2026年诺贝尔物理学奖,又给了这个领域,它为何如此重要?
当地时间10月6日,诺贝尔奖委员会宣布,将本年度物理学奖授予弗朗西斯·哈尔岑。作为南极“冰立方”项目的负责人,他为人类的中微子研究做出决定性贡献,也因此获得了物理学领域的全球最顶级奖项。

(哈尔岑获得诺贝尔奖)
实际上,最早在1988年,中微子领域就首次获得诺贝尔奖。随后在1995年,2002年和2015年,又有科学家凭借在该领域的卓越成就斩获诺贝尔物理学奖。换句话说,最近不到40年里,中微子研究已经5次为科学家拿下诺贝尔奖。
那么,这种粒子,究竟有什么“魔力”?
中微子,物理学上又被称为“幽灵粒子”,是构成我们物质世界最基础的亚原子粒子之一,属于轻子的一种。这种粒子,主要有三个特点——
首先,它的质量极小,甚至只有电子质量的1/100万,以至于在很长一段时间里,物理学家以为它根本没有质量。

(中微子研究第五次获得诺奖)
其次,它不带电荷,对电磁力和强相互作用完全“免疫”,只参与极其微弱的“弱相互作用”和“万有引力”。这意味着它既不发光、不反射光,也不会被磁场偏转,导致人类现有的科学手段几乎无法直接探测到它。
再次,中微子无处不在而且几乎能穿越一切。作为宇宙中数量仅次于光子的最丰富粒子,此时此刻,每秒钟就有数百亿个来自太阳的中微子穿过你的手指头,但你毫无感觉。哪怕建造一堵厚度达到数亿公里的纯铅墙,绝大多数中微子也能毫发无损地瞬间穿透过去。
照我们这么描述,你会感觉中微子好像在宇宙中没什么存在感,而且也跟我们眼中的世界没什么关系。
但实际上恰恰相反,中微子对人类理解这个宇宙来说,意义极为重大。

(中微子是人类理解宇宙的关键)
往小了说,我们这个宇宙物理学的最基础框架——粒子物理的“标准模型”,必须要借助中微子才能了解透彻。
在原先的标准模型框架中,中微子被假设为质量为零。但物理学家发现,中微子存在不同的“味”,而且彼此之间可以通过“振荡”来转换。中微子振荡及质量的发现,是目前人类在实验上确凿观测到的、唯一明确打破标准模型的物理现象。它有望引导人类走向更终极的大统一理论,将强力、弱力与电磁力统一起来。
往大了说,我们所处的银河系为什么没有支离破碎,原因也可能在于中微子。

(暗物质之谜或许和中微子有关)
银河系直径达10万光年,而可见物质所产生的引力不足以将这数千亿颗恒星约束在一起。天文学家推测,银河系以及宇宙中无数的星系,都隐藏着所谓的暗物质,提供看不见的引力,将整个星系束缚在一起。
而这些暗物质,特点就是除了引力之外,不和可见物质产生其他联系。而中微子从自身性质,到无与伦比的数量,都和暗物质非常相似。因此很多科学家认为,中微子或许可以帮助人类理解暗物质的本质。
大到极限,这种粒子还可以解释今天的宇宙为什么能存在 。

(中微子或许能解释宇宙为何能够诞生)
根据宇宙大爆炸理论,宇宙诞生之初产生的物质和反物质应该是完全等量的。但按照这个说法,这些物质和反物质会瞬间相互湮灭,然后宇宙就消失了。
但今天的宇宙却充满了物质,无论星系、恒星还是我们人类都是由物质组成的,反物质几乎荡然无存。物理学家怀疑,中微子在其正反粒子之间可能存在微妙的CP破坏,正是这种极微小的差异,导致早期宇宙中物质战胜了反物质,奠定了今天万物存在的前提。
由此可见,中微子涉及的都是物理学、宇宙学的最终极谜题,其地位之重要性不言而喻。正因如此,其重大突破往往都能成为诺贝尔奖的最有力竞争者。
那么问题来了,研究中微子,为什么非要跑到南极去呢?

(“切伦科夫辐射”是研究中微子的关键)
这是因为,中微子撞击介质中的原子核会产生高能带电粒子,这些带电粒子在水或冰中的传播速度可以超越光在该介质中的速度,从而触发“切伦科夫辐射”,发出肉眼可见的微弱蓝光,利用光电倍增管被科学家注意到。所以利用大量的水或冰,就可以产生这种效应,发现中微子并研究其性质。
南极极点上方覆盖着近3公里厚的冰盖,这些冰在巨大压力下变得异常致密纯净,内部的气泡几乎被完全挤压消失。当中微子偶然撞上冰中的原子核时,会产生一个高速带电粒子,它在冰中穿行时会发出极其微弱的淡蓝色闪光。南极深处这种纯净的冰,让微弱的蓝光能够传播很远而不被吸收或散射。

(南极冰立方)
不仅如此,两千米厚的冰层完全隔绝了阳光和地表宇宙射线的干扰,背景光极低,探测器才能在安静的环境里等待那极罕见的闪光。
早在1988年,哈尔岑就意识到了南极冰层可以充当探测器介质,并积极推动了冰立方项目。
他领导了这个项目从原型验证到最终建成的全过程,搭建起包含三百多名科研人员的国际合作团队,在极地环境中克服了钻探、部署、维护等一系列技术难题。
冰立方建成后不负众望,迄今为止取得了多项重要观测成果,并且其中两项尤为重要。第一个是该项目在2013年首次探测到来自太阳系外的高能宇宙中微子;第二个是在2017年将一颗中微子回溯定位到约30亿光年外一个由超大质量黑洞驱动的耀变体活动,首次锁定了一个高能中微子源,为宇宙射线起源提供了关键线索。

(哈尔岑实至名归)
该项目能为人类理解中微子做出如此卓越的贡献,离不开哈尔岑的智慧与努力。这位科学家能够获得本届诺贝尔奖,可谓实至名归。
最有趣的是,这位科学家实际上直到2020年之前,都没踏足过南极。换句话说,冰立方的建设项目期间,哈尔岑从未亲临现场。但他的“远程指挥”,同样为这个项目发挥了举足轻重的作用。