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四面体 当鲍林回来的时候，加州理工学院呈现出一派欣欣向荣的景象。在密立根生气勃勃的领导下，学生人数在1927年秋天增加到600多，其中包括100名研究生。加州理工学院物理系一年发表的论文数超过全国任何别的学院。海耳正在洽谈一笔巨大的捐款，打算在威尔逊山顶上建造一架世界上最大的望远镜。地质学系刚刚成立，航空实验室也处于图纸设计的阶段。更为重要的是，据刚透露的消息称，全国最著名的遗传学家摩尔根①来此建立一个生物学系。生物学与物理学和化学一起，将成为加州理工学院的三驾马车，而摩尔根——他确定基因的位置在染色体上，同时也使他的实验对象果蝇风光了起来——正是再恰当不过的领导。他是一位顶尖高手，具有良好的社会关系，享有大笔的资助。他是在哥伦比亚大学被加州理工学院典型的做法吸引过来的。他将有自己的实验楼，有充足的研究基金。他在1928年的到来立刻使加州理工学院成为全国生物学领域的重要力量。 ①摩尔根（Thomas Hunt Morgan，1866—1945），美国遗传学家、胚胎学家，因创立遗传的染色体学说获1933年诺贝尔医学奖。 鲍林、爱娃和小莱纳斯租了南威尔逊大街320号的一所小房子，离校园两条街，在那里他准备开始自己作为教授的第一年正式的教学生涯。但是他并没有保留在慕尼黑时诺伊斯写信告诉他的理论化学和数学物理学助理教授这一豪华的封号。“数学物理学”这一部分被删掉了。鲍林回忆说：“我不知道物理出了什么事。也许密立根反对我脚踩两条船，也许诺伊斯……决定不让我和物理系发生任何关系，惟恐我会改行。我无所谓。”可能并不是巧合，他最终的头衔，理论化学助理教授，和诺伊斯在麻省理工学院多年里的头衔一样。 由于这金森已经转到别的领域，鲍林接管了理工学院Ｘ射线实验室。他的第一个办公室设在Ｘ射线实验室一角，只有一张桌子，在那里他可以直接监督他的第一个正式研究生的活动。他是一个来自得克萨斯的勤奋的青年化学家，名叫霍尔姆斯·斯特迪文特。鲍林开始准备他作为助理教授的第一门课程——“波动力学及其在化学上的应用”——他自己动手写了250页笔记。后来他把这些笔记改写成了一本书。 他把剩余的精力投入了自己的科研工作。和他通常的做法一样，他的大脑同时思考着几个问题。在离开欧洲前，鲍林和戈尔德施米特商议好，把他的德语博士论文翻译并扩充成一本关于光谱学的专着。这两位青年理论家通过书信完成了这本书，戈尔德施米特写了一些章节；鲍林写了另一些章节并负责最后的编辑工作。《线状谱的构造》一书在1930年出版。这是鲍林的第一本专着，但是已经明显地带有他无法遏制的自信：至少有一个评论家抱怨说，著者斩钉截铁的语气使人觉得在线状谱方面已经没有什么新的东西可以学习了。其他的评论都持肯定的态度，这本书取得了一定程度的成功。 不过，与戈尔德施米特的合作纯粹是物理学上的研究，这使人对鲍林在加州理工学院的位置产生了疑问。在书出版之后，鲍林在化学系开设了基于这本书的一门课，但是只上了一次就被诺伊斯取消了。他告诉鲍林，密立根对在不对口的院系中开设物理课程很不满意，但是鲍林后来猜测是诺伊斯自己作出了决定，目的是让他专攻化学。 这一事件表明了诺伊斯内心的忧虑。鲍林的兴趣广泛，也许过于广泛了，包括理论物理。这没有什么不对——诺伊斯送他去欧洲的本意就是让他去学习新物理——但是现在他的计划是让鲍林把学到的知识运用到化学上去，而不是改行去研究物理。 