程民治王向賢

（巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系，安徽巢湖238000）

亨利·布拉格父子：為諾貝爾獎頒獎史刷新了兩項記錄

程民治王向賢

（巢湖學(xué)院物理與電子科學(xué)系，安徽巢湖238000）

本文簡要地介紹了共同摘取1915年度諾貝爾物理學(xué)獎桂冠的亨利?布拉格父子的人生簡歷和卓越的貢獻，并揭示了他們輝煌的科學(xué)人生給人們所帶來的深刻啟示。

布拉格父子；諾貝爾物理學(xué)獎；X射線晶體結(jié)構(gòu)分析；兩項記錄

在百余年諾貝爾物理學(xué)獎所走過的光輝歷程中，曾發(fā)生過幾起父子雙雙同時獲獎或先后得獎的典型案例。其中威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg,以下簡稱W·H·布拉格）及其子威廉·勞倫斯·布拉格（William Lawrence Bragg,以下簡稱W·L·布拉格），就是他們之中的杰出代表。因為布拉格父子同時獲此殊榮在諾貝爾獎頒獎史上創(chuàng)下了兩項記錄：一是父子分享諾貝爾獎的記錄；二是W·L·布拉格的獲獎年齡最輕（按：當(dāng)時年僅25歲）的記錄。這就為諾貝爾獎的頒獎史增添了新的光彩，從而被傳為佳話?，F(xiàn)擬就布拉格父子輝煌而卓越的科學(xué)人生及其給予我們的啟示，作一簡要的論述。

1 父子志同道合的科學(xué)人生

W·H·布拉格（1862～1942）1862年7月2日誕生于英國的威格頓。童年時期他就天資聰穎、喜歡幻想、性格孤僻、不愛交朋友，并體現(xiàn)出極高的數(shù)學(xué)天賦。雖然成人后“他確實擁有與盧瑟福（E·Rutherford）的偉大友誼，但在很長時間里僅僅是一種科學(xué)上的友誼?！盵1]1881年，W·H·布拉格經(jīng)考試獲得劍橋大學(xué)的獎學(xué)金而進入三一學(xué)院。此時的他，仍然保持著對數(shù)學(xué)的濃郁的興趣，如在1884和1885兩年中，他曾連續(xù)獲得了該校數(shù)學(xué)競賽的優(yōu)勝獎。另外，他還具有極高的繪畫、音樂和體育素養(yǎng)、擅長吹奏長笛；參加過個人畫展；酷愛體育運動。其中網(wǎng)球、高爾夫球和曲棍球是他的強項，并宣稱：“我的網(wǎng)球技術(shù)相當(dāng)不錯?！盵1]1885年他從劍橋大學(xué)畢業(yè)后去了澳大利亞，經(jīng)湯姆孫（J.J.Thomson）推薦并通過面試，于次年時齡僅有24歲W·H·布拉格，就被錄用為南澳大利亞阿德萊德大學(xué)的數(shù)學(xué)物理教授。此時，他幾乎一切從零開始，自己制造儀器，邊學(xué)邊教，教學(xué)相長，獲得了巨大的成功，很快就成了一位深得學(xué)生和同事們高度贊賞的優(yōu)秀的教授。誠如數(shù)年后在《南澳大利亞年鑒》中對他所作出的評價：“W· H·布拉格教授在實驗操作中的熟練和成功，他闡發(fā)一門深奧的科學(xué)分支的難點的極其簡明的方法，給他帶來了極大的聲譽?！盵1]在此期間的1903年，他還兼任澳大利亞科學(xué)發(fā)展學(xué)會天文數(shù)理組主席，并于1907年被選為英國皇家學(xué)會會員。返回英國后，他分別于1909—1915年、1915—1923年，先后相繼擔(dān)任了利茲大學(xué)的卡文迪什物理學(xué)教授和倫敦大學(xué)學(xué)院的奎恩講席物理學(xué)教授。1920年封為爵士，1931年獲得功勛獎?wù)隆?923—1942年任皇家研究所教授和所長。1942年3月12日在倫敦逝世，享年80歲。

事實上，W·H·布拉格致力于改變其人生價值的真正意義上的物理學(xué)研究工作，是從他的中年時代（按：40歲）才開始的，這在物理學(xué)史上可謂是一個反常現(xiàn)象。因為他在劍橋大學(xué)讀書時，將其主要精力用于鉆研數(shù)學(xué)，而他所學(xué)到的物理學(xué)知識卻少得非?？蓱z。他說：“我是數(shù)學(xué)物理教授，但我從未學(xué)過物理，除了取得學(xué)位后的兩個學(xué)期，我也沒有在卡文迪什實驗室做過物理實驗。”[1]以至于到了1891年11月他在給朋友的信中，還表示為自己過去在劍橋時未讀過任何電學(xué)方面的書籍而深感慚愧。甚至有一次他還曾談到一件令人十分震驚的怪事，他當(dāng)年做實驗時居然沒有弄清普通的食鹽就是氯化鈉。

