物理群星
劳伦斯·布拉格 肖像

图:诺贝尔基金会,1915 / Wikimedia Commons / 公有领域(现存唯一的自由许可肖像,仅 280 像素宽)

劳伦斯·布拉格

William Lawrence Bragg

1890–1971 · 生于澳大利亚阿德莱德 · 澳大利亚裔英国

凝聚态光学

二十二岁读懂了那些斑点,二十五岁拿诺贝尔奖,然后用四十年把这门手艺交给了生物学

诺贝尔物理学奖 1915 用 X 射线分析晶体结构

1912 年劳厄拍到了 X 射线穿过晶体后的衍射斑点,同时证明了 X 射线是波、晶体内部是周期性排列的原子。那是一个足够拿诺贝尔奖的结果,而劳厄本人并没有读懂那些斑点。

读懂它的是剑桥一个刚满二十二岁的学生。

换一个看法

劳厄用一套复杂的方式解释斑点,假定晶体发出几种特征波长,还要四个指数来标定,算出的结构是错的。

布拉格换了个角度。劳厄想的是穿透:波从原子之间钻过去、彼此干涉。布拉格想的是折返——晶体里的原子排成一层层平整的面,每一层都像一面半透的镜子,把入射波反射回去一小部分。要让相邻两层的回波步调一致,一来一回多走的那段路必须正好是波长的整数倍。同一堆斑点,换个几何图像就变成了一道中学几何题,那条只有一行的公式随即落地。

他还指出了劳厄弄错的地方:斑点不是来自几种特征波长,而是晶体从一段连续的「白色」X 射线谱里各自挑出了满足条件的那一个。这解释了斑点为什么强弱不一。

接下来是父子分工。父亲威廉·亨利·布拉格造出 X 射线分光计,用电离室去量反射的强度,把照相术变成了测量学;儿子负责把强度读成结构。1913 至 1914 年,氯化钠、氯化钾、闪锌矿、萤石、金刚石逐一被解开(这门手艺此后如何铺开,见本站「X 射线晶体学」页)。

一个二十五岁的诺贝尔奖,与一段说不清的署名

1915 年诺贝尔奖颁给父子二人。他二十五岁,一百多年过去仍是最年轻的物理学奖得主。

消息传到他手上时,他在法国的前线。 同一年,他的弟弟在加里波利阵亡。他在军中做的是声测定位——用分布在阵地上的多个麦克风记录炮声到达的时间差,反推敌方炮位。这套方法在西线大规模使用过,本质上和他解晶体结构是同一件事:从一组到达时间反推出一个几何。

署名的事困扰了他一辈子。世人习惯把这项成就笼统地记在「布拉格」名下,而更资深的父亲往往被默认为主角。他晚年不止一次说明,把晶体看成反射平面的那一步是他一个人在 1912 年秋天想出来的。

卡文迪什的第三十年

1938 年他接任卡文迪什实验室主任。这个位置此前坐过麦克斯韦、瑞利、J.J. 汤姆孙和卢瑟福,而他上任时实验室的传统方向是核物理——他却把重心推向了一个当时看来极其冷僻的方向:用 X 射线去解生物大分子。

佩鲁茨从 1937 年就开始琢磨血红蛋白,二十多年拿不出结构,经费一次次面临砍掉。布拉格一次次替他顶住。1958 至 1960 年,肯德鲁与佩鲁茨解出了肌红蛋白与血红蛋白——人类第一次看见一个蛋白质分子长什么样。

1953 年,同在卡文迪什的沃森与克里克搭出了 DNA 双螺旋,关键的衍射证据来自伦敦国王学院富兰克林拍下的照片。是布拉格在几周后的一场会议上向公众宣布了这个结构。

他自己后来说,卡文迪什那些年他最满意的事,是把一件物理学的工具交到了生物学手里。

代表方程

布拉格定律

nλ=2dsin⁡θn\lambda = 2d\sin\theta

把晶体看成一叠原子平面,X 射线在相邻两层上反射,光程差是 2d·sinθ。只有当它等于波长的整数倍时反射才互相加强。于是从斑点的角度可以直接反推出原子平面之间的距离。

伟大发现