梁校聊物理 · 诺贝尔物理学奖2026
文 / 梁校
IceCube地面实验室。摄影：Yuya Makino / IceCube / NSF。[1]
你印象里的望远镜，大概有一个镜筒，架在山顶，对着星空。
今年诺贝尔物理学奖的主角，却把几千个光传感器埋进了南极冰层。它没有我们熟悉的镜头，观测的主角也不是星光。科学家守着大约一立方千米的冰，等一种几乎不肯与物质发生反应的粒子，偶尔留下痕迹。
这座观测站叫 IceCube，中文常称“冰立方”。
10月6日，瑞典皇家科学院宣布，将2026年诺贝尔物理学奖授予威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），表彰他对 IceCube 中微子观测站，以及天体物理来源的高能中微子发现所作出的决定性贡献。[2]
弗朗西斯·哈尔岑。图片：UW–Madison官方获奖报道。[1]
今年诺奖公布前，清华大学薛其坤教授的工作也受到关注。他因实验观测量子反常霍尔效应，获选2026年科睿唯安“引文桂冠奖”物理学领域得主。这与诺贝尔奖是不同的评选。[3]
薛其坤团队研究的是一种很特别的电流：在合适的磁性拓扑材料中，即使不施加外部磁场，也能出现量子化的霍尔响应，边缘有沿特定方向传播的导电通道。2013年的实验实现，靠的是极其精细的材料生长与低温测量。[4]
把量子效应从材料里读出来，与在南极冰里寻找中微子，实验规模天差地别，难处却有相通的地方：目标信号很特别，背景与材料性质也必须弄得足够清楚。今天先把镜头转向南极。
这项工作最有意思的地方，是一个看起来很难解决的问题：一种几乎抓不住的粒子，怎么用来观察宇宙？
要讲明白这件事，得先回到一次“能量失踪”。
能量失踪
1930年前后，β衰变给物理学家出了一个难题。
某些原子核衰变时会放出电子。假如这个过程只有电子和衰变后的原子核参与，那么对于同一种衰变，在初始原子核静止、前后状态确定的情况下，电子应当拿到确定的能量。能量和动量守恒，会把这笔账限制得很严格。
但实验测出的电子能量，偏偏是一段连续的分布。有的电子拿得多，有的拿得少。
好比一笔总额确定的钱，查账时却发现每次都有不同数额不知去向。
这迫使物理学家重新检查衰变过程：守恒定律出了问题，还是实验漏掉了什么？
泡利选择了后一个方向。1930年12月，他写信提出，也许衰变还放出了一个没有被探测到的中性粒子，由它带走那部分能量。他把这个想法称为一个“绝望的补救办法”。后来，这个粒子有了我们今天熟悉的名字：中微子。直到1956年，科万、莱因斯等人才在核反应堆实验中探测到电子反中微子。[5]
泡利1930年12月4日的信件节选。图片：Pauli Letter Collection / CERN。[6]
以自由中子的衰变为例，一个中子变成质子，同时放出电子和电子反中微子。电子与反中微子可以分走不同份额的能量。我们只测电子，就会误以为有一部分能量消失了。
电子能量分布里的那一截缺口，原来属于另一个参与者。
难抓的信使
“幽灵粒子”这个外号很容易让人误会，以为中微子是某种神秘的、接近虚构的东西。
它是实实在在的基本粒子，没有电荷，质量很小。决定它难探测的，是它与物质作用的方式。在通常的粒子探测条件下，它主要通过弱相互作用留下信号；它不靠普通的电磁作用让探测器响应，也不参与强相互作用。[7]
我们看见一张桌子，是光与桌子、眼睛发生了电磁相互作用；带电粒子经过探测材料，也比较容易留下电离信号。中微子少了这条常用的探测途径。
于是，大量中微子可以穿过物质而不留下可测痕迹。
但这件令人头疼的事，恰好也给天文学带来了机会。
宇宙中有能把粒子加速到极高能量的环境。高能质子等带电粒子飞向地球时，会受到沿途磁场的偏转。我们接到它们，也很难沿着到达方向倒推它们的老家。
磁场会改变带电粒子的运动方向，这种作用叫洛伦兹力。中微子没有电荷，不会像带电宇宙线那样被磁场拐来拐去。它又很少在途中与物质反应，因此能较好地保留出发方向的信息。[8]
它难抓，却适合替我们带回远方的消息。实验的任务，就是想办法读出这条消息。
冰中的光
IceCube 的办法，是等中微子发生一次罕见的反应。
以一种典型情况为例：μ子中微子与冰中的物质发生弱相互作用，产生一个高速运动的带电粒子μ子。μ子穿过冰时，可以发出切伦科夫光。光传感器记录这些光，再由科学家重建粒子的运动信息。[9]
所以，探测的链条是：
中微子发生反应 → 产生高速带电粒子 → 带电粒子在冰中发光 → 传感器记录光
一次典型反应产生带电μ子，再由μ子发出切伦科夫光。原理示意。
切伦科夫光有一个听起来很惊人的产生条件：带电粒子要跑得比光还快。
这个说法必须补上三个字：介质中。
相对论所说的速度上限，是光在真空中的速度。光进入冰以后，传播速度会降低。在可见光波段，粗略估算，冰中的光速大约是真空光速的76%。
一个带电粒子如果以接近真空光速的速度穿过冰，就能超过冰里的光，同时仍然低于真空光速。没有违反相对论。
带电粒子可超过冰中光速，仍低于真空光速；0.99c为示例。
