威廉·亨利·布拉格

1904 年初，一位在澳大利亚教了十八年书的物理教授要在学会上做一次分组主席演讲。他四十一岁，课讲得好、人缘好、会打高尔夫，却从来没有做过一项自己的研究。为了准备这次演讲，他把放射性与电子方面的新文献通读了一遍，读着读着冒出一个念头——α 粒子那么重，穿过物质时应该几乎走直线，走到能量耗尽为止，所以它应当有一个确定的射程。

这个念头让他在三年内当选皇家学会会员。又过了不到十年，他用自己造的仪器推翻了自己最坚持的一个看法，并因此与儿子分享了诺贝尔奖。

下文把父亲称作老布拉格，儿子劳伦斯称作小布拉格。

一个没学过物理的物理教授

他 1862 年生在英格兰西北坎伯兰郡的一座农庄，不满七岁丧母，由叔父带到莱斯特郡的马基特哈伯勒抚养，后来进了马恩岛的威廉王学院。1884 年，他在剑桥三一学院的数学荣誉考试里考了第三名，自己说「从来没指望过这么高」。

1885 年底的一个早上，他跟着 J.J. 汤姆孙往卡文迪什实验室走，要去听后者的课。汤姆孙随口问起，那年的第一名会不会去申请阿德莱德大学的教职——前任兰姆刚刚辞去。第一名没去，这一问却让他想到自己也许有机会。那天正是报名截止日，他下了课就去电报局发了申请。五十一年后他写信给汤姆孙祝寿，说：「当然，是你那句话把我送到了澳大利亚。」

职位的全称是数学与物理教授。据安德雷德为皇家学会写的讣告，他常说自己当时根本没学过物理，是在去澳大利亚的船上读着法国人 Deschanel 的物理教科书补课的。到了阿德莱德，物理实验室里只有两名学生，教具奇缺，他就到一家仪器厂当学徒，学着自己做。

阿德莱德的生活让这个在剑桥颇为孤僻的年轻人舒展开来。1889 年他娶了南澳邮政总长兼天文台长查尔斯·托德的女儿格温德琳，三个孩子都生在那里：1890 年的长子劳伦斯、次子罗伯特、女儿格温德琳。1895 年，从新西兰去剑桥的卢瑟福途经阿德莱德来访，两人从此成了一辈子的朋友。

伦琴的发现传来后，他与助手在 1896 年 6 月用自制的管子拍出了 X 射线照片——据安德雷德，那是阿德莱德的第一支 X 射线管，可能也是澳洲第一支。最早的受益者之一是六岁的劳伦斯：他摔伤了手肘，父亲用这套简陋的设备给他拍了片子。1899 年他又和岳父做无线电试验，把信号从天文台送到了八公里外的海滩。

但这些都是演示与试验，不是研究。安德雷德写道，到四十一岁时，他积攒了漫长的教学经验和敏锐的批判力，「却还没有产出任何可以称为研究的东西」。

四十一岁的第一篇论文

1904 年 1 月的那次演讲在新西兰但尼丁。当时流行的原子图像，不论是 J.J. 汤姆孙的还是勒纳德的，都是稀疏的强力中心之间夹着大片空旷；电子穿过这样的东西，会被一次次随机地偏折，所以电子束在物质里按指数规律衰减。他想到：α 粒子质量大得多，应该几乎不偏折地一路穿过去，数量基本不变、能量逐渐减少，到某个临界距离后骤然消失。

几个月后有人给了他一点溴化镭。他请学生 Kleeman 当助手，用一块薄薄的空气层做电离室，逐层测 α 粒子沿路径产生的电离。结果正如所料：射程清清楚楚。而且与衰变产物达到平衡的镭给出了四个射程，分别对应镭、氡、镭 A 与镭 C 放出的 α 粒子——正好是卢瑟福的放射性衰变理论所预言的。他们还发现，每个原子对 α 粒子的阻止本领大致与原子量的平方根成正比，这就是方程卡里的第一条规则。

他们测出的电离曲线还有一个特点：α 粒子在射程快到尽头时电离反而最强，随即陡然归零。今天质子与重离子放疗里所说的「布拉格峰」，就是以他命名的这个现象——把剂量集中投在射程末端的肿瘤上。

这些工作他一边做一边写长信寄给远在加拿大麦吉尔大学的卢瑟福。1907 年，由卢瑟福提名，他当选皇家学会会员，距第一篇研究论文不到三年。

披着隐身斗篷的电子

α 粒子之后，他又和学生 Madsen 研究 γ 射线打出的次级电子。实验表明：被打出的电子的速度只取决于 γ 射线的「品质」，与射线强度无关，也与从哪种原子里打出来无关。这很难用一个向四面八方铺开的波来解释——一个铺开的波，怎么能把全部能量交给某一个电子？

他由此认定，X 射线与 γ 射线是粒子：一个电子加上足以抵消其电荷的正电，组成一个不带电的「中性对」，所以不受电场和磁场偏转。用他自己的话说，这是「一个披上了隐身斗篷的电子」。1907 至 1908 年，他与主张 X 射线是波的巴克拉在《自然》上来回写信争论。