在从欧洲回来的前几个月中，鲍林一门心思钻研纯理论物理。量子力学令他着迷，而索末菲教给他的工具足以让他在这一领域内出人头地，特别是在美国，量子物理学家寥若晨星。另一方面，他看着诸如海森伯、泡利和狄拉克之类的科学家，用他们令人眩目的数学和哲学才华作出了重大的科学发现，令他望尘莫及。实际上，鲍林对这一竞争感到畏惧，这也许是他一生中唯一的一次。 他需要获得突破，而他意识到突破口在新物理和化学的交界地带。如果说美国的量子物理学家还只是凤毛麟角的话，那么在20年代末在美国能够把量子力学应用到化学上的科学家更是屈指可数了，而且他们之间的多数人是对化学抱有兴趣的物理学家。而鲍林是独树一帜的，他受的训练和世界观是化学家的，而同时又有渊博的数学和物理学知识。量子力学开辟了一个新天地，其在化学领域的应用也展现了一个巨大的新空间，特别是有关化学键的问题。这儿的大门敞开着，全部的宝藏等待有识之士来发掘，来扬名。鲍林回忆说：“我认为有可能把工作做得更为出色一些，但是不知从何下手。我预感到我可能在这一领域作出一番事业，而且可能性相当大，值得我为之去奋斗。”在回到加州理工学院几个月后，鲍林在给一个同事的信中写道：“我确信我不该被理论物理学的鬼火所迷惑。”化学才是属于他的，但这是一种被新的物理学改造过的新化学。 一旦确定了重点，鲍林的工作进展神速。例如，在化学键的问题上，他认为还有很多工作没有做。鲍林觉得海特勒和伦敦在氢分子共振上的突破只是迈出了第一步，而他俩关于更为复杂的分子的尝试尚不能令人满意。他们毕竟都是物理学家，而不是化学家，所以不能指望他们把能量交换的概念与他们一无所知的浩如烟海的化学现象联系起来。尽管他俩先于鲍林成功地运用量子力学来解决化学键的问题，但是鲍林仍然有很大的余地来充实和修饰他们的创新思想。 他做的第一件事情是为《化学评论》准备一篇长文。该文介绍了海特勒和伦敦在单电子氢分子离子化学键问题上的研究工作，并加入了自己的一些观点。对大多数化学家而言，这是他们首次看到量子力学在自己领域中的应用，也标志着鲍林以量子化学家这一新的角色登上了美国科学舞台。 然后，他作了一次勇敢的飞跃。在1928年春天他给《国家科学院学报》写了一篇注记，文中把海特勒和伦敦关于化学键的理论称作“简单的理论”，并说它“在简单的情况下与路易斯共享电子对的成功理论完全等效”，并没有什么新鲜内容。在文章的结尾，他用整整一段的篇幅，宣称自己已经取得很大的进展。他说，他的计算表明，量子力学可以解释碳的四面体结构。 这一下子引起了读者的注意。碳是一个被深入研究的元素，也是全部有机化学的关键。碳原子串起了蛋白质、脂肪和淀粉的主干——生命系统的主要组成部分。碳化学就是生命的化学。 但是，物理学家和化学家在碳电子的结构上难以取得一致意见。大家知道，每一个碳原子总共带有六个电子，而开始的两个电子与成键无关，因为它们结成对，可以重新生成氦的含有两个电子的内层电子结构。在理论上，剩余的四个电子应该处在下一能级，也就是所谓的原子第二层。化学家都知道，碳为别的原子提供四个化学键，而且在自然界中，这些化学键保持几乎相同的长短和强度，并处在一个三面的金字塔或者说是四面体的四个角上。 但是，物理学家说，这种情况不可能发生。最近的光谱研究显示，碳的四个成键的电子处于两个不同的能级或亚层中。两个低层的电子彼此成对，这样就只有两个电子能够与别的原子成键。物理学家说，碳的原子价应该是2。而实际上这种情况极少：比如说，一氧化碳，碳与一个氧原子组成了双键。 