威廉·劳伦斯·布拉格(William Lawrence Bragg,1890年—1971年),3月31日出生。英国物理学家,是著名物理学家威廉·亨利·布拉格的儿子,25岁时就获得诺贝尔奖,是历史上最年轻的诺贝尔物理学奖获奖者。
这个记录在物理界应该很难打破了,因为劳伦斯·布拉格是与老爸老布拉格一起获的,其物理兴趣和实验能力和实验条件肯定有他老爸的肩膀。另外,现代物理理论和物理实验仪器都要花很长的时间才能领会和驾驭。老爸和二十五岁这两个要素都碰在一起,太难了,所以KFC说劳伦斯·布拉格的25岁获奖很难被打破了。
下面转发一篇劳伦斯·布拉格生平的文章,原文信息:王志尹,晓冬,李欣欣. 作为卡文迪什实验室主任的劳伦斯·布拉格. 首都师范大学学报( 自然科学版) , 2011,32(5):11-16. 如涉版权,联系删除.
作为卡文迪什实验室主任的劳伦斯·布拉格
王志,尹晓冬,李欣欣
摘要卡文迪什实验室创立至今经历了从经典物理向现代物理演变的全过程,该实验室的研究方向也几经改变,但其在世界范围内的领先地位却始终没有动摇,这与卡文迪什实验室的领导者有着密不可分的关系.劳伦斯·布拉格作为历史发展中的实验室主任,因其出色的领导才能推动了卡文迪什实验室的发展,作出了堪比前任的成就,他的学术成就与人格魅力也被人们牢记.
卡文迪什实验室是英国剑桥大学的系级物理实验室,从1871年创立至今已有140年的历史.历任卡文迪什实验室主任即卡文迪什教授的是麦克斯韦(James Clerk Maxwell,1831~1879)、瑞利(Lord Rayleigh,1842~1919)、J.J.汤姆逊(Joseph John Thomoson,1856~1940)、卢瑟福(Ernest Rutherford,1871~1937)、劳伦斯·布拉格(William Lawrence Bragg,1890~1971)、莫特(Nevill Francis Mott,1905~1996)、皮帕德(Alfred Brian Pippard,1920~2008)、爱德华(Sam Frederick Edwards,1928~)、弗伦德(Richard Henry Friend,1953~).劳伦斯·布拉格在1938年~1953年期间担任实验室主任,这位兼长哲理和绘画并富有绅士气派的正统式中年物理学家适应了二战后科学新发展和培养人才的模式,无论在科学发现,还是管理体制、发现人才上,都作出了堪比前任的成就.
1. 劳伦斯·布拉格的生平
劳伦斯·布拉格1890年3月31日生于南澳大利亚的阿德莱德.他降生在科学与艺术气氛都很浓厚的家庭里,是家中的长子,有一个弟弟和一个妹妹.父亲亨利·布拉格(Willam Henry Bragg,1862~1942) 23岁就当上了阿德莱德大学物理教授,母亲格温德琳·托德(Gwendoline Todd Bragg,1869~1929)是南澳大利亚天文学家托德爵士(Charles Todd,1826~1910)的女儿.
幼年的劳伦斯·布拉格在一次骑车时被弟弟推倒,左肘严重受伤,医生一度放弃治疗,在其舅舅的帮助下才得到医治.但仍留下了后遗症,以至于40年后他不得不动手术来避免左手瘫痪.劳伦斯·布拉格的父亲很早就开始自制X射线管重复伦琴的实验,劳伦斯·布拉格受伤后,他的父亲就自己动手给儿子拍X光片检查伤势,这也正是劳伦斯·布拉格与X射线的第一次结缘.
劳伦斯·布拉格在出生地的圣彼得堡学院接受早年教育后,1905年进入阿德莱德大学学习,1908年以优等成绩获得数学学士学位.1909年随父去英国,考取了艾伦奖学金进入剑桥大学三一学院,并于1912年在自然科学考试中获得优等成绩.之后他转入卡文迪什实验室,在J.J.汤姆逊指导下从事科学研究工作.
1912年劳厄(Max Theodor Felix Von Laue,1879~1960)关于X射线衍射的论文发表不久,劳伦斯·布拉格就在父亲的启发下对此产生了兴趣,并在11月的《剑桥哲学学会学报》上发表了《晶体对短波长电磁波的衍射》一文.他自1912年至1914年和父亲一起工作,完成了对一系列无机晶体结构的测定,研究成果在1915年以摘要的形式发表.