可以借飞机的音爆来帮助理解：飞机超过空气中的声速，会形成特定的波前结构；高速带电粒子超过介质中的光传播速度，也会产生有方向结构的辐射。这个类比只帮助理解速度与波前，具体发光机制仍然要用电磁理论解释。[10]
这些光沿着特定角度发出，形成一个光锥。光锥的角度与粒子的速度、冰的折射率有关。记录下光在哪里出现、何时到达，就有机会反推出粒子经过的方向。
实际分析还要处理冰对光的散射和吸收。科学家结合各个传感器收到光的时间、位置与强度，反推发生了什么。μ子留下的长轨迹尤其适合估计来向；其他反应可能形成更集中的粒子簇射，方向判断的精度也不同。[9]
九亿吨冰
一立方千米有多大？想象一个边长一千米的巨大冰块，它的质量大约是九亿吨。
中微子与物质发生反应的概率太低，科学家就让它经过更多物质，并且耐心地等。只要有足够多的中微子穿过足够大的冰层，其中偶尔发生的反应，就有机会被记录下来。
南极深冰提供了现成的大体积探测介质。原始 IceCube 阵列有86串、共5160个数字光学模块，主要分布在地下约1450至2450米深处，覆盖约一立方千米的冰。[11]
IceCube原始阵列的结构示意。图片：IceCube Collaboration。[11]
但“南极的冰适合探测”这句话，并没有一开始就得到顺利验证。
IceCube 的前身 AMANDA，早期把传感器放在约800至1000米深的冰里。结果那里残留的气泡太多，光被散射，妨碍了准确读取信号。团队后来把设备部署到约1500米及更深处，寻找光学条件更好的冰。[12]
想记录一束光，还得知道它在到达传感器之前经历了什么。光如果被气泡反复散射，就像一路绕了许多弯，原本的方向和到达时间都会被改变。科学家必须弄清冰的光学性质，才能准确地解读信号。
建设本身也很有意思。他们用高压热水融出深孔，再把传感器串放进去。孔里的水随后重新冻结，设备就留在冰中。钻孔用的热水约80℃，软管长度约2500米。[13]
热水钻孔现场的软管卷盘。摄影：J. Haugen / NSF。[11]
一串设备下去后，要长期可靠地工作。接头、供电、标定、数据传输，都变成了实验能否成功的一部分。
奖项授予哈尔岑，也要记得：这座观测站由国际合作团队共同建造和运行，里面有大量研究人员、工程师与现场工作人员的工作。[1]
伯特与厄尼
科学家很认真，也会给数据取有点可爱的名字。
IceCube 记录到的两个特别高能的早期事件，被叫作“伯特”和“厄尼”（Bert、Ernie）。它们分别发生在2011年8月和2012年1月，能量达到 PeV 量级。
“伯特”与“厄尼”的事件显示图；颜色表示信号先后，球大小反映信号量。图片：IceCube Collaboration。[6]
电子伏特是衡量粒子能量的单位，1 PeV等于一千万亿电子伏特。作为比较，太阳核反应产生的中微子，常见能量在百万电子伏特的量级。IceCube要寻找的，是能量高出许多数量级的宇宙来客。
但看到两个令人兴奋的事件，还不能直接宣布发现。大气背景能不能产生类似信号？仪器有没有问题？偶然出现的可能性有多大？
到2013年，包含这两个事件的28个高能事件样本，结合背景估计，给出了来自天体物理源的高能中微子通量的有力证据。[14]
“伯特”和“厄尼”让人记得住。它们最初带来的兴奋，与正式发现之间，还有统计检验这一步。IceCube 的历史记录也明确说明，仅靠最初那两个事件，还不足以宣称发现。[6]
2017年9月22日，故事又向前走了一步。
IceCube 记录到一个高能中微子候选事件，向全球观测站发出警报。其他望远镜对相应天区跟进观测，发现编号为 TXS 0506+056 的耀变体正在发生高能γ射线活动。耀变体是带有相对论性喷流、且喷流大致朝向我们的活动星系核。
中微子的到达方向、其他波段的观测，以及后来对历史数据的分析，一起支持了这个天体是高能中微子来源的判断。相关成果发表于2018年。[15]
这类判断依靠多种证据相互印证。中微子的来向有测量误差，其他望远镜的观测和历史数据，可以帮助研究人员判断它是否与某个天体有关。
南极冰中的一次反应，让地面和太空里的望远镜一起转向同一片天空。中微子天文学的有趣之处，就在这样的合作里。
爆炸的里外
1987年，超新星SN 1987A爆发，神冈等探测器记录到了相关的中微子信号。恒星内部的引力坍缩，不只让外层物质亮起来，还释放出大量中微子。这些能量主要在MeV量级的粒子，让人们有机会探查爆炸深处的过程。[16]
它与IceCube寻找的PeV量级宇宙中微子，属于不同的能量范围，不能混作同一次发现。共同的启发是：恒星内部有些事情，用光很难直接看见，中微子却可能带出消息。
光也有自己的长处。另一颗超新星SN 2010jl，曾被持续开展超过500天的光学观测。它很亮，氢的谱线长期突出，说明爆炸抛出的物质正与恒星先前丢到周围的致密物质强烈相互作用。亮度怎样衰减、谱线怎样变宽或偏斜，都能帮助追查这层环境。[17]
