父子科学家的诺奖纠葛

威廉・亨利・布拉格与威廉・劳伦斯・布拉格（右），图源：诺贝尔官网

潘展| 翻译

劳伦斯・布拉格（William Lawrence Bragg）是史上最年轻的诺贝尔奖得主，但身为父子科研搭档中的儿子，多年间，他在X射线晶体学领域奠基性的贡献始终没能获得完全公正的认可。

年仅25岁便斩获诺贝尔奖，这件事是喜忧参半的。尤其当与他同台领奖的，不只是一位功成名就的知名科学家，更是他的父亲。诺贝尔奖固然能带来至高声望，年纪轻轻便登顶诺奖更是罕见荣光，但世人难免会暗自比较父子二人的科研分量，流言四起，纷纷揣测他的成功是否沾了家族裙带的光。

威廉・劳伦斯・布拉格（William Lawrence Bragg）与父亲威廉・亨利・布拉格（William Henry Bragg）共同获得1915年诺贝尔物理学奖，以表彰二人“借助 X射线解析晶体结构的杰出贡献”，而这段经历恰恰印证了上述非议。小布拉格刻意只让别人称呼自己“劳伦斯”，而非全名威廉，只为和父亲威廉区分开，不想让人混淆二人的成果。

事实上老布拉格从未试图抢夺儿子的功劳，恰恰相反，他始终强调，是劳伦斯推导出了奠定X射线晶体学这门全新学科的布拉格定律。正是依靠劳伦斯提出的方程，研究者得以将X射线穿透晶体，通过观测反射形成的点阵图样，判定晶体内部结构。

布拉格父子双人正式合影（1924 年），图源：诺贝尔官网

一切缘起于1912年6月26日，老布拉格从前的学生、挪威物理学家拉尔斯・韦加德（Lars Vegard）从维尔茨堡寄来一封信。信中详尽记录了马克斯・冯・劳厄（Max von Laue）的最新发现：X射线能够在晶体中发生衍射。收到信件时，威廉正和劳伦斯在英格兰北部约克郡海岸的克劳顿度假，父子二人就此深入探讨了劳厄实验的全部细节。

1909年，布拉格一家刚从澳大利亚迁回英国。彼时威廉受聘为利兹大学卡文迪许物理学教授。同年，劳伦斯进入剑桥大学三一学院攻读物理。对劳伦斯而言，英国是全然陌生的环境。他生于澳大利亚、长于澳大利亚。而原籍英格兰坎布里亚郡的威廉，早在1885年就加入了阿德莱德大学物理系。威廉一手将仅有两名实验学生的物理系，发展到百余人的规模。当他前往利兹任教时，全校师生都对他寄予厚望，学生们甚至编了一段顺口溜传唱：且敬布拉格教授，自南半球扬帆而来，令学院物理系声名大振，惊艳四方。

两代布拉格全家合影，图源：Bridgeman Images

威廉离开他深爱的澳大利亚时，心情五味杂陈。在阿德莱德任教期间，他是一名出色的教师，将经典物理与前沿新发现融会贯通。但直到1904 年，受皮埃尔・居里（Pierre Curie）与玛丽・居里（Marie Curie）发现镭与放射性的启发，威廉才正式开启自己的独立研究。他在电离现象（辐射剥离原子内层电子的过程）领域取得多项重要成果，还与该领域先驱欧内斯特・卢瑟福（Ernest Rutherford）长期通信，交流研究进展。

凭借相关研究，威廉于1907年当选英国皇家学会院士。但他也面临一个困境：若想继续深耕科研，就必须辞去他任职近25年的阿德莱德大学教职，重返英国本土。他在校董会的信中写道：“我在这片土地的生活与研究都无比顺遂，想要换个环境，纯粹是出于科研事业发展的考量。”

青年老布拉格（阿德莱德任教时期），图源：阿德莱德历史馆藏

威廉信中提及的研究方向，彼时已经发生转向。当时科学界对神秘的 X 射线本质争论不休，自威廉・伦琴（Wilhelm Röntgen）发现 X 射线后，这一谜题始终悬而未决。威廉坚定支持X射线的粒子学说，一边设计实验佐证该观点，一边在《自然》期刊上与查尔斯・巴克拉（Charles Barkla）等持波动说的学者激烈论战。

因此，韦加德那封描述劳厄实验的信，对威廉而言不啻晴天霹雳——实验结果看似彻底推翻了他的粒子理论。韦加德在信中写道，劳厄将X射线打穿晶体后，“主光束周围出现大量清晰、排布规整的次级射线束”。简单来说，劳厄观测到了点阵衍射光斑，原理类似可见光透过小孔、光栅产生衍射。劳厄的解释是：晶体内部规整的原子点阵间距，恰好与X射线波长处于同一量级，满足衍射发生条件。劳厄的实验结果只有一种解读：X射线是波。

中年劳伦斯，图源：美国物理研究所

劳伦斯第一反应是维护父亲的观点，但他很快意识到劳厄的解释站得住脚。可劳厄没能进一步细化阐释这一衍射现象的成因。劳伦斯后来回忆，解开衍射光斑形成机理，是属于他的天赐良机。