因利用X射线对晶体结构的研究,时年25岁的劳伦斯·布拉格与父亲分享了1915年的诺贝尔物理学奖,成为历史上最年轻的诺贝尔奖得主.一战期间他被派往法国担任声波测绘地图总局的技术顾问,1918年获得大英帝国勋章和军功十字勋章.
1919年初重返剑桥,成为三一学院的讲师,同年秋前往曼彻斯特大学接替卢瑟福的教席,为了让他能更好地开展工作,曼彻斯特大学为劳伦斯·布拉格专门设立了一个晶体学教授职位.
在卢瑟福的主持下,曼彻斯特大学物理系闻名世界,而一战时,大多数教员都参与到战事之中,只留下少部分人进行教学,劳伦斯·布拉格在一个艰难时刻接手了这项工作.那里的教授们相对年长,并且已经习惯了与卢瑟福打交道,因此起初在那里的日子并不轻松,但是劳伦斯·布拉格渐入佳境,在他的领导下逐渐形成了晶体研究学派,劳伦斯·布拉格在曼彻斯特大学一直呆到1937年.
1937~1938年他出任国家物理实验室主任,尽管那里的研究工作进行得如火如荼,就连时任皇家学院院长的亨利·布拉格也认为那里的工作至关重要,劳伦斯·布拉格对这份工作却并不是很满意.
1938~1953年任剑桥大学卡文迪什实验室主任和卡文迪什教授.
1954~1965年接替父亲的工作,担任伦敦皇家学院院长.
他于1921年当选为皇家学会会员,1941年被封为爵士,1948年至1961年担任第八届至第十二届国际索尔维物理会议的主席.
1971年7月1日逝世于英国的伊普斯威奇,享年81岁.
2. 当选卡文迪什实验室主任
卢瑟福在1937年10月意外去世,之前并未来得及对自己的继任者作出安排,他所领导的卡文迪什实验室陷入群龙无首的状态.事实上,在卢瑟福的晚年,查德威克(James Chadwick,1891~1974)、考克饶夫(John Douglas Cockcroft,1897~1967)、卡皮(PeterLeonidovichKapitza,1894~1978)等一批他最优秀的学生和助手相继离开卡文迪什,随之而来的是不可避免的衰退,加上来自外国的慢慢的变大的竞争,对卡文迪什实验室领导者的选择无疑是个难题.
剑桥一方面邀请时任杰克森教授的阿普(Edward Victor Appleton,1892~ 1965) 担任卡文迪什实验室的执行指导,另一方面深思熟虑卡文迪什实验室主任的人选.卡文迪什实验室内部情况复杂,主任一职又至关重要,劳伦斯·布拉格的父亲劝儿子留在国家物理实验室,不要出任卡文迪什实验室主任,他甚至给自己的儿媳写信,劝她若不能去剑桥的话不要太过失望.
卢瑟福担任主任期间,卡文迪什实验室以人工嬗变、中子的发现、加速器的发明和应用等工作享誉全球.不管在外界,还是卡文迪什实验室内部都有一些人认为该室应该继续在核物理方面发展下去,并认为转变研究方向是对卡文迪什实验室的一个重大打击.但是英国当时的财力已经不允许继续以核物理研究为中心了.
到了1938年3月,剑桥选举团经过一年以来的考虑,认为今后的发展趋势应该与英国国力相适应,逐步向固体物理发展,最终选择了一位年纪尚轻却有颇高资历的固体物理学家———劳伦斯·布拉格.劳伦斯·布拉格是卡文迪什实验室培养出来的,熟悉该室的情况,而他所擅长的晶体物理很有一定的概率会对卡文迪什实验室今后的发展起到极大的作用.
1938年10月,48岁的劳伦斯·布拉格带着妻子和四个孩子来到剑桥,再次接替了卢瑟福的工作.1938年3月5日的《自然》杂志刊登了劳伦斯·布拉格当选卡文迪什实验室主任的消息,高度评价他在一战中的表现以及在国家物理实验室时所表现出的科研水平与领导才能,并称劳伦斯·布拉格的领导能力很适合管理已经异常庞大的卡文迪什实验室.
正如《自然》杂志所分析的,剑桥选举团的这个选择在之后被历史证明是正确的.
3.实验室的管理
与卢瑟福时期相比,劳伦斯·布拉格的任务更加繁重,卡文迪什实验室无论是研究人员还是研究项目都在迅速增加,远远超出了一个人所能有效控制的水平.
