威廉·亨利·布拉格

威廉·亨利·布拉格:大器晚成的晶体研究者

到四十岁时,他几乎没有发表过任何著作。他在地球的另一端花了十八年时间向澳大利亚的本科生教授数学和物理学,而他开始这份工作时年仅二十三岁,按他自己的说法,当时他对物理学知之甚少。然而,1904年他开始从事研究,三年内就成为英国皇家学会会员,十一年后获得诺贝尔奖,十九年后担任皇家研究所所长。威廉·亨利·布拉格(William Henry Bragg)的职业生涯有力地驳斥了“物理学是年轻人的游戏”这一观点。

坎布里亚的农场与数学尖子生

他于1862年7月2日出生在坎布里亚郡的韦斯特沃德(Westward)。他七岁时母亲去世,由一位叔叔抚养长大,先后就读于罗伯特·史密斯学院(Robert Smyth Academy)和马恩岛的威廉国王学院(King William's College),随后进入剑桥大学三一学院。1884年,他在数学荣誉学位考试中名列第三——即当时英国最严苛考试中的第三名。

二十三岁,几乎不懂物理

两年后,年仅二十三岁的他被任命为阿德莱德大学的数学与物理学教授。他具备了数学能力,但物理学基础却很薄弱,他早期在澳大利亚的许多时光都用于学习物理,并从零开始建设大学的科研设施。1889年,他与天文学家查尔斯·托德(Charles Todd)的女儿格温多琳·托德(Gwendoline Todd)结婚;他们育有三个孩子:格温多伦(Gwendolen)、劳伦斯(Lawrence)和罗伯特(Robert)。近二十年来,按照物理研究的标准,布拉格在学术界几乎“隐形”。

四十一岁开始起步

变化发生在1904年,那时他四十一岁,他开始研究气体的电离和α粒子的吸收。这是当时正在重塑物质理解的严谨实验物理学,并迅速得到认可:三年内他当选为皇家学会会员。1909年,他回到英国,担任利兹大学教授。

利兹与光谱仪

1912年,马克斯·冯·劳厄(Max von Laue)证明了晶体会将X射线衍射成具有特征性的斑点图案——这一结果同时证明了X射线具有波的特性,并表明晶体是由规则的晶格构成的。劳厄发现了一种现象,但当时还没有人掌握研究方法。

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布拉格提供了方法的一半,他的长子提供了另一半。当时还是剑桥大学年轻人的劳伦斯,推导出了现在被称为“布拉格定律”的关系式:一个将X射线波长、晶体中原子平面间距以及射线反射角度联系起来的方程。通过重排该方程,可以进行反向推导——测量角度,已知波长,从而计算出原子的位置。

威廉·亨利·布拉格制造了使这一方法具有实用价值的仪器。他的X射线光谱仪使得晶面反射能够被系统且精确地测量,而无需依靠摄影和猜测。利用该仪器,父子俩开始解析真实物质的原子结构,从简单的盐类和小分子开始。他们共同将一种好奇心转化成了一门技术,又将技术转化成了一门科学。1915年,两人共同获得了诺贝尔物理学奖,以表彰他们利用X射线分析晶体结构的贡献。劳伦斯当时二十五岁,直到2014年仍保持着该奖项历史上最年轻得主的纪录。这也是至今唯一一次父子因同一工作共享诺贝尔奖。

1915年对这个家庭来说并非美好的一年。次子罗伯特·布拉格(Robert Bragg)于同年九月在加里波利战役中伤重不治。

皇家研究所

布拉格于1915年转任伦敦大学学院,1923年成为皇家研究所的富勒化学教授(Fullerian Professor),余生都在此领导研究所及其戴维-法拉第实验室。他将皇家研究所建设成为世界领先的晶体学中心之一,他也是一位极具天赋的讲解者——经常在皇家研究所的圣诞讲座上发表演讲,并撰写了针对普通读者的声音与光相关的书籍。他于1920年被封为爵士,1916年获得伦福德奖章(Rumford Medal),1930年获得科普利奖章(Copley Medal),1931年获颁功绩勋章(Order of Merit),并于1935年至1940年担任皇家学会会长。

为什么威廉被称为天才

诚实的叙述必须从功劳归属问题谈起,因为这个问题已经伴随布拉格这个名字一个世纪了。定律是劳伦斯的。他的父亲当时在给《自然》杂志的信中明确表示,是他的儿子提出了这一理论,使得计算任何晶体和板排列的斑点位置成为可能。劳伦斯在晚年也曾说:“有时人们说我和父亲一起开启了X射线分析,但事实并非如此。”然而,世界还是将功劳归于年长且更出名的父亲——劳伦斯被排除在1913年他父亲参加的索尔维会议之外;1915年卢瑟福(Rutherford)在评论他们共同获得的巴纳德奖章时对威廉说:“你的孩子得到这些荣誉还太早了。”威廉本人也观察到,人们往往会在应该归功于他儿子的时候把功劳先给他。劳伦斯后来开始使用中间名以避免这种混淆。

因此,威廉·亨利·布拉格的成就不能仅基于理论。它基于仪器设计和判断力。X射线光谱仪是晶体学成为一门工作学科而非仅是展示现象的原因:这是一个足够精确的装置,可以将衍射图案转换为可靠的测量数据,由一位具备数学家天赋和实验家动手能力的博学之人设计。此外还有他的品格——一个在二十三岁时自学了整门学科,在四十一岁开始原创研究,然后在名声鼎沸时,花费精力公开坚持认为核心思想属于他儿子的人。这不是通常意义上的才华。这是一种更稀有的品质。

遗产

布拉格于1942年3月12日在伦敦因心脏衰竭去世,享年七十九岁。他和劳伦斯创立的方法后来被用于确定金属、矿物质、维生素、蛋白质以及1953年DNA中原子的排列结构——这些工作是在布拉格父子塑造的机构中完成的,研究人员使用的是他在利兹制造的光谱仪的后代设备。X射线晶体学带来的诺贝尔奖数量超过了物理科学中几乎任何其他单一技术。我们对分子世界形状的大部分了解,都是通过那个坎布里亚农场男孩在四十多岁时开始构建的方法,从晶体中解读出来的。

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