盡管如此，才智超群、天性好學(xué)的W·H·布拉格，后來在阿德萊德大學(xué)任教期間，開始將其主要精力投向于科學(xué)研究。他不僅經(jīng)歷了一個含辛茹苦、嘔心瀝血的自我學(xué)習(xí)、自我提高的過程，即幾乎從零開始，對物理專業(yè)知識、物理實驗和科研技術(shù)進行自我充電、自我完善，而且抽時間到設(shè)備制造公司當(dāng)學(xué)徒，學(xué)習(xí)使用車床培養(yǎng)自己動手做實驗儀器的能力。同時還對當(dāng)時歐洲科學(xué)的新進展表示了熱切的關(guān)注，擬就相關(guān)內(nèi)容開設(shè)講座，并竭盡全力地利用他有限的設(shè)備重復(fù)前沿的實驗。如倫琴（W.C.R˙o˙ntgen）發(fā)現(xiàn)X射線的實驗和無線電報實驗。

從1909年到1915年在利茲大學(xué)工作期間，由于家人對利茲的環(huán)境不滿、教學(xué)上遇到的麻煩、與巴克拉（Barkla）教授間學(xué)術(shù)觀點的嚴重分歧（按：W·H·布拉格堅持X射線粒子說，而巴克拉則對X射線的波動性深信不疑）等原因，使W·H·布拉格感到萬分的孤獨和非常的痛苦。正是好友盧瑟福的理解、開導(dǎo)與鼓勵，才使他的心靈得到了莫大的安慰。到了1912年，完全走出了原先的陰影的W·H·布拉格，便與其子W·L·布拉格開始登上了研究X射線晶體學(xué)方面的偉大征程。

在于1914年8月爆發(fā)的第一次世界大戰(zhàn)期間，W·H·布拉格關(guān)于X射線方面的研究被迫陷于停頓。當(dāng)時他與盧瑟福等人一起主要從事關(guān)于戰(zhàn)爭中需要的一些軍事研究和管理工作。他的“研究課題是與測量潛水艇位置有關(guān)的水下聲音的探測與測量。他的這項工作得到了獎賞，……他于1917年被任命為大英帝國騎士團司令官”[2]。戰(zhàn)爭結(jié)束后，他回到倫敦大學(xué)繼續(xù)他的X射線晶體學(xué)的研究。

關(guān)于W·H·布拉格在科學(xué)上的系列貢獻，主要可分為三個時期:

其一，在1912年以前，他主要從事放射現(xiàn)象尤其是對α射線的研究，這在當(dāng)時絕對處于世界領(lǐng)先的地位。1908年10月1日他在致盧瑟福的信中，談到了他在實驗中發(fā)現(xiàn)用α粒子轟擊原子時，出現(xiàn)了“徑跡急轉(zhuǎn)彎”[3]。無疑他的這一前期性工作，對盧瑟福于1911年提出的原子核式模型，有著很大的啟發(fā)作用。W·H·布拉格在這個時期的另一個舉世矚目的貢獻，就是在如上所述的和巴克拉的爭論中，他一如既往地捍衛(wèi)了自己從1904年就認識到的α射線、β射線的粒子性，以及1907年所提出的γ射線的粒子性和后來創(chuàng)立的關(guān)于X射線的粒子性理論。正是在與巴克拉的學(xué)術(shù)交鋒中，使他贏得了“……英語世界首先倡導(dǎo)X射線具有‘量子’特性這一觀點的人”[4]的光榮稱號。同時，W·H·布拉格通過實驗還發(fā)現(xiàn)了射線的穿透力很強，以及關(guān)于它的一些性質(zhì)。更為難能可貴的是到了1912年，他還明確地認識到，問題的關(guān)鍵“不在于（微粒和波動）哪一種理論對，而是要找到一種理論，能夠?qū)煞矫姘畈⑷?。”[5]而這種“布拉格的思想對后來的德布羅意有一定影響?！盵6]