在劳伦斯·布拉格看来每个导师所能指导的学生应该在6至10人,超过这个规模效果就不好,理想的研究组应该由6至12位科学家加上一些助手组成,配上一、两个第一流的机械师和能制造普通设备的金工车间.过去一个教授通常指导五六个研究生或访问学者,几乎每天都可以与他们交流,然而由于人员规模的激增,这显然是不大可能了.
到1948年,实验室的研究生和访问学者已接近500人,专职教研人员也有40人左右,大约160项研究在同时展开,如此多的研究生和专职研究人员,使之很难集中在一个研究方向.当时卡文迪什实验室已经存在包括核物理、无线电物理、低温物理、晶体学、金属物理及数学物理等大的研究群体.因此,不大可能像以前一样在一个科学家紧密的领导下开展研究工作,这给了劳伦斯·布拉格很大的压力.
二战爆发后,卡文迪什的青年人奔赴前线、投身到战争中,劳伦斯·布拉格的研究生和助手基本上也参加了战事工作,卡文迪什实验室的研究工作停滞了5年左右,给劳伦斯·布拉格提供了缓冲的时间.他对新时代的工业需求、物理学家的培养方向、大学经济与体制管理等问题进行了系统的思考.
1942年5月28日劳伦斯·布拉格作为主席在物理学会的年会上做了题为《战时与战后的物理学家》的发言,肯定了物理学家在战争中所起的至关重要的作用,对如何根据战时和战后的不同情况调整物理学家的培养方式给予了极大的关注.发言的摘要发表在6月6日的《自然》杂志上.很快在7月18日的《自然》杂志上刊登了劳伦斯·布拉格的《战后的物理学家》,这篇长达六页的文章对英国物理学界的现状做了调查,研究了物理学家以及工业中的物理学,分析了科学研究与管理的方法,表达了对未来的担忧,提出了改进的方法.
30年代,卢瑟福设置了主任助理,以应对工作人员增多,管理工作复杂的情况,并且非正式地将核物理研究分成四个大组,建立了研究强磁场和低温物理的蒙德实验室.二战后,当科学家们重新回到剑桥,为了有效地进行管理,劳伦斯·布拉格把卢瑟福建立的专业组管理制发展成大组系,按照专业建立各大组长负责制,每个大组下设小组,各大组自设实验室和车间,配备组长、研究人员、技术人员、秘书、实验室和金工车间,分别从事不同领域的研究.实验室仍然保留一个大的公用车间,在一些总原则上保持协调并对科研经费总量平衡实施控制.
与一般研究组织不同,该室有实验员和工人隶属研究组的传统,使他们成为研究工作中不可或缺的组成成员,与大家共命运,因而没有被轻视的自卑感,主人翁意识加强,积极性也就比较高.一个实验室主任要管理庞大的科研和教学体系,他就必须把一般工作,特别是行政工作分配给助手去做.卡文迪什实验室要作为一个整体在剑桥和科学界继续存在,就不能采取完全放任自流的管理策略.
劳伦斯·布拉格创造性地建立了类似于直线职能参谋制的实验室秘书行政管理体制,在卡文迪什实验室设立专职秘书,职位相当于副主任,负责实验室的财务预算和支出、房屋和设备分配及其他日常行政事务,并且定期组织由实验室所有人参加的学术和非学术聚会.不久又在各大组设组秘书,负责各自的财务财产管理、邮件文印、安排独立的专业研讨班和报告会等.
到1968年,剑桥大学采纳了这一经验,建立大学秘书体制.实验室的分组标志着多元化的发展趋势在卡文迪什体制化了,秘书管理行政事务的体制更是将劳伦斯·布拉格和各组组长从繁重的事务性工作中解脱出来,使他们可以将主要精力集中于各自的研究工作,从而大幅度的提升了实验室的研究效率,对该室走向多研究方向的大规模化道路创造了良好的条件
1907年,瑞利男爵将其所获得的诺贝尔奖金中的5000英镑捐给卡文迪什实验室,加上J.J.汤姆逊筹集的款项,对实验室进行了整修,并扩建出新的一翼——瑞利翼(the Rayleigh wing).
1936年,汽车界巨子奥斯汀男爵(Herbert Austin,1866~1941)向卡文迪什实验室捐款,扩建出新的实验室——奥斯汀翼(the Austin wing). 这座大楼在卢瑟福任期内就由考克饶夫等人设计好,直到劳伦斯·布拉格上任时才开始动工,过程中由于二战曾一度停止建设,在劳伦斯·布拉格的斡旋下才得以继续,在二战后投入到正常的使用中.
