",文章没接。可能是赶在公布当天发稿的时间所限。
❖