其二，1912年至1914年的研究工作可以說是W·H·布拉格科學(xué)生涯的巔峰期，關(guān)于這個問題我們將在下文中加以論述。

其三，W·H·布拉格在1914年以后的杰出貢獻，主要包括如下幾個方面：

（1）他首次于1915年在皇家學(xué)會的演講中，提出并強調(diào)了傅立葉級數(shù)法在X射線分析中應(yīng)用的巨大優(yōu)越性。在他看來，我們完全能夠運用傅立葉的方法，把那些具有周期性變化性質(zhì)的介質(zhì)，看做是由一系列諧和介質(zhì)所構(gòu)成的復(fù)合物，其中每一種諧和介質(zhì)都賦予介質(zhì)在某一角度進行反射的本領(lǐng)。對于任何一組給定的晶面，我們所獲得的一系列光譜，可以看作可分離諧波項存在的標志。我們甚至還可以認為，從它們的相對強度，能夠發(fā)現(xiàn)原子中的散射中心（電子和核）的實際分布[7]。對此，勞厄（M.von Laue）評論說:“從原子中心出發(fā)通過對電子密度的倫琴照相的傅立葉分析還可以進一步確定在這些金屬以及其他不太復(fù)雜的結(jié)構(gòu)中的電子分布，這是W·H·布拉格在1915年就已知道的?！盵8]而多年后W·H·布拉格則指出：“傅立葉法的出現(xiàn)揭開了X射線分析的新篇章，因為有了這種方法才第一次有可能對有機分子進行分析……”[7]。

（2）W·H·布拉格與其子W·L·布拉格合著出版了《X射線和晶體結(jié)構(gòu)》一書。

（3）W·H·布拉格開始了對有機物結(jié)構(gòu)進行測定，并于1921年公布了他對萘和苯的結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果。尤為重要的是在他的這一學(xué)術(shù)思想的影響下，他的兩個學(xué)生阿斯特伯里（W.T.Astbury）和貝爾納（J.D.Bernal）分別從兩個不同的角度，用X射線對有關(guān)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)進行了探索。前者開創(chuàng)了研究紡織品結(jié)構(gòu)的新領(lǐng)域；后者擴展到對生物大分子結(jié)構(gòu)的研究，并由此形成了分子生物學(xué)中著名的結(jié)構(gòu)學(xué)派。為人類最終破解DNA結(jié)構(gòu)之迷奠定了堅實的基礎(chǔ)。無疑，在闡明20世紀生命科學(xué)的這一最高成果之環(huán)環(huán)相扣的連續(xù)繼承關(guān)系中，W·H·布拉格是一位有著非凡戰(zhàn)略眼光的先驅(qū)者。據(jù)此，阿斯特伯里指出：“布拉格不僅是一位影響深遠的晶體學(xué)家，而且還是一位富有前瞻性的生物學(xué)家，一位分子生物學(xué)家?！盵1]

W·L·布拉格(1890～1971)于1890年3月31日出生在阿德萊德市。由于是出身于書香門第，使他從童年時代起就耳濡目染了父親和外公（按：南澳大利亞天文學(xué)家）的許多科學(xué)活動，甚至數(shù)十載后他到了古稀之年，仍然清楚的記得父親在外公的天文臺安裝地震儀以及他們在南澳大利亞首次架設(shè)馬可尼無線電報機的情景[9]。W·L·布拉格從小就聰明過人，才華出眾。5歲時開始接受小學(xué)教育。6歲那年就知曉了X射線的神奇魔力，因為當(dāng)時他不小心摔壞了胳膊，于是他的父親就利用自己制作的X射線管給他拍攝X射線照片以檢查骨傷，此事使他刻骨銘心，終生難忘。特別是他當(dāng)年在預(yù)科學(xué)校念書時，曾偷偷地旁聽了幾堂高年級的幾何課，便能向同班同學(xué)講解其中的定理，從而顯示出少年時期的W·L·布拉格，就具有極高的空間思維能力和數(shù)學(xué)天賦。他11歲那年，父母將他送入當(dāng)?shù)匾凰忻挠⒏裉m教會學(xué)校圣·彼得公學(xué)就讀，在所學(xué)習(xí)的8門課中，他除了對數(shù)學(xué)充滿著強烈的求知欲外，還特別喜愛化學(xué)課中的實驗?；瘜W(xué)老師經(jīng)常讓他幫助做課堂上的演示實驗，這使他第一次對科學(xué)方法產(chǎn)生了由衷的興趣[9]。課余時間他還經(jīng)常與弟弟一起搞一些小制作，將父親學(xué)校里的技工送給他們的廢舊零件裝配成擦托車和電話機。W·L·布拉格另外兩個課外愛好就是搜集貝殼和酷愛繪畫藝術(shù)，以至于一生都保持著對繪畫濃郁的興趣。