当时劳伦斯刚在剑桥开启研究生第一年，他搁置所有原有课题，全身心投入衍射问题。此前本科考试刚考完光学、晶体与波动理论，相关知识在他脑海中记忆犹新，韦加德信里的描述也始终萦绕心头。某天，灵感突如其来，劳伦斯后来写道：“原本零散割裂的知识点突然串联，催生了全新思路。我清晰记得剑桥河畔那处地点，一个念头瞬间涌上脑海：劳厄观测到的光斑，源自X射线脉冲在晶体原子层上的反射。”

这个构想简洁却极具巧思。劳厄的发现问世后，科学界已知晶体是原子规则重复排布形成的三维点阵。但劳伦斯换了一种视角，将点阵拆解为一层层堆叠的原子平面，每一层原子面都如同镜面。X射线穿透晶体形成复杂点阵光斑，本质是多重反射叠加：一部分X射线在第一层原子面反射，一部分在第二层，还有一部分在第三层，层层叠加形成最终图样。

劳伦斯与妻子爱丽丝户外合影，图源：美国物理研究所

依托这一突破性思路，劳伦斯推导出著名的布拉格方程，建立起三者关联：X 射线波长 λ、晶体相邻原子面间距d、X射线入射原子面的夹角θ，公式写作：nλ = 2d sinθ，其中n为整数（衍射级数）。

1912年11月11日，威廉・劳伦斯向剑桥哲学会汇报了自己的研究成果。父亲为儿子的突破倍感骄傲，在当年圣诞给澳大利亚友人的信中写道：“比利（劳伦斯昵称）如今在剑桥授课、做实验演示，刚完成一项极为出色的工作，完美解释了 X射线与晶体的全新实验现象。”彼时《自然》仍是X射线本质论战的核心阵地，威廉在投稿中向读者引荐儿子的论文：“吾子提出一套理论，可计算任意晶体、任意底片摆放角度下衍射光斑的位置。”

此后两年，父子二人展开一段成果丰硕的合作。劳伦斯提出反射模型后，威廉搭建出全球首台X射线分光仪，专门观测晶体对 X 射线的反射信号。二人联手解析多种晶体结构（例如食盐晶体），同时研究不同元素发射的X射线光谱。劳伦斯回忆道：“那段时光无比美妙，如同发现一座全新金矿，遍地都是科研宝藏，每周都能收获激动人心的新结果。”

晚年劳伦斯，图源：美国物理研究所

解析金刚石晶体结构，是二人合作最辉煌的成就。他们将整套研究成果整理为论文《晶体对X射线的反射》，刊发于《英国皇家学会会刊》。劳厄因X射线衍射发现斩获诺贝尔物理学奖一年后，布拉格父子一同获颁该奖项，以表彰二人“借助X射线解析晶体结构的贡献”。

即便成果斐然，劳伦斯在学界始终得不到足够重视。布拉格定律发表不久，1913 年10月，第二届索尔维“物质结构”国际会议在布鲁塞尔举办，威廉受邀参会，劳伦斯却不在邀请名单之列。但会议结束后，居里夫人（Marie Curie）、阿尔伯特・爱因斯坦（Albert Einstein）、冯・劳厄（Max von Laue）、亨德里克・洛伦兹（Hendrik Lorentz）、卢瑟福（Ernest Rutherford）等一众顶尖参会学者联名给他寄来一张明信片，祝贺他“推动自然科学大步向前”。1915年春，父子二人同获巴纳德奖章，卢瑟福专门写信给威廉感慨：“你的孩子年纪轻轻就拿下这么多荣誉，实在太早了。”

劳伦斯出席（中排左三）1927 年第五届索尔维会议集体照，图源：诺贝尔官网

1941年，劳伦斯受封爵士，距离父亲获封爵士恰好过去二十年。老布拉格本以为，这份荣誉能彻底厘清二人的功劳归属。离世前一年，威廉在写给嫂子的信中说道：“我由衷为他高兴。尽管大家总把我们弄混，时常把本该属于他的成就安在我头上，但我看他如今早已不在意这件事，往后也不必再为此烦心。”

即便如此，劳伦斯始终希望厘清布拉格方程的真正提出者。1937年，他接替卢瑟福出任剑桥卡文迪许实验物理学教授。在任期间，他大力推动X射线晶体学在分子生物学领域的应用，最终硕果累累。1962年，他麾下四名卡文迪许实验室研究员一同斩获诺贝尔奖 —— 约翰・肯德鲁（John Kendrew）、马克斯・佩鲁茨（Max Perutz）、弗朗西斯・克里克（Francis Crick）与詹姆斯・沃森（James Watson）。马克斯・佩鲁茨在劳伦斯逝世后撰文，称他是一位“科学之父”：“如今总有人愤世嫉俗，说科学家做研究只为名利，可布拉格早已坐拥诺奖、衣食无忧，仍埋头攻克艰深难题。”

劳伦斯・布拉格也是迄今为止，唯一一位回到斯德哥尔摩举办诺奖五十周年特邀讲座的诺奖得主，1965年他完成这场演讲——这份父亲未曾获得的殊荣。开场时他便主动厘清科研功劳归属：“常有人说，我与父亲一同开创了X射线分析领域，但事实并非如此。”

https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1915/perspectives/

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