劳伦斯·布拉格曾撰文介绍奥斯汀翼建造的始末,与大楼的使用情况.作为卡文迪什实验室主任的劳伦斯·布拉格曾撰文介绍了卡文迪什实验室在麦克斯韦、瑞利、J.J.汤姆逊时期的一些著名的实验及仪器设备,也曾详细的介绍了卡文迪什实验室收录并整理的前几任卡文迪什实验室主任的书籍、文献、笔记、信件等一些档案的来源和收藏情况.为卡文迪什实验室元老级的工作人员举办退休纪念活动,撰写讣告等.
4. 人才培养与新思想扶持
劳伦斯·布拉格极其善于发现和培养人才,在新思想刚刚萌芽时,就给予鼓励和扶持,因而在该实验室出现了核物理、固体物理、分子生物学和射电天文学等多方向发展的局面.其中分子生物学与射电天文学方面有重大发现,培养了六位诺贝尔奖获得者,表现尤为突出.生物大分子晶体结构分析的研究主要是在布拉格父子对无机化合物小分子晶体结构分析基础上建立起来的.
劳伦斯·布拉格对于贝尔纳(John Desmond Bernal,1901-1971)在1934年拍下的蛋白质晶体X射线照片评价甚高,称之为蛋白质分子结构研究上的先驱性的重要发现.
1938年,贝尔纳到伦敦大学接替布莱克特(Patrick Maynard Stuart Blackett,1897-1974)的物理教授一职,并带走了他的实验室的主要力量,因资金困难只得留下了1936年从奥地利来的博士生皮鲁兹(Max Ferdinand Perutz,1914-2002)一人.
皮鲁兹回忆自己给劳伦斯·布拉格看血红蛋白的X射线照片时,劳伦斯·布拉格露出高兴的情绪,并当即意识到将X射线分析用于细胞大分子的重要性,认为它是将无机物晶体的X射线分析扩大到生命物质的大胆尝试.
劳伦斯·布拉格在很短的时间内申请到了洛克菲勒基金,并指定皮鲁兹为自己的助手.皮鲁兹说劳伦斯·布拉格此举挽救了自己的科学生涯,也使他能够将自己沦为难民的父母接到英国.由于劳伦斯·布拉格的参与和支持,生物大分子的结构分析有了较大的发展,劳伦斯·布拉格和皮鲁兹还在1953年发表了《血红蛋白的结构》Ⅰ和Ⅱ的论文,对它的结构做了分析,并提出简单的球状分子结构模型.而使用X射线分析蛋白质分子的结构为分子生物学提供了重要的条件,也成为了劳伦斯·布拉格今后的主要研究兴趣之一.
二战后,肯德鲁(John Cowdery Kendrew,1917~1997)在贝尔纳的建议下,来到卡文迪什实验室,劳伦斯·布拉格把他推荐给皮鲁兹.肯德鲁善于使用计算机进行研究.皮鲁兹与肯德鲁利用X射线衍射分析方法,研究血红蛋白和肌红蛋白的结构,创立了把重原子引入蛋白质分子的分析方法和应用电子计算机处理衍射数据的方法,既提高了分析的精确度,也大大加快了分析工作的速度.他们在1962年因对蛋白质的研究,分享了当年的诺贝尔化学奖.
当克里克(Francis Harry Compton Crick,1916~2004)在战后来到卡文迪什实验室时,也正是由于劳伦斯·布拉格的帮助,安排他到皮鲁兹手下研究X射线蛋白结晶分析.在50年代初,克里克和沃森(James Dewey Waston,1928~)研究DNA大分子结构时,曾经提出过三、四螺旋结构方案但都失败了,当他们尝试双螺旋结构时,得到劳伦斯·布拉格的鼓励,并为他们绘制结构图形和申请经费,最终导致了划时代性的发现.
沃森与克里克在1953年撰写了《核酸的分子结构———脱氧核糖核酸的结构》一文向《自然》杂志投稿,劳伦斯·布拉格为它写了一封有力的推荐信,这篇论文在1953年4月25日的《自然》杂志上发表后受到了热议,沃森与克里克在之后又发表了三篇关于DNA结构与功能的文章.沃森、克里克、威尔金斯(Maurice Hugh Frederick Wilkins,1916~2004)因发现脱氧核糖核酸(DNA)的双螺旋结构及其对生物遗传信息传递的意义分享了1962年的诺贝尔生理学或医学奖.