1905年，時齡僅有15歲的W·L·布拉格進入了父親所在的阿德萊德大學(xué)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理學(xué)。當(dāng)時，他的父親正在研究X射線射程問題，經(jīng)常與他談?wù)撚嘘P(guān)的研究情況，這使他耳目一新，在學(xué)生時代就接觸到一些科學(xué)前沿問題。1908年他以優(yōu)等的成績獲得數(shù)學(xué)學(xué)士學(xué)位。恰好在這年他父親被聘為利茲大學(xué)的卡文迪什講座物理學(xué)教授，次年隨父到了英國，考取了艾倫獎學(xué)金進入劍橋大學(xué)三一學(xué)院繼續(xù)學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)，第二年他改學(xué)物理，結(jié)果只用了一年時間就學(xué)完了全部必修的物理學(xué)課程，并于1912年以優(yōu)異的成績通過了自然科學(xué)榮譽學(xué)位考試。此后便轉(zhuǎn)到了卡文迪什實驗室，開始在物理學(xué)的“偉大長者”J·J·湯姆孫爵士的指導(dǎo)下，從事關(guān)于圍繞離子在各種氣體中的遷移率等實際的科學(xué)研究工作。在這里，他學(xué)過金屬車削、自己設(shè)計制作儀器等各種實驗技能。他還經(jīng)常利用假期到他父親所在的利茲大學(xué)的實驗室里工作，在這里有他父親親自安裝的X射線設(shè)備。他通過操作和訓(xùn)練，不僅熟悉了有關(guān)的設(shè)備的各種性能，還幫助父親做過一些實驗。

W·L·布拉格于1914年被選為三一學(xué)院自然科學(xué)研究員和講師，同年榮獲巴納德獎?wù)隆?912年到1914年和父親一起從事研究工作，業(yè)績顯赫，這也正是我們將在下文中專門論及的問題。從1915年到1919年，W·L·布拉格擔(dān)任了法國聲波測繪地圖總局的技術(shù)顧問，1918年獲得大英帝國勛章和軍功十字勛章。1919年至1937年他接替盧瑟福出任了曼徹斯特大學(xué)的蘭沃西講座物理學(xué)教授和物理系主任的職位。1921年剛剛進入而過之年的W·L·布拉格，就被選為皇家學(xué)會會員，1937至1938年任國家物理實驗室主任，這是英國專管計量工作的科學(xué)機構(gòu)。他分別于1938至1953年、1954到1966年，先后相繼擔(dān)任了劍橋大學(xué)卡文迪什實驗室物理學(xué)教授和主任，以及皇家研究所教授和所長，1941年他被封為爵士，并獲劍橋大學(xué)文學(xué)碩士學(xué)位。此外，他曾獲得了很多所著名大學(xué)的榮譽科學(xué)、哲學(xué)和法學(xué)博士學(xué)位，同時，又是美國、法國、荷蘭、比利時等國的科學(xué)院名譽院士，還曾被選為中國物理學(xué)會名譽會員。如此等等，不一而足。1971年7月1日W·L·布拉格在英國的伊普斯威奇的一家醫(yī)院告別了人世，享年81歲。

W·L·布拉格除了下文中即將論及的于1912至1914年間，他與其父合作所獲得的舉世矚目的成就以外，在其他方面的杰出貢獻主要是：首先，他于1919年至1937年在曼徹斯特大學(xué)工作期間，在副校長兼晶體學(xué)教授米爾斯（H.Miers）爵士的支持和老同學(xué)詹姆斯（R.W.James）的協(xié)助下，他很快建立起了X射線晶體學(xué)實驗室。通過X射線結(jié)構(gòu)分析，他不僅發(fā)現(xiàn)了離子化合物中各離子中心間的距離在相當(dāng)高的近似程度上遵守一種相加定律（an additive law）；還在瓦薩斯?jié)杉{（J.A.Wasastjerna）的幫助下獲得了一套離子半徑的數(shù)值，并對X射線反射的強度進行了定量的研究；與此同時W·L·布拉格在曼徹斯特的18年中，先后吸引了77位國內(nèi)外科學(xué)家到他的實驗室從事X射線晶體結(jié)構(gòu)或相關(guān)方面的研究。特別值得一提的是，其中1935至1936年間還有3位中國學(xué)者陸學(xué)善、余端璜和鄭建宣在該實驗室學(xué)習(xí)和工作[10]。并由此形成了在W·L·布拉格領(lǐng)導(dǎo)下的著名的“曼徹斯特學(xué)派”（Manchester Schoo）。正是這個學(xué)派和W·H·布拉格在倫敦的學(xué)派培養(yǎng)出了英國幾乎所有第一代X射線晶體學(xué)家。從1925年起，W·L·布拉格和他的學(xué)派就著手分別對硅酸鹽結(jié)構(gòu)和合金結(jié)構(gòu)進行了X射線分析。其中硅酸鹽結(jié)構(gòu)的研究還將他父親所提出的傅里葉級數(shù)法重新引起了科學(xué)界的普遍關(guān)注，直接導(dǎo)致了二維傅立葉級數(shù)法的首次應(yīng)用。而在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的三維傅立葉級數(shù)法又為下一個階段的生物大分子結(jié)構(gòu)分析提供了有效的手段。在理論研究不斷取得新進展的同時，W·L·布拉格對X射線分析在工業(yè)中的應(yīng)用也日益重視，為此，他在曼徹斯特組織了一系列工業(yè)中的物理學(xué)的研討會，并最終于1937年11月離開曼徹斯特大學(xué)而出任以促進科研成果應(yīng)用于工業(yè)為宗旨的國立物理實驗室的主任。