后续的红外与光谱研究，还追踪了这次爆炸周围尘埃的形成。不同波段对同一颗超新星的观察，可以继续修正对物质分布和演化过程的认识。[18]
这并不意味着IceCube已经探测到SN 2010jl的高能中微子。这个例子想说明的是：光谱、红外与中微子各有可读的信息，把它们结合起来，才能更完整地追查一次宇宙爆炸。
中微子带来的是另一种信息。光在某些致密环境里可能被吸收或反复散射，中微子却有机会从中穿出来；带电粒子会被磁场改变方向，中微子能够较好地保留来向。把这些观测放在一起，科学家才能更完整地了解远方究竟发生了什么。
中微子如此难以探测，这条路也就走得格外漫长。哈尔岑在1988年提出利用南极冰寻找中微子的设想，到了2013年，IceCube才拿出了宇宙高能中微子的有力证据。中间隔着二十多年，还有从气泡、钻孔到传感器的一连串难题。[2]
今天，南极深冰中的那些传感器仍在等待下一次闪光。一种曾经只是用来解释“能量去了哪里”的粒子，已经帮助我们寻找宇宙中最猛烈的粒子加速场所。
获奖信息据2026年10月6日瑞典皇家科学院公告核实。文中5160个模块指原始 IceCube 阵列；光速与冰块质量采用近似数值。
2026年诺贝尔物理学奖获奖结果公布现场。图片：瑞典皇家科学院；摄影：Patrik Lundin。[2]
参考来源
- 来源 https://news.wisc.edu/university-of-wisconsin-madison-professor-francis-halzen-named-2026-nobel-laureate-in-physics/
- 官方获奖公告 https://www.kva.se/en/news/the-nobel-prize-in-physics-2026/
- 东北大学AIMR：2026年引文桂冠 https://www.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/en/achievements/media/2026/20260924_002273.html
- 清华物理系：量子反常霍尔效应的实验发现 https://www.phys.tsinghua.edu.cn/info/1072/1484.htm
- CERN：中微子的七十年谜题 https://home.cern/the-puzzle-of-neutrinos-seventy-years-on/
- 来源 https://icecube.wisc.edu/about-us/icecube10/timeline/
- CERN：标准模型与基本粒子 https://home.cern/science/physics/standard-model/
- IceCube：追踪宇宙线加速源 https://icecube.wisc.edu/news/press-releases/2018/07/icecube-neutrinos-point-to-long-sought-cosmic-ray-accelerator/
- IceCube：怎样探测中微子 https://masterclass.icecube.wisc.edu/en/icecube-and-neutrinos/detecting-neutrinos/
- IceCube：切伦科夫探测原理 https://icecube.wisc.edu/news/glashow-event-faq/
- IceCube：原始探测器结构 https://icecube.wisc.edu/science/icecube/
- IceCube：AMANDA早期建设记录 https://icecube.wisc.edu/timeline_slider_post/1993/
- IceCube：热水钻孔的工程故事 https://icecube.wisc.edu/news/detector/2014/12/drilling-icecube-story-of-innovation-expertise-and-strong-will/
- IceCube：2013年研究回顾 https://icecube.wisc.edu/news/collaboration/2014/01/icecube-2013-in-brief/
- IceCube：2017年警报与2018年成果 https://icecube.wisc.edu/data-releases/2018/07/
- 2002年诺奖：超新星中微子观测 https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/advanced-physicsprize2002.pdf
- SN 2010jl的长期光学观测 https://arxiv.org/abs/1208.6078
- ESO：SN 2010jl的尘埃形成 https://www.eso.org/public/news/eso1421/
