今年物理诺奖颁给了一台望远镜，镜片是地球南极的万年寒冰

瑞典皇家科学院10月6日宣布，今年的物理学奖授予弗朗西斯·哈尔岑（Francis Halzen），表彰他“对冰立方中微子天文台的决定性贡献，以及发现来自天体的高能中微子”。 哈尔岑今年82岁，出生在比利时蒂嫩，博士毕业后不久来到美国威斯康星大学麦迪逊分校，如今是那里的教授。今年的物理学奖只发给了他一个人。 哈尔岑的望远镜没有镜片。它是南极点地下1450米到2450米之间的一整块冰，体积1立方千米，里面埋着5160个光传感器。它看的也不是光，而是宇宙中最不爱露面的粒子：中微子。 中微子不带电，几乎没有质量，穿过物质时基本什么都不碰。就在你读这句话的这1秒里，大约有650亿个来自太阳的中微子穿过了你的小指指甲，你毫无感觉，指甲也毫无感觉。它们穿过整个地球，也跟穿过一团空气差不多。 正因为几乎不跟任何东西打交道，中微子反而成了最可靠的信使：从宇宙深处飞来，一路上它携带的信息完好无损。物理学家想靠它回答一个困扰了一个多世纪的问题。 宇宙里到处飞着高速粒子，统称宇宙线。它们大多是质子，也就是剥光了电子的氢原子核。有些质子飞到地球时携带的能量高得离谱，远远超过人类最大的粒子加速器的加速能力。宇宙里一定有某种天然的加速器，把它们推到了这种速度。可是这些加速器在哪儿，没人知道。 麻烦出在质子带电。带电粒子在太空中穿过磁场时路线会拐弯，等它飞到地球，早就不记得自己从哪儿来了。你顺着它的来向往回看，看到的只是一片空。 中微子不带电，磁场拐不了它。而物理学告诉我们，能把质子加速到极高能量的过程，同样会产生高能中微子。所以只要抓到一个能量极高的中微子，顺着它的来向往回看，那头就应该是宇宙加速器本身。 抓它的办法，早在1960年前后就有物理学家提出过：用水。中微子偶尔会撞上一个原子核，撞出一个带电粒子，这个粒子会沿着中微子原来的方向继续飞，并且发出蓝光。水是透明的，光传得出去，布置合适的传感器就能看见这道光，算出它的方向，进而推出中微子从哪儿来。关键只有一点：水要足够多，多到能等来足够多次碰撞。 上世纪80年代，哈尔岑听说苏联研究者打算在南极用无线电天线捕捉中微子信号。他受到启发，想到另一条路：把光传感器埋进冰川，冰也是透明的，为什么不直接用天然的冰？ 他找到正在美国夏威夷深海做类似项目的同行约翰·勒尼德（John G. Learned），两人一起琢磨南极的可行性，1988年在波兰的一次会议上第一次拿出了方案。 南极点的好处很多。那里本来就有科考站，有定期补给，有一套能让团队干活的后勤。冰盖深处永远黑暗，没有海洋里那些会发光的生物干扰，放射性物质也很少。冰是固体，人可以站在上面工作，这一带地质稳定，没有地震。坏处只有一个：严寒让一年里大部分时间进不去，所有实际工作只能挤在11月到次年2月的短暂夏季。 哈尔岑本来打算只做理论。勒尼德忙着自己的项目，再没回到南极这个话题。故事本可以到此为止。但这个想法吸引的人太多，几年之内，各个机构的研究者聚到哈尔岑身边，要把它变成真的。 第一道坎是怎么把仪器放进1千米深的冰里。冰川学家教给他们一招：用一个像花洒一样的热水钻头，一路把冰融穿。然后把串着光传感器的长缆绳放进注满水的洞里，等水重新冻住。哈尔岑把这种传感器叫作反过来的灯泡，灯泡是把电变成光，它是把光变成电信号。 团队先在格陵兰试了试，确认传感器能在冰里看到粒子发出的光。接着他们在南极点动工，建起了冰立方的前身，一个叫AMANDA的探测阵列。 结果最初很让人失望。冰的上层布满气泡，光被四处散射，粒子的运动信息全糊成一团。但再往下，情况突然变了。1400米以下的冰极其纯净透明，中微子撞出的那道蓝光能在里面传300米才被吸收，比所有人预想的都远得多。 AMANDA一直建到2000年1月。它一切正常，但还是不够大，抓不住那些来自宇宙加速器的高能中微子。于是团队接着建冰立方：整整1立方千米的冰，86根缆绳，5160个传感器。2011年，它达到了设计规模。 建成只是开始。冰立方每天记录的信号里，绝大多数都和宇宙深处无关。宇宙线撞进地球大气层，会打出成群的粒子，其中一些能一路钻到冰下的传感器，每天超过1亿个。宇宙线在大气里还会造出中微子，每天有几百个从北半球那边穿透整个地球，到达冰立方。 要在这片噪音里找出真正来自宇宙深处的中微子，靠的是能量。放射性物质、太阳、大气层产生的中微子能量都低得多。能量高到一定程度的中微子，不可能来自我们身边，只能来自很远很远的地方，比如恒星爆炸的残骸，或者遥远的活动星系。 单看一个事件，研究者没法百分之百确定它来自地球以外。但把所有筛出来的事件放在一起，看它们的整体特征是否符合宇宙中微子的预期、是否明显区别于大气中微子，就能下判断。2013年，团队报告了第一批证据。又过了两年，数据多到足以让他们确信：宇宙中微子，抓到了。 中微子天文学其实有过前史。上世纪60年代，雷蒙德·戴维斯（Raymond Davis Jr）观测到了来自太阳的中微子。日本的神冈探测器在小柴昌俊带领下确认了这一点，还测出了中微子的来向。1987年，神冈又捕捉到一阵中微子，来自邻近的大麦哲伦云里一颗爆炸的恒星。两人因此获得2002年的诺贝尔物理学奖。 戴维斯当时还留下一个谜：他抓到的太阳中微子数量只有理论预测的1/3。后来人们才弄明白，中微子有3种，而且会在飞行途中变身，出发时是一种，到达时可能变成另一种，戴维斯的仪器只认其中一种。梶田隆章和阿瑟·麦克唐纳（Arthur B. McDonald）因为揭示这种变身拿了2015年的诺贝尔物理学奖。 但以前抓到的中微子，不管是太阳的还是那颗超新星的，都是家门口的信使。冰立方要做的，是把中微子天文学推到宇宙深处，看那些藏在尘埃云后面、远到其他辐射半路就消失了的东西。伽马射线一路上会被光和物质消耗，中微子却什么都不在乎。这是一种其他任何手段都拿不到的信息。 至于宇宙加速器本身，目前最像的候选者是活动星系NGC 1068，也叫M77。冰立方记录到的中微子里，有79个看起来来自它的方向。不过这点证据还不够充分，不足以把它钉死为中微子源。抓到的中微子越多，找到源头的把握才越大。近几年，团队还看到了来自银河系内部的高能中微子，他们认为那是宇宙线撞上星际稀薄气体的产物。 当年启发哈尔岑的那个夏威夷深海项目，1995年就终止了。它的思路活在了贝加尔湖、地中海、南海和加拿大西海岸的一批水下中微子望远镜里。南极这边，冰立方的下一代也已经在规划，叫冰立方二代，体积将达到8立方千米。 从1988年波兰那场会议算起，哈尔岑在这件事上花了38年。现在，南极冰盖深处1450到2450米之间，5160个光传感器仍在一刻不停地工作，等着下一道来自宇宙深处的蓝光。