其次，在第二次世界大戰(zhàn)期間，時任卡文迪什實驗室主任的W·L·布拉格，作為一個科研機構(gòu)的領(lǐng)導(dǎo)、組織與管理者，仍然在極其艱苦的環(huán)境中，完成了不少富有創(chuàng)見性的研究工作。如他提出了一種構(gòu)思新穎的光學(xué)變換方法，其宗旨是用一種物理途徑來替代在晶體結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用傅里葉級數(shù)法所需進行的大量復(fù)雜的計算工作；又如他所創(chuàng)立的金屬結(jié)構(gòu)的泡筏模型（bubble raft model），可以簡單、直觀地研究金屬的塑性流變等問題。二戰(zhàn)結(jié)束后，W·L·布拉格又采取了一系列的措施，為重振卡文迪什實驗室昔日的雄風(fēng)，持之以恒地做了大量艱苦細致的工作，等等。此外，在皇家研究所任職期間，W·L·布拉格又堅持不懈、嘔心瀝血地致力于少兒科學(xué)教育和大眾科學(xué)普及工作。除了在皇家研究所舉辦形式各異的科學(xué)講座之外，他還曾在20世紀50和60年代，和他的同事一起同英國廣播公司（BBC）合作，編制了一系列的為人喜聞樂見的電視科普講座，其內(nèi)容豐富多彩，針對的聽眾有學(xué)生、工業(yè)界人士和政府的公務(wù)員。所有這些令人耳目一新的講座，均受到了各階層人們的普遍關(guān)注和熱烈的歡迎。當(dāng)然，他在全力以赴地投身于社會各界人士的科學(xué)普及工作的同時，還一如既往地領(lǐng)導(dǎo)組織著前沿科學(xué)的研究和探索工作。自從他來到皇家研究所以來，曾先后主持召開了三次索耳未會議。其主題分別為“金屬中的電子”（1954）、“宇宙的結(jié)構(gòu)和演化”（1958）和“場論”（1964）。甚至1966年9月在他退休后，時已76歲的高齡的W·L·布拉格，還以他名譽教授的身份，經(jīng)常到皇家研究所去作演講。

2 父子共同榮獲了諾貝爾獎

1912年，勞厄等發(fā)現(xiàn)了晶體對X射線的衍射作用，并發(fā)表了關(guān)于X射線衍射的論文。按照勞厄的解釋，晶體由空間點陣組成，相當(dāng)于一個三維光柵，因而X射線的晶體衍射現(xiàn)象正好說明了X射線具有波動性。勞厄還提出了一個三維點陣衍射的數(shù)學(xué)理論，并試圖以此來對閃鋅礦即ZnS晶體的衍射圖像進行定量的分析。其中為了與實驗結(jié)果相符合，他專門作了兩個假定：第一，ZnS晶體為簡單的立方晶體；第二，入射的X射線僅包含5種特定的波長。盡管如此，勞厄的定量分析仍然十分不盡人意，尤其是他所作的這兩個假定引起了當(dāng)時科學(xué)界很大的質(zhì)疑。其中當(dāng)然包括W·H·布拉格父子在內(nèi)。