协调物理学家的碳原子和化学家的碳原子是一巨大的挑战，而鲍林决心迎接这一挑战。物理学家的光谱结果不容质疑，而化学家的四面体同样证据确凿。两大阵营都应该是正确的。 在他1928年的注记中，鲍林基于海特勒和伦敦的能量交换说提出了一种解释。每次形成一个新的化学键时，都要涉及新的能量交换。他写道，形成四个四面体化学键所产生的能量交换足以打破物理学家亚层中的四个成对电子，并使它们组成新的形式。 这是一种令人振奋的思想，但是需要有相当的数学来支持。鲍林在那个注记中没有详述，只是说：“有关这里提及的材料的详细说明将送交《美国化学学会学报》发表。”然后，他把自己的注记复写了一份送给路易斯，并附上一封信说：“我很高兴，新的原子模型重现了路易斯原子和玻尔原子的鲜明特点。” 鲍林的“详细说明”过了几乎三年才与读者见面。1928年，他进行了许多复杂的运算，至少初步能让他确信自己的想法是正确的，但是他说：“运算太复杂了，我担心人们不会相信，而且我也可能不相信。……谁都可以看到，量子力学必将走向四面体碳原子，因为这是我们已经掌握的事实。但是公式太复杂了，我怎么也不敢肯定自己的论点能够说服别人。” 今天，通过计算机我们可以得到精确的结果。但是在1930年，想要完全解出任一分子系统的公式都是不可能的。和每一个试图把波动力学用到复杂的体系上去的理论家一样，鲍林不得不寻找捷径，作出种种假设和近似，以进一步简化数学方程。 同样的数学障碍也难住了伦敦和其他有志于这一领域的科学家。不同的是，鲍林信心十足地认为，数学障碍最终会扫平，他最初的设想也将可以发表。为了不影响自己的科研重点，他让自己的研究生斯特迪文特继续研究四面体波动方程问题。斯特迪文特本人是一个相当能干的数学家，然而他在苦干几个星期后毫无进展。鲍林因为已经专注于其他问题，就把碳的问题搁置了起来。 鲍林法则 加州理工学院继续吸引着世界上最杰出的理论物理学家来加利福尼亚访问。20年代末，在鲍林的协助下，学院先后迎来了海森伯、索末菲和狄拉克。鲍林对他们的研究课题继续保持着强烈的兴趣，并发表了几篇物理学方面的论文，如电子的动量分配以及光和Ｘ射线对电子的影响等。 不过，在大部分时间里，他试图通过Ｘ射线晶体学来解决分子结构的问题。在这一方面，他一筹莫展。如果他感兴趣的一个结构涉及的原子数目稍微多一些，就几乎无法解决了。问题的部分症结又是数学，涉及到把衍射的Ｘ射线在照相底版上形成的图谱换算成一个三维结构所需的令人望而却步的计算。分子中的原子数量越多，图谱就越复杂，理论上可能的结构就越多。每一个新增的原子都大大地增加了难度。 此外，还存在一个更加根本的问题：Ｘ射线晶体学家的工作方式。为了保证结果的准确性，研究者——在20年代几乎都是物理学家——通常假定，所有能够满足化合物分子式的原子排列都是可能的结构。找到正确结构的过程是一个排除不能精确符合Ｘ射线和密度数据的结构的过程。这一严密的方法能够得出确定的结果——你能够肯定你找到了正确的结构，因为你一个一个地把所有其他的可能性都排除了——但是这也如同在一堆干草中寻找一根针，你每次拣起一根草，将它同针的图片对照，如果不匹配就将它扔到一边。晶体的结构越复杂，草堆就越大。 Ｘ射线晶体学家的目标越来越大，这一工作的难度也越来越大，越来越耗费时间，越来越机械重复，需要雇佣一支“人脑计算机”队伍来进行数学计算。这不配鲍林的胃口，他开始寻找捷径。在先前大量阅读和思考的基础上，他开始综合他的化学和Ｘ射线晶体学知识来形成一种结构的世界观，一种对于原子互相组合倾向的认识。