Уильям Генри Брэгг: человек, который начал поздно и научился читать кристаллы

К сорока годам он почти ничего не опубликовал. Он восемнадцать лет провел на другом конце света, преподавая математику и физику австралийским студентам, и получил эту работу в двадцать три года, почти ничего не зная о физике, как он сам признавал. Затем, в 1904 году, он начал заниматься исследованиями — и в течение трех лет стал членом Королевского общества, через одиннадцать лет — лауреатом Нобелевской премии, а через девятнадцать — директором Королевского института. Карьера Уильяма Генри Брэгга (William Henry Bragg) — это постоянное опровержение идеи о том, что физика — удел молодых.

Ферма в Камберленде и третий «рэнглер»

Он родился в Уэствуорде (Westward), Камберленд, 2 июля 1862 года. Его мать умерла, когда ему было семь лет, и его воспитывал дядя. Он учился в Академии Роберта Смита (Robert Smyth Academy), а затем в Колледже Короля Вильгельма (King William's College) на острове Мэн, прежде чем поступить в Тринити-колледж в Кембридже. В 1884 году он стал третьим «рэнглером» в математическом трипосе — то есть занял третье место в стране на самом сложном экзамене, который тогда существовал в Великобритании.

Двадцать три года и почти полное отсутствие знаний по физике

Два года спустя, в возрасте двадцати трех лет, он был назначен старшим профессором математики и физики в Университете Аделаиды. Математикой он владел. Физикой — нет, и большую часть своих ранних австралийских лет он потратил на ее изучение и на создание университетской научной базы практически с нуля. В 1889 году он женился на Гвендолин Тодд (Gwendoline Todd), дочери астронома Чарльза Тодда (Charles Todd); у них было трое детей: Гвендолин, Лоуренс и Роберт. Почти два десятилетия Брэгг, с точки зрения физики как исследовательской дисциплины, был практически невидим.

Начало в сорок один год

Перемены произошли в 1904 году, когда ему был сорок один год, с началом работы над ионизацией газов и поглощением альфа-частиц. Это была серьезная экспериментальная физика, которая в то время меняла понимание материи, и она быстро получила признание: в течение трех лет он был избран в Королевское общество. В 1909 году он вернулся в Англию в качестве профессора в Университете Лидса.

Лидс и спектрометр

В 1912 году Макс фон Лауэ (Max von Laue) показал, что кристалл дифрагирует рентгеновские лучи в характерный узор из пятен — результат, который одновременно доказывал, что рентгеновские лучи ведут себя как волны, и показывал, что кристаллы построены на регулярной решетке. У Лауэ было явление. Но ни у кого еще не было метода.

Брэгг предоставил половину этого метода, а его старший сын — вторую половину. Лоуренс, тогда еще молодой человек в Кембридже, разработал соотношение, которое теперь повсеместно называют законом Брэгга: уравнение, связывающее длину волны рентгеновских лучей, расстояние между плоскостями атомов в кристалле и угол, под которым отражаются лучи. Если его переставить, можно вести рассуждение в обратном порядке: измерить углы, узнать длину волны и рассчитать, где находятся атомы.

Уильям Генри Брэгг создал инструмент, который сделал этот метод практичным. Его рентгеновский спектрометр позволил систематически и точно измерять отражения от грани кристалла, а не фотографировать их и строить догадки. С его помощью они вдвоем начали выяснять атомную архитектуру реальных веществ, начиная с простых солей и небольших молекул. Вместе они превратили любопытство в технику, а технику — в науку. Нобелевская премия по физике 1915 года досталась им обоим за анализ кристаллической структуры с помощью рентгеновских лучей. Лоуренсу было двадцать пять лет, и он оставался самым молодым лауреатом в истории премии до 2014 года. Это до сих пор единственная Нобелевская премия, разделенная отцом и сыном за одну и ту же работу.

1915 год не был удачным для семьи. Роберт Брэгг (Robert Bragg), младший сын, умер от ран в Галлиполи в сентябре того года.

Королевский институт

В 1915 году Брэгг перешел в Университетский колледж Лондона, а в 1923 году — в Королевский институт на должность Фуллеровского профессора (Fullerian Professor), где он руководил институтом и его лабораторией Дэви-Фарадея до конца своей жизни. Он превратил Королевский институт в один из ведущих мировых центров кристаллографии, а сам был необычайно талантливым популяризатором науки — постоянно выступал с Рождественскими лекциями в Королевском институте и писал книги о звуке и свете для широкого круга читателей. Он был посвящен в рыцари в 1920 году, получил медаль Румфорда (Rumford Medal) в 1916 году, медаль Копли (Copley Medal) в 1930 году и орден «За заслуги» (Order of Merit) в 1931 году, а с 1935 по 1940 год был президентом Королевского общества.

Почему Уильяма называют гением

Честный рассказ должен начинаться с вопроса о заслугах, потому что он преследовал имя Брэгга целый век. Закон принадлежит Лоуренсу. Его отец сказал об этом в то время, написав в журнал Nature, что его сын создал теорию, позволяющую рассчитать положение пятен для любой комбинации кристалла и пластины, и Лоуренс сказал об этом в конце своей жизни: «Иногда говорят, что мы с отцом начали анализ рентгеновских лучей вместе, но на самом деле это было не так». Тем не менее, мир продолжал приписывать заслуги старшему и более известному человеку — Лоуренса не пригласили на Сольвеевский конгресс 1913 года, на котором присутствовал его отец, а комментарий Резерфорда (Rutherford) Уильяму по поводу их совместной медали Барнарда в 1915 году был: «Слишком рано для твоего мальчика получать такие награды». Сам Уильям отмечал, что люди часто стремились отдать первенство ему в тех случаях, когда оно должно было принадлежать сыну. Лоуренс стал использовать свое среднее имя, чтобы избежать путаницы.

Таким образом, доводы в пользу Уильяма Генри Брэгга не могут основываться только на теории. Они основываются на приборостроении и суждении. Рентгеновский спектрометр — причина, по которой кристаллография стала рабочей дисциплиной, а не демонстрацией: устройство, достаточно точное для преобразования дифракционной картины в надежное измерение, спроектированное кем-то, обладающим редким сочетанием математических способностей «рэнглера» и руками практического экспериментатора. И еще темперамент — человек, который самостоятельно изучил целый предмет в двадцать три года, начал оригинальные исследования в сорок один год, а затем, на пике славы, тратил свою энергию на то, чтобы публично настаивать, что главная идея принадлежит его сыну. Это не гениальность в обычном смысле. Это нечто более редкое.

Наследие

Брэгг скончался от сердечной недостаточности в Лондоне 12 марта 1942 года в возрасте семидесяти девяти лет. Метод, который они с Лоуренсом основали, в дальнейшем позволил определить структуру расположения атомов в металлах, минералах, витаминах, белках и, в 1953 году, ДНК — работа, проделанная в институтах, которые сформировали Брэгги, исследователями, использующими потомков спектрометра, который он построил в Лидсе. Рентгеновская кристаллография принесла больше Нобелевских премий, чем почти любая другая отдельная техника в физических науках. Большая часть того, что мы знаем о форме молекулярного мира, была считана с кристаллов методом, который мальчик с камберлендской фермы начал создавать, когда ему было за сорок.