1912年的暑假，W·L·布拉格按照慣例來到了父親所在的利茲大學(xué)實驗室，父子倆便立即圍繞著勞厄等人關(guān)于X射線晶體衍射現(xiàn)象的報告，進行了認真的討論。但W·H·布拉格持有的觀點正好與勞厄相反，他根據(jù)自己此前對α射線，γ射線和X射線等的研究，認為X射線應(yīng)該是一種中性粒子流或帶有異號電荷的偶極子流，于是父子倆想方設(shè)法試圖用X射線的微粒理論來解釋勞厄等人當(dāng)年所拍攝的ZnS晶體的X射線衍射照片。當(dāng)假期臨近結(jié)束時，W·L·布拉格還設(shè)計了一個實驗籍以驗證勞厄圖片上的斑點是不是由沿著晶體中原子間的空隙或“通道”（avenues）射出來的X射線微粒所造成的，但其實驗沒有得出任何肯定而實在的結(jié)果。父子倆最初的這種嘗試，我們完全可以從W·H·布拉格后來即于這一年的10月18日，寫給《Nature》雜志的一封研究通信中得到佐證。

暑假結(jié)束后，初出茅廬的W·L·布拉格回到了劍橋大學(xué)的卡文迪什實驗室，但他還在日以繼夜地思考著勞厄的照片。經(jīng)過他反復(fù)認真而深入的研究發(fā)現(xiàn)，父親的觀點是片面的，最終他開始確信勞厄把衍射圖像的產(chǎn)生，歸結(jié)為一種波的衍射效應(yīng)的推斷是正確的。不過他同時發(fā)現(xiàn)勞厄在分析ZnS晶體的衍射圖像時所作的兩個假定是錯誤的。但問題的最終解決主要來自于兩個方面的探索和研究：一是根據(jù)一個實驗事實，即關(guān)于W·L·布拉格對勞厄圖片上的衍射斑點形狀變化的合理解釋；二是W·L·布拉格深深地受到了幾位物理學(xué)大師的理論的極大啟發(fā)，諸如威爾遜（C.T.R.Wilson）開設(shè)的物理光學(xué)講座，斯托克斯（G.G.StoKes）的X射線理論，巴洛（W.Barlow）和波普（W.J.Pope）關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)的理論。使他果斷地拋棄了勞厄的入射X射線波長為一定的假定，而把它看作是一系列不同波長的電磁脈沖，并將ZnS晶體看作是面心立方晶體。其所獲取的重大成果集中反映在W·L·布拉格于1912年11月11日向劍橋哲學(xué)學(xué)會所宣讀的題為“晶體對短波長電磁波的衍射”這篇著名的論文中。該論文包括如下三個方面的重大突破:

（1）把衍射斑解釋為入射線在晶體內(nèi)部原子面上的反射；

（2）假定入射線為連續(xù)譜而發(fā)射平面對波長適合面間距的入射線具有選擇作用；

（3）證明了閃鋅礦為面心立方晶體（按：該結(jié)構(gòu)單元是在立方體的每個角上和每個面的中心都有一個點）而非簡單的立方晶體。

此外，在該論文中，W·L·布拉格還首次提出了一個著名的關(guān)系式，即后來人們所稱的布拉格方程：

式中n是一整數(shù)，λ為X射線的波長，d是原子面的間距，θ為射線的掠射角（如下圖所示）。由此，W·L·布拉格成功地解釋了勞厄的實驗事實。

圖：布拉格關(guān)系示意圖

W·L·布拉格的這篇論文很快就在《劍橋哲學(xué)學(xué)會學(xué)報》上發(fā)表，引起了國際物理學(xué)界的廣泛關(guān)注。該論文的重要性，在于它揭示了可以用X射線的晶體衍射來獲得晶體結(jié)構(gòu)的信息。正如W·L·布拉格自己所說：“勞厄是通過假定X射線中存在某些特定的波長來解釋衍射束的強度，而我則是用衍射束的強度來揭示晶體中原子的排列”[11]。

雖然W·L·布拉格肯定X射線是波，而不是粒子，這一結(jié)論正好與他父親所持的觀點相對立。但W·H·布拉格是一位很開明的父親和科學(xué)家，他非但不因為兒子站在他的對立面甚至超過了自己而感到懊惱和不快，相反，他不僅很快修正了自己的觀點，而且建議兒子對這一課題作進一步深入的研究，同時深深地為自己擁有這樣的兒子而倍感自豪和驕傲。為此他還特地給好友盧瑟福寫了一封熱情洋溢的信[6]此外，W·H·布拉格針對自己這種認識上的改變，還在1928年關(guān)于光的本性的討論中，講過一句妙趣橫生、發(fā)人深省的話，其大意是，我們要做的就是在星期一、三、五采用微粒學(xué)說，而在星期二、四、六采用波動學(xué)說。