如果他读到一篇关于晶体结构的文章，而结论又是合理的话，他就将它存人自己的大脑库中。但是如果结论有些不大对劲——键角歪斜，或者原子错位——鲍林就会进行仔细检查，有时候参照已发表的Ｘ射线照片来重建结构，有时候重新进行Ｘ射线衍射分析。他经常发现，自己感觉是错误的结构，实际上的确是错误的。当然，偶尔更令他激动的是，他感觉是错误的结构被证实是正确的。那样，他就得修正自己的世界观，以便包容这一新知识。这就是他学习的过程。经过多年的训练，他已获得对结构的一种神奇的感觉；他甚至可以在转眼之间想象出合理的结构，否定不合理的结构。后来，观察家们将此称作鲍林的“化学直觉”。然而这一称呼并不完全正确，因为这过于强调了感情用事和非理性的一面。鲍林的能力完全是理性的，建立在长时间的认真阅读和对浩瀚的化学事实进行整理和甄别的基础上。 这种对化学结构的深刻理解使鲍林得以摆脱Ｘ射线晶体学旧方法的侄桔。“我的态度是，我为什么不能从自己在研究无机物晶体本质时得到的知识出发，进而去预测它们的结构呢？”他问道。物理学家在做Ｘ射线衍射实验时得考虑含有正确原子数的所有结构，因为除此之外他们就一无所知了。而鲍林却知道，由于这样或那样的化学因素，多数假设的结构是不存在的。原子的位置相当有限。在开始之前，他就能去除多数无用的假设，只剩下少数几个可能性。 预测是跳出晶体学家泥潭的绝好方法，但如要让别的研究人员也能作出精确预测的话，就需要规则，一套能够运用到各类情况下的原则，以说明为什么某些结构是可能的或是不可能的。在20年代末，鲍林认识到某些基本的结构形式常常在不同的晶体中重复出现。这些结构形式重复出现总有一定的道理；它们一定受到某种规则的制约。如果他能够发现这些规则，那么他就能预测未知晶体的结构。 在英国曼彻斯特的实验室中，英国物理学家威廉·劳伦斯·“威利”·布拉格也在沿着这一思路进行着思考。 布拉格的性格十分复杂。他生性腼腆，具有一种维多利亚的老派绅士风度，爱好养鸟和园艺，在许多方面更像一个乡绅，而不是一个大科学家。他的一个同事说，甚至“他的外表和行为也像是一个富裕农场主，穿着不很入时”。 他是英国最出色的物理学家之一，在他保守的外表之下是一颗争强好胜的心。而且他面临着巨大的压力。他很早就在国际上成名，也许过早了一些。当时他和父亲，也叫威廉，在劳厄最初的发现之后共同发展了Ｘ射线晶体学。Ｘ射线晶体衍射的布拉格方程是这门学科的基石；布拉格父子的教材是这一领域的圣经。与父亲的合作，使威廉·布拉格在25岁时就获得了诺贝尔奖，使他成为最年轻的获奖者。接踵而来的是国际名誉和享有盛名的曼彻斯特实验室主任一职。 他并不喜欢行政管理工作，而对科研痴心不改。布拉格具有一种去芜存精、一针见血的科学本领，他正运用这一本领着手解决一个重大问题。在20年代末，布拉格的兴趣集中在硅酸盐上。这是一族数量众多、重要的矿物，由硅、氧和各种金属原子组成的复杂的离子晶体。硅酸盐是地球上最普通的矿物——包括从滑石到黄玉的各种物质——同时也是最为复杂的矿物。弄清楚它们各种各样的结构将是晶体学家的非凡成就。和鲍林一样，布拉格也在寻找捷径，并对自己发明的一种方法十分自豪。他把硅酸盐视作由不同大小的离子组成的球体，就像是在一个罐头中堆放弹子。布拉格的研究表明，离子晶体一般总会使原子尽可能紧密地结合在一起，他称为“紧密排列”。在他的设想中，像氧这样的大个离子彼此之间的排列将决定晶体的基本结构，而较小的离子则被塞进留下的空隙中。他相信，使用这一方法将会弄清楚所有的硅酸盐结构。 照鲍林的说法，“布拉格认为这是他的领地。”