回头看，中性对的图像是错的，但他抓住的事实是对的：X 射线确实以一份一份集中的能量与物质交换能量——这正是后来光子图像的核心。1928 年他在皇家研究院为薛定谔的波动力学讲座作开场时说，当年那些实验「虽然是不自觉地，却是在执行爱因斯坦的建议——认真探索微粒假说」。

回到英国

在阿德莱德待了二十二年之后，他明白要继续做研究就得回英国。据 Pietzsch 在诺贝尔奖官网的文章，他在辞职信里写道：「我在这个国家的生活与工作一直格外幸福……促使我寻求改变的理由，只与我工作的性质有关。」1909 年初，他去利兹大学就任卡文迪什物理教授；同年劳伦斯进了剑桥三一学院。

1912 年 6 月，他以前的学生、挪威物理学家 Vegard 从维尔茨堡写信来，详细描述了劳厄的实验：X 射线穿过晶体后，底片上出现一圈排列整齐的斑点。这对「X 射线是粒子」的主张是沉重一击。信到时父子俩正在约克郡海边度假，两人反复讨论这件事。

那年秋天，小布拉格在剑桥想出了把晶体看成一叠反射平面的办法，11 月在剑桥哲学学会宣读。同一个月，老布拉格在《自然》上回应一位认为新实验可以在波动说与微粒说之间作出裁决的同行，写下了页首那段话：X 射线的性质清楚地指向准粒子的理论，光的某些性质也能这样解释——要找的不是二选一，而是一个兼具两者能力的理论。这是在量子力学出现十多年前。

分光计

小布拉格的想法把衍射斑点变成了「反射」，而反射可以用角度来量。老布拉格手里恰好有一件别人没有的武器：他做了八年电离测量，知道怎么驯服电离室。

1913 年初，他在利兹造出了X 射线分光计：晶体装在可以精确转动的台子上，一个电离室沿着圆弧移动，去接收反射的 X 射线，读出它的强度随角度的变化。照相底片只告诉你哪里有斑点，分光计告诉你有多强、在多少度。父子俩合写的第一篇论文《晶体对 X 射线的反射》1913 年发表在《皇家学会会刊》上，用这台仪器量出了 X 射线管靶材发出的特征谱线。

小布拉格后来回忆那段日子：「就像发现了一片新金矿，金块在地上就能捡起来，每个星期都有激动人心的新结果。」知道了岩盐的结构，就能从密度算出晶面间距，用它当尺子量出 X 射线的波长；反过来，有了已知波长，又能去量新晶体。1913 年父子合作解出金刚石：每个碳原子被四个碳原子以四面体包围。到 1914 年战争爆发前，老布拉格又独自或与人合作发表了多篇论文，涉及分光计技术、特征吸收、硫与石英的结构和反射强度，以及方程卡里的那条吸收律。

这台仪器最终证明了他自己多年的主张站不住脚：X 射线能被晶体规则地反射、有确定的波长，它是波。安德雷德在讣告里说，他用多年实验去论证 X 射线是粒子，然后「亲手以决定性的方式证明了 X 射线的波动性」。

1915 年 11 月，诺贝尔物理学奖授予父子二人，「以表彰他们用 X 射线分析晶体结构的贡献」。这是迄今唯一一次父子共享的诺贝尔奖。

两个布拉格，一条定律

功劳怎么分，父子两人的说法与后人的研究并不完全一致。这里把各方材料并列出来。

老布拉格一方的表态。 据 Pietzsch 的文章（所引书信转引自 John Jenkin 2008 年的父子传记），老布拉格 1912 年在给澳大利亚朋友的圣诞信里写道，比利（劳伦斯的小名）「刚刚漂亮地完成了一项工作，解释了新的 X 射线与晶体实验」；在《自然》上他也写明，「我的儿子给出了一种理论」，可以算出斑点在任何摆放下的位置。Pietzsch 认为，老布拉格从未试图否认儿子对这条定律的所有权，反而一直强调它属于儿子。安德雷德的讣告也记下，老布拉格在讲座里提到「我的孩子」做的工作时，语气里满是自豪。

另一方面的记录。 仍据 Pietzsch：1913 年 10 月第二届索尔维会议讨论物质结构，受邀的是父亲，儿子没有受邀，只收到与会者联名寄来的一张贺卡。Jenkin 在 2016 年为小布拉格自传所写的书评中认为，此后「荣誉与演讲邀请都给了威廉，两人各自的与共同的成就从此被普遍误解」，那段时间对劳伦斯来说并不好过。Jenkin 还补了一句：布拉格定律（Bragg’s law）里的「布拉格」毕竟是单数。

两人晚年的话。 1941 年小布拉格受封爵士，父亲在给弟媳的信里写道：「尽管处处小心，人们还是把我们弄混，在本该归功于他的场合把首功给了我；我想他现在已经完全不为这件事烦恼了。」而据 Pietzsch 记述，1965 年小布拉格在斯德哥尔摩为获奖五十周年作演讲时，开场第一句却是：「常有人说，是我父亲和我一起开创了 X 射线分析，其实并非如此。」