既然上述方程真實地反應(yīng)了X射線的波長和原子面間距之間的定量關(guān)系，因而它不僅僅是可作為探索晶體結(jié)構(gòu)特征的有力工具，它還可用來測定X射線的波長。于是在1913年，W·H·布拉格制成了第一臺X射線攝譜儀，測定了許多元素的標識X射線的波長。隨后，父子倆又利用這臺儀器測定了金剛石、水晶等許多晶體的結(jié)構(gòu)，并研究出晶體結(jié)構(gòu)分析的方法這一門嶄新的分析技術(shù)，奠定了X射線譜學(xué)及X射線結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)，從而為人類深入研究物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)開辟了可靠的途徑。這方面的例證不勝枚舉。除了在前文中所介紹的在W·H·布拉格這一思想的影響下，他的兩個學(xué)生阿斯特伯里和貝爾納運用這一新技術(shù)取得了兩項重大成果以外。同樣在W·L·布拉格的支持與幫助下，他的很多弟子利用了這一技術(shù)分別對血紅蛋白、脫氧核糖核酸（DNA）結(jié)構(gòu)和肌肉收縮時的滑移機制、金屬位錯理論等進行了深入的研究和探索。這樣一來既使這一技術(shù)日趨成熟和完善，如德拜（P.Debye）等人將其進一步發(fā)展成用晶體粉末來取得X射線的衍射圖樣的更好的分析方法；又為發(fā)展現(xiàn)代金屬理論奠定了基礎(chǔ)；同時還有力地推動了分子生物學(xué)的發(fā)展。

正因為W·H·布拉格和W·L·布拉格因在用X射線分析晶體結(jié)構(gòu)方面所作出的杰出貢獻，父子共同摘取了1915年度的諾貝爾物理學(xué)獎的桂冠。

3 父子共享殊榮給予的啟示

反思W·H·布拉格父子共登諾貝爾獎壇，的確給予了我們不少的啟示和教益。其中包括：

（1）這個獲獎項目不僅體現(xiàn)了創(chuàng)新是科學(xué)的靈魂，而且揭示了科學(xué)創(chuàng)新的一種方法論途徑，即對原有的重大發(fā)現(xiàn)、重要成果等內(nèi)在的不和諧、不自洽之處，進行持之以恒的深入而系統(tǒng)的探索，就一定能獲得巨大的突破性進展。我們知道，W·H·布拉格父子的獲獎項目，是立足于勞厄等人的重大發(fā)現(xiàn)——關(guān)于X射線晶體衍射現(xiàn)象的報告基礎(chǔ)上的。雖然勞厄等人捷足先登，但W·H·布拉格父子在做深做透方面，尤其是W·L·布拉格敏銳的科學(xué)洞察力明顯超越了前者，其最終結(jié)果卻是后來者啟上。

（2）該獲獎項目還展示了人文主義思想所鑄造的精神力量對W·H·布拉格父子的深刻影響，諸如信念、情感、意志、毅力、自信心和思維方式，等等。其中W·H·布拉格盡管性格內(nèi)向，但正如上文所說，他卻多才多藝，一專多能。并且熱愛生活，具有高度的社會責(zé)任感，如他常說：“他從事這些工作（按：指為教育，工業(yè)和國家事務(wù)工作）的動力是深深的責(zé)任感……”[1]。所有這一切連同他自身所具備的出色而敏銳的科學(xué)洞察力，使他在起點比較低、客觀條件比較差，又適逢兩次世界大戰(zhàn)的情況下，能永葆科研旺盛的激情和活力，不斷捕捉科研前沿陣地新的契機并作出了顯赫的貢獻。而對W·L·布拉格來說，由于他既是一位文學(xué)碩士，又是一位業(yè)余畫家，從而使他的科學(xué)研究近乎如同一種藝術(shù)活動。他的學(xué)生佩魯茨（M.F.Perutz）對此曾做了恰如其分的總結(jié)，佩魯茨說：“他從事科學(xué)研究的方法也是一種藝術(shù)的方法。他喜歡用簡單的模型來揭示科學(xué)概念，例如，用肥皂泡筏說明金屬的形變，用一種稱作X射線顯微鏡的光學(xué)儀器把觀察到的X射線衍射圖形轉(zhuǎn)變稱一幅結(jié)構(gòu)圖像；用蠅眼借助于可見光模擬X射線衍射及用一把釘有螺旋狀排列起來的釘子的掃帚柄作為螺旋狀多肽鏈的模型。正是這種富有藝術(shù)和想象力的眼光才是他把X射線衍射簡單地看作是來自一組平行的點陣平面的反射，而不是象馮·勞厄那樣同時列出具有三個式子的數(shù)學(xué)方程組。”[2]因此，W·L·布拉格把斯諾（C.P.Snow）關(guān)于自然科學(xué)與人文科學(xué)的兩種文化和諧而有機地統(tǒng)一了起來。通過對W·H·布拉格父子這兩位創(chuàng)新型人才的成長經(jīng)歷的透析，深刻地揭示了自然科學(xué)與人文科學(xué)彼此之間的互動與互補。正是通過這兩大科學(xué)門類之間的互動與互補，有利于他們形成正確的人生追求、完備的知識基礎(chǔ)、優(yōu)秀的思維品質(zhì)、健康的生活方式、和諧的個人同外界的關(guān)系。