但是鲍林闯了进来，粗暴地唤醒了主人。鲍林同样对硅酸盐深感兴趣，并决心给布拉格制造一些竞争压力。尽管这位英国科学家只比他大11岁，鲍林仍认为布拉格“属于老一辈物理学家，他在前面披荆斩棘，而我则设法跟上。”布拉格的紧密排列法是一个良好的开端，然而鲍林觉得有另外的方法可以使人得到更佳的结果。 和布拉格一样，鲍林把这一类型的晶体中的离子设想为一定大小的球体，而且他透彻地知道这些球体的大小——毕竟鲍林是运用量子力学方法来确定离子半径的第一人。但是在对这些球体性质的认识上，他俩的观点不尽相同。布拉格认为离子晶体没有更小的分子形式的结构——他将它们看作是单独离子的延伸，就如他和父亲在食盐中发现的那样——而鲍林认为硅酸盐含有基本单位。比如说，硅的性质和碳十分相似；它与四个氧原子成键时也形成一个四面体。布拉格认为，氧原子在离子晶体中常常六个一组构成一个八面体。四面体和八面体：鲍林就是从这些基本的构造形式开始入手的。 对此进行了深入思考之后，鲍林取得了突破。他将自己在量子力学、离子大小、已发表的晶体结构和化学规则方面的知识天才地综合起来，提出了一套关于最有可能的结构形式的简单规则。其中最重要的一条称为静电价规则，以已知原子和其他原子成键的能力，即原子价为基础，来确定在某一角上有多少原子会彼此联结。这里的关键是，在这些矿物质中，一个中心原子的原子价会被周围带相反电荷的离子按比例分配。其他的规则涉及到对面和棱的共用。把这些规则组合在一起，同时也考虑到布拉格的紧密组合思想，鲍林概括出一种相对简单的程序，通过这一程序就可以一步一步地排除不可能的晶体结构并预测最有可能的形式。 他在1928年下半年最先在一系列论文上发表了自己的规则，作为对索末菲60岁生日的献礼。对于一位教会他动用一切工具以得到解决方案的老师来说，这是一份最恰当不过的寿礼了。第二年，他在《美国化学学会学报》上更加详尽地阐述了自己的理论。很快，他的理论在晶体学家中被称作为“鲍林规则”。这些规则十分管用。在他最初的一些论文中，鲍林运用自己的规则解决了两个复杂的硅酸盐晶体结构，就是板钛矿和黄玉。鲍林规则使Ｘ射线晶体学得以解决以前不可能解决的复杂构造。 但是，鲍林所做的并不仅仅是提出了这些规则。在对硅酸盐的研究中，鲍林设计了一种解决复杂的Ｘ射线晶体构造的完整程序，在后来的几十年中，他将不断地求助于这种方法。首先，他利用已知的化学原则，建立了一套结构的规则。如果规则是严谨的话，单纯的化学因素就可以排除许多理论结构，只留下几个最有可能的构造。接着，鲍林把剩下的几种可能做成模型，以辨别哪种是最佳的。通过模型，他可以立体地来审视这些结构，看一下哪些合理，哪些不合理，并不断地摆弄和调整这些模型，直到合适为止。如果模型显示某一构造的原子组合太紧或是太松，那么也可以将这些结构排除在外。最后只剩下一个最有可能的模型。将这一假设的原子结构的特性，包括它可能产生的Ｘ射线衍射图谱，与实际的物质作比较，如果符合的话，就可以认为这一结构是正确的。 综合自己的化学和物理知识，加上自己对模型的新兴趣，鲍林已能轻松自如地得到有关的结果，而别人仍陷在令人困惑的Ｘ射线数据的泥潭中不能自拔。几年以后，鲍林向他的一位朋友卡尔·达罗阐述了自己的方法，因为后者告诉他，这种方法已经有一个称谓：随机法。达罗请鲍林看一本1909年出版的化学教科书，其中作者谈到了这个早已不用的希腊词，翻译过来的意思就是“通过猜测来领悟真理”。简单地看来，随机法不过是基于一定经验的猜想，就和任何别的科学猜想一样。