【物理史中的七月】1915年7月:布拉格(William Lawrence Bragg)奉命發展偵測火砲的聲波測距

1915 年 7 月:布拉格(William Lawrence Bragg)奉命發展偵測火砲的聲波測距

文|蕭如珀、楊信男(臺灣大學物理學系)(譯自 APS News,2019 年 7 月)

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布拉格(William Lawrence Bragg)

第一次世界大戰期間,在發展出利用話筒收集大砲射擊的轟隆聲,叫做聲波測距的技術之前,英軍一直很難精確找出敵軍大炮的位置。發展此技術的團隊領導人是一位名叫布拉格(William Lawrence Bragg)的新科諾貝爾獎得主。

1890 年,布拉格出生於澳洲阿得雷德(Adelaide, Australia),年輕時很自然地熱愛科學和數學,因為他父親威廉.亨利.布拉格是阿得雷德大學的物理學家。事實上,當年幼的布拉格從他的三輪車上跌下來摔傷手臂時,他父親利用當時倫琴(Wilhelm Röntgen)才剛發現的 X 射線來照射骨頭傷勢,這是澳洲第一次使用 X 射線作為醫療用途。1908 年,布拉格畢業於阿得雷德大學,當時他們全家正要搬到英格蘭,他父親要到英國里茲大學(the University of Leeds)物理系當講座教授。這使得他能到劍橋大學上研究所,1911 年在物理系以最優異的成績畢業,三年後成為三一學院的研究員。

當時,全球的物理學家都熱衷於研究 X 射線的特質,並探討它們在科學應用方面的潛力。布拉格在河邊散步時得到靈感,對於封‧勞爾(Max von Laue)所做有關 X 射線束從晶體散射的繞射實驗得到深刻的理解。他知道此繞射會受 X 射線束的波長,碰擊晶體的角度,以及晶體原子層與層之間的距離所影響,他用數學來表示,即為布拉格方程。

布拉格父親設計出一個實驗儀器來證實布拉格兒子的方程式,但很可惜的是,父親在此結果的論文中只附帶提及方程式的功勞來自「他的兒子(沒提及名字)」,並未將兒子列為共同作者,這深深地傷害了布拉格。然而,他還是和父親「因他們利用 X 射線分析晶體結構的研究」同獲 1915 年諾貝爾物理獎。直到現在,他都還是最年輕的諾貝爾物理獎得主(他獲獎時 25 歲),而他和他父親的研究為 X 射線結晶學的發展奠下了基礎。

那一年,布拉格和他弟弟羅伯特(Robert)被徵召入伍,在第一次世界大戰中為英軍而戰,但很不幸地,就在布拉格和他父親獲得諾貝爾獎之前,他弟弟於 9 月戰死了。布拉格先在皇家馬兵炮兵(Royal Horse Artillery)服役,但到夏天(7 月 19 日)時,他被調至皇家工兵部隊(Royal Engineers),分派發展聲波測距以確定敵軍大砲位置的任務。之前這方面的嘗試均未成功,部分歸咎於重炮發射頻率很低,話筒無法偵測到。

布拉格和天文學家諾德曼(Charles Nordmann),以及研究如何記錄心跳的醫學研究員布爾(Lucien Bull)合作。他們一起設計出解決的方法:使用對砲彈射擊低頻吸收良好的彈藥箱子來建造話筒,然後將話筒用布包起來,以減少風傳來的噪音。他們還利用一個類「豎琴」電流計來記錄從幾個位於 1 公里範圍內的話筒傳來的訊號。當話筒收集到炮彈的聲音,它們所產生的電流會流經電流計置於磁場的電線,因而產生震動。振動電線的影子會被記錄在連續的膠捲上,可以很快速地沖洗出來,讓敵軍的位置很快地計算出來。

第一次世界大戰後,布拉格任教於曼徹斯特維多利亞大學(the Victoria University of Manchester),取代搬到劍橋的拉塞福(Ernest Rutherford)。他繼續結晶學的研究,專注在無機化合物方面,以避免直接和他父親在有機晶體方面的研究競爭。他和詹姆士(R. W. James)想出計算散射實驗中反射標靶電子數目的方法,讓他們可以確定矽酸鹽以及其他更複雜晶體的結構。1937-1938 年,他短暫擔任泰丁敦地區(Teddington)國家物理實驗室主任,但因為行政事務太繁忙,佔用太多研究時間,所以他不喜歡。

拉塞福過世後,布拉格被選任為劍橋卡文迪西實驗室主任。雖然布拉格主要的聲譽建立在原子物理上,但他也是一位行政長才,成立小規模的研究團隊研究結晶學。他早期的學生包括一位奧地利的難民叫做普魯茲(Max Perutz),使用 X 射線繞射做研究,解開如肌紅素和血紅素等大生物分子的結構。普魯茲因此研究於 1962 年和肯祝(John Kendrew)同獲諾貝爾化學獎。總共已有 28 個諾貝爾獎是使用各種 X 射線分析所做的研究。

第二次世界大戰爆發時,布拉格將重心轉移至金屬的結構,以及軍隊在聲納和聲波測距方面的諮詢。1941 年,就在他父親過世前 1 年,他受封為爵士。他還開始和皇家科學研究所的長期合作,最終於 1953 年繼任他父親為研究所常駐教授,1965-1966 年當所長。1971 年 7 月 1 日,布拉格在他伊普斯威治(Ipswich)的家附近過世,葬於三一學院。

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