（3）W·H·布拉格父子再用X射線分析晶體結(jié)構(gòu)方面所取得的這一偉大成就，還體現(xiàn)了他們各自發(fā)揮自己的潛質(zhì)和優(yōu)勢、切磋琢磨、相互合作、不落窠臼、求真務(wù)實的科研風(fēng)格與科學(xué)精神。作為父親的W·H·布拉格，擅長動手，勇于克服偏見和修正錯誤，而作為兒子的W·L·布拉格，則善于動腦，兒子所獲取的理論成果，正是通過父親所做的一系列有獨創(chuàng)性的實驗付諸于實踐的。兩者和諧統(tǒng)一，配合默契，相得益彰。

雖然W·H·布拉格父子早已謝世，但他們那種堅持真理、勇于探索、忘我地獻身于科學(xué)的高尚情操和偉大精神，卻永遠值得我們學(xué)習(xí)和借鑒；他們所開創(chuàng)的探覓物質(zhì)世界奧妙的有效工具——將X射線用于分析晶體結(jié)構(gòu)的方法，將流芳百世；他們的光輝名字將與日月同輝，永載史冊。

[1]Caroe G M.William Henry Bragg,1862-1942:Man and Scientist[M].London:Cambridge University Press,1948.

[2]郭奕玲、沈慧君.諾貝爾物理學(xué)獎一百年[M].上海：上?？茖W(xué)普及出版社，2002.

[3]閻康年.盧瑟福與現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻出版社，1987.

[4]Forman P.Dictionary of scientific biography[M].Charles Coulston Gillispie ed.Charles Scribne’s Sons,1973.

[5]Bragg W H.X-rays and Crystals[J].Nature,1912,90:360.

[6]郭奕玲、沈惠君.物理學(xué)史[M].北京：清華大學(xué)出版社，1993.

[7]布拉格WL.X射線分析的發(fā)展[M].楊潤殷譯.北京：科學(xué)出版社，1988.

[8][德]勞厄MV.物理學(xué)史[M].范岱年等譯.北京：商務(wù)印書館，1978.

[9]W.L.Bragg,Personal Reminiscences,in Fifty Years of X-ray Diffraction,N.V.A.Oosthoek’s Uitge—versmaatschappij,1962.

[10]W.L.Bragg,Manchester Days,Acta Cryst,A26(1971).

[11]Sir Lawrence Bragg,The History of X-ray Analysis,Contemporary Physics,1965，6

[12]W.L.Bragg,The Development of X-ray Analysis,G.Bell&Sons,1975.

[13]厚宇德.W·H·布拉格的科學(xué)生涯與科學(xué)貢獻[J].大學(xué)物理，2004，23（9）:50－56.

[14]王建安.最年輕的諾貝爾獎獲得者[J].自然辯證法通訊，1991，13（1）:65－76.

Abstract:W.H.Bragg’s and his son’s life resume and their splendid contribution is introduced briefly,who got Nobel Physics Prize in 1915.The profound revelation of their proud scientific life to us is also shown.

Key words:W.H.Bragg and his Son；Nobel Physics Prize；X-ray crystal structure analyzing；two records

責(zé)任編輯：宏彬

W.H.BRAGG AND HIS SON：SETTING TWO RECORDS FOR THE NOBEL PRIZE AWARDING HISTORY

CHENG Min-zhiWANG Xiang-xian
（Department of Physics and Electronic Science,ChoHu College,Chohu AnHui 238000）

K826.11

A

1672－2868（2010）03－0056－07

2010－03-15

巢湖學(xué)院教授科研啟動基金資助項目，巢湖學(xué)院碩士科研啟動基金

程民治（1945－），男，安徽績溪人。巢湖學(xué)院教授。研究方向：物理學(xué)史、原子物理學(xué)、理論物理和科學(xué)哲學(xué)。