每个人都可以对分子结构作出猜想，而且尽管你可以将分子的性质与假想结构的计算结果加以比较，从而排除哪些错误的猜想，你也很难说最终的假想结构是严格正确的，因为猜想和现实比较的基础几乎总是有限的实验数据。但是鲍林使用的随机法并不是单纯的猜谜游戏。借助于对化学和晶体学的深刻了解，你得到的最终结构将是唯一的。就像鲍林所说的，“有限的几个方面的一致并不能证明猜想是正确的。要使随机法有意义，作出猜测的原则必须是严格的，这样猜测本身实际上是独一无二的；换句话说，运用这一方法的研究者只允许作出一种猜测。” 鲍林驾驭着自己的随机法解决了一个十分棘手的问题，而且在以后的30年中，他将运用这一方法解开更为复杂的谜题。有时候，他的唯一猜测可能是错误的；而更多的时候，他是正确的。这种“通过猜测来领悟真理”的能力使他在解决棘手的化学问题的竞争中一马当先。最终它将为他赢得巨大的成功和美名，人们觉得他能够神奇地想象出正确的答案，而别人却无能为力。但是，鲍林成功的根源是他的辛勤工作，深刻的化学知识，和作出那种唯一猜想的愿望和胆识。 在发表解决复杂离子晶体规则之前，鲍林被认为是一个前途远大的青年晶体学家。规则发表之后，他已跻身于一流科学家的行列。劳伦斯·布拉格在读到鲍林的文章之后大吃一惊。这个美国年轻人从天而降，在他自己的游戏中打败了自己。鲍林提出的一些思想也是布拉格在研究硅酸盐时所运用的，但是很多则是崭新的。电价规则尤其明确和奏效；几年后布拉格慷慨地称之为“矿物化学中的主要原则”。 鲍林在运用自己的规则方面取得了巨大的成就。在1929年和1930年，他解决了云母的结构问题。云母会开裂成易碎的透明薄片，鲍林发现这是由于晶体的分层结构在水平方向的化学键强度大，而在垂直方向的强度弱。然后他将云母和硅酸盐加以比较，发现两者的化学成分相似，而构造截然不同。他发现滑石同样具有分层结构，但是在水平方向的化学键很弱，这样容易碎裂，而不是开裂。研究人员还对另一类称作沸石的硅酸盐很感兴趣，因为它们能够吸收某些气体，包括水蒸气，而不能吸收另一些气体。鲍林发现沸石具有蜂巢似的小孔，形成了一个分子筛，只有足够小的分子才可以通过。 一个备受青睐的人物 鲍林规则极其重要，但是这个年轻人渴望取得更多的成就。他阅读了物理和化学的所有成果，参加了这两个领域和生物学的每一次研讨会，对任何事情都充满兴趣，随时准备解决任何力所能及的问题。1930年，他重新抬起了物理，澄清了一个伯克利科研人员提出的难题。在理论上，热容量——升高一个物体的温度所需的能量——在绝对零度时应该下降到零。但是伯克利的研究小组惊讶地发现，他们对氢分子所做的实验显示了一个高得多的值。鲍林解释了这一现象：他在一篇发表于《物理评论》的论文中说，你要做的是设想氢分子在组成晶体时会旋转。他的量子力学解释不仅是固体热容量研究上的一大进步，而且还有助于解释一种晶体形式转变为另一种晶体形式。《科学美国人》将这一成果评为1930年基础化学领域内的两大“杰出”发现之一。那一年的另一项发现是鲍林和布拉格用于了解硅酸盐结构的一般方法。 鲍林量子力学的扎实功底和他将其在化学上的运用在学术界渐渐地传开了，请他任职的邀请也接踵而至。在20年代末，最好的美国大学纷纷攫取那些了解新物理的青年学者，最好是那些在外国学习过的美国学生，如鲍林、约翰·斯莱特、埃德·康顿、约翰·范弗莱克、罗伯特·马利肯等。退而求其次，是像塞缪尔·戈尔德施米特那样的欧洲移民。鲍林和十几个同他类似的谙熟量子物理的同辈人突然发现自己身价倍增。 