劳伦斯·布拉格应沃森的邀请为其在1968年出版的《双螺旋———发现DNA结构的个人经历》撰写了序言,肯定了沃森与克里克的工作以及这本书的科学价值.DNA双螺旋结构的建立后来被誉为二十世纪以来生物学方面最伟大的发现,也被认为是分子生物学诞生的标志.
劳伦斯·布拉格在四十年前创立的X射线晶体分析技术在探索生命本质的工作中也起到了重要的作用.劳伦斯·布拉格在射电天文学的发展初期阶段,所起的作用也是很大的,他对拉特克里夫(John Ashworth Ratcliffe,1902~1987) 十分信赖和支持,让他负责领导射电天文学组.赖尔(Martin Ryle,1918~1984)战时在雷达站工作六年,刚到卡文迪什实验室因专业不对口十分苦恼时,劳伦斯·布拉格支持他研究射电物理,后来他在这方面展现了杰出的才能.
休伊什(Antony Hewish,1924~)战后回到剑桥,开始射电天文学的研究时获得了劳伦斯·布拉格支持.赖尔和休伊什遇到经济困难时,劳伦斯·布拉格一直在谋求赠款,给予了他们积极的支持.特别在利用相转换技术的干涉仪的观测确定射电天体的位置和大小时,他运用自己在用X射线晶体干涉仪测定晶体和生物大分子和原子的排序和位置的确定方法,进行模拟和对比,对于准确确定射电天体的位置和大小提供了重要的帮助,并使他们的工作信心大大加强了.赖尔在后来被任命为皇家天文学家,他和休伊什因在射电天文学方面的开拓性研究分享了1974年的诺贝尔物理学奖.
劳伦斯·布拉格提出的金属结构气泡模型,对了解塑性变形的主要边界的性质很有帮助,这项工作由希尔什(Peter Bernhard Hirsh,1925~)进行具体研究,形成该室著名的晶体变形位错理论.劳伦斯·布拉格还提出用微束X射线的衍射现象研究晶体结构,由于相邻的小晶粒反射的小X射线束不会搭接,可以观察到具有小斑点的图像,可测定比晶粒小的颗粒的大小.
劳伦斯·布拉格认为电子显微镜对于研究分子生物学、生物物理、冶金和金属结构很重要,因而十分重视电子显微镜在卡文迪什实验室的发展.卡文迪什实验室在金属物理、晶体结构分析和电子显微镜方面迅速发展,取得了重要发展.
劳伦斯·布拉格最纯净的乐趣就是看到青年人思想萌芽,能发展为未预见到的范围,并看到他们的工作得到承认.劳伦斯·布拉格注意扶持多学科方向的发展,善于发现有新思路的人才,在他们刚刚显露出有发展前途的萌芽时,就给予知识与经济上的大力支持,甚至做一些辅助工作,使得卡文迪什实验室的研究方向从核物理成功过渡到多研究方向.
5.结语
尽管在英国的历史上,对科学的研究有着很好的传统,用异常简单的方法解决了老问题,开辟了科学研究的新天地,然而仍然存在着瓶颈,限制科学在工业与国家事务中的作用.
劳伦斯·布拉格对英国大学课程设置、学生的科学训练模式、培养人才的规模、学生的就业情况都做了调查,对这样一些问题做了思考,提出了自己的建议,这也引发了对物理学家的教育和培养方式的争论.
劳伦斯·布拉格极其重视对科学家的训练,他认为提高科学工作者的质量才可能正真的保证未来的科技进步,建议在大学课程的学习及今后的就业方向中,根据年轻人所拥有的特质加以正确的引导.
劳伦斯·布拉格是晶体物理实验家,却支持了蛋白质晶体结构、DNA双螺旋结构、射电天文学和金属组织的电镜观测等重大发现,这与劳伦斯·布拉格善于发现人才、培养新思想的萌芽是分不开的.劳伦斯·布拉格被称为是剑桥小科学传统哺育出来的最后一位“绅士”科学家,剑桥旧传统的最后代表人.
劳伦斯·布拉格自感在威望、能力和管理上不如卢瑟福,然而他温和的性格和民主的作风又使得他获得了尊重.在15年的任期内,由于诸事繁忙,劳伦斯·布拉格并没有太多出色的发现,但是他善于发现人才和扶持新观念,建立起组系管理和秘书管理行政事务的体制,在他领导下的卡文迪什实验室取得一系列重大成就,显示了他非凡的领导才能,也为英国乃至世界提供了行之有效的管理模式.
参考文献略