两种材料各有出处，读者可以自行比较。能确定的是分工本身：反射的几何图像与定律出自儿子，分光计与电离测量出自父亲，金刚石等结构是两人合作的成果。

大战与潜艇

战争在 1914 年打断了这一切。两个儿子都参了军。1915 年他转任伦敦大学学院 Quain 物理教授，但很快被卷入战时工作：7 月，海军部成立发明与研究委员会，他是创始成员之一，负责水下声音的探测——当时德国潜艇的威胁越来越严重，而潜在水下的潜艇只能靠听。

这一年的 9 月，次子罗伯特在加里波利阵亡；11 月，诺贝尔奖的消息传来。 长子此时正在法国前线研究用声音测定敌方炮位。

1916 年 4 月，他被派到苏格兰阿伯多尔的霍克雷格海军试验站主持研究。据安德雷德，那里「麻烦不断，多半出在海军部内部」。1917 年，海军部在英格兰东岸的哈里奇为他新建了实验室，他带着一小批物理学家在那里改进水听器——一种能分辨声音方向的水下接收器，在反潜战中起了很大作用。1917 年他获授大英帝国司令勋章，1920 年受封爵士。

皇家研究院

战后他回到伦敦大学学院，身边聚起一批年轻人，1921 年起先后有 Shearer、阿斯特伯里、Müller 和一位名叫凯瑟琳·亚德利的姑娘——就是后来的凯瑟琳·朗斯代尔。这一时期他把 X 射线转向了有机晶体：萘及其衍生物的分子，能否在晶体里保持萘环的形状与大小？他的结果让有机化学家很满意。

1919 年，他在皇家研究院讲了一轮面向少年的圣诞讲座《声音的世界》，从「城市里的声音」讲到「乡间的声音」和「战争中的声音」，大获好评。1923 年杜瓦去世，皇家研究院请他接任：富勒化学教授、研究院实验室主任、院务总管，外加戴维-法拉第研究实验室主任——戴维与法拉第工作过的地方。他把 Müller 与 Shearer 从大学学院带了过去，把整个实验室转向晶体结构。

此后近二十年，这里成了世界晶体学的中心之一。据安德雷德列举，早期在这里工作的有贝尔纳、研究石英的 Gibbs、「成为实验室支柱之一」的朗斯代尔、研究金属的 Elam、后来去研究头发与角质蛋白纤维的阿斯特伯里，以及把傅里叶分析用于结构测定的 J.M. Robertson。Müller 在这里造出了一台 50 千瓦、带旋转水冷靶的大型 X 射线发生器，把曝光时间缩短了许多。他本人到了七十多岁还在研究晶体衍射里的「额外斑点」，最后一篇论文在他去世后才发表。

他一共讲过四轮圣诞讲座（1919、1923、1925、1931），每轮都印成了书。

他的学生

伦敦科学博物馆的介绍说：「在威廉·布拉格的十八名研究生中，有十一位是女性。」在那个物理实验室几乎清一色是男性的年代，这个比例很少见。

其中最有名的是凯瑟琳·朗斯代尔。她 1922 年以全年级第一的成绩从伦敦贝德福德女子学院物理系毕业，引起了他的注意，随他从大学学院转到皇家研究院。1929 年她用 X 射线测定了六甲基苯的结构，证明苯环是平的——这是化学家争论了几十年的问题。1945 年她与微生物学家斯蒂芬森成为首批当选皇家学会会员的女性，那已是老布拉格去世三年之后。另一位 Constance Elam（后随夫姓 Tipper）专攻金属，后来以研究钢材脆性断裂闻名。

贝尔纳离开皇家研究院去剑桥后，培养出了多萝西·霍奇金；阿斯特伯里在利兹拍下了最早的 DNA 纤维衍射照片。从他的实验室分出去的枝杈，一直延伸到分子生物学。

皇家学会会长

1935 年，七十三岁的他当选皇家学会会长，任到 1940 年。安德雷德在讣告里并不讳言他的一个弱点：出于好心，他对纳粹德国学术团体的某些「暧昧示好」表示欢迎，把两国之间所谓增进了解的计划当了真。另一方面，皇家研究院的介绍说，他积极帮助逃离法西斯政权的学者在英国找到职位，并在 30 年代末为科学家投入战争的动员做了大量准备。

第二次世界大战开始后，七十七岁的他同时担任皇家学会会长、皇家研究院院长，以及食品政策科学委员会、科学咨询委员会等多个委员会的主席，还给空军训练团的少年写了一本科学入门小书。1940 年卸任会长后，其他事务依然不少。

1942 年 3 月 10 日，他因心脏问题卧床，两天后，3 月 12 日，在伦敦去世，享年七十九岁。安德雷德这样概括他的一生：四十岁以前从未表现出做原创实验的愿望；然后用几年时间做一系列细致的实验去论证 X 射线是粒子；再亲手证明 X 射线是波——「而他的性格里并没有任何矛盾」。