路易斯告诉鲍林，他在1928年曾访问过加州理工学院——这不同寻常，因为他极少旅行——打算在伯克利给鲍林安排一个位置。但是他遭到了诺伊斯的伏击，“禁止他这样做”。诺伊斯在1929年特许鲍林到伯克利担任一个学期的访问教授，在那里鲍林接受了一份更大的荣耀，去哈佛任职。哈佛化学系的主任，第一位获得诺贝尔化学奖的美国人西奥多·理查兹刚去世不久，化学系正在重组。哈佛邀请路易斯和理查德·托尔曼来填补理查兹的空缺，但是两人都决定留在西部。邀请信送到鲍林手里的时候，职位已经下降到了副教授，而且没有提及主任一职，但是仍旧魅力十足。哈佛是美国历史最悠久、声名最显赫、受资助最多的大学；它的物理系和化学系享有盛誉。鲍林很快回信说：“能够与哈佛大学化学系联系在一起，对我有很大的吸引力。”但是他写道，他的授课职责使他至少要到5月份才有可能访问哈佛，他请求延期。 鲍林熟知学术界的升迁游戏规则。例如，托尔曼利用哈佛的邀请得到了成万的科研经费，迫使学校招募了一名他想要的研究人员，并要学校答应他不用参加公开活动。鲍林写信给诺伊斯，坦率地问他加州理工学院有什么反提议。诺伊斯也不希望失去鲍林。在诺伊斯和密立根的敦促下，加州理工学院校务委员会在3月同意在秋季提升鲍林为副教授（仅仅在助理教授两年之后），在今后两年内大幅度加薪，配备一名实验室助手，增加两名研究生，以及提供一趟赴欧洲的旅费。 但是，哈佛是认真的。有传闻说，该校将围绕鲍林开设晶体结构和化学物理的新课程，甚至按照这位青年科学家的品牌创建一个新的“量子化学”系。鲍林记得（尽管似乎没有相关的证明文件），哈佛的提议最终升到了正教授，并接任理查兹的职位。 鲍林拜访了哈佛，在5月初来到了坎布里奇，呆了一个星期。他受到了盛大的欢迎，住在有机化学家詹姆斯·布赖恩特·科南特家中（科南特很快就成了哈佛大学的校长），查看了新建的化学实验室，举办研讨会并出席招待会。鲍林只有28岁，对自己受到的关注受宠若惊，同时也发现了一些事情——或大或小——他不怎么喜欢。在加州理工学院，研究人员可以自由地采取自己独特的科学研究方法，而鲍林发现，在哈佛大学，像有机化学和物理化学这些分支学科已僵化为互不来往的封地。他不喜欢那里的背后中伤、幕后政治交易以及对人才的贪婪敛聚。鲍林是美国西部平等思想的产物，他也第一次领教了东部地区的趋炎附势。他回忆说：“在那里有许多重要人物，他们只不过因为是出身名门就自命不凡。他们有钱有势，但毫无才能。我觉得在哈佛我只是一个二等公民。” 鲍林很快就决定不去哈佛。但是在回绝哈佛的提议之前，他利用这个机会得到了另一样东西：和路易斯密切合作的机会。几天后他东巡归来，在他的请求之下，理工学院校务委员会批准他每学年至少有一个月的时间可以离校，“以便在加利福尼亚大学或其他地方举办讲座或者研讨会”，而且每隔一年可延长到一个学期——另外每年可以报销500美元的差旅费。第二天，鲍林拒绝了哈佛的提议，然后给路易斯写了一封信：“在作出留在理工学院的决定中，时常到伯克利来的可能性也起了一定的作用，您对于此事的观点也许同样如此。不管怎样，我的内心已经恢复了平静。” 鲍林并不是唯一一位受到垂青的青年教授。另一位是奥本海默，鲍林在慕尼黑遇到过的年轻的美国物理学家。1928年，密立根说服奥本海默一年中用一部分时间在加州理工学院教授物理，其余的时间在伯克利，和鲍林的做法差不多。 奥本海默立刻给帕萨迪纳的人们留下了美好的印象。他身材瘦长，看上去简直弱不经风，大大的眼睛分得很开，一头浓密的黑发。他外表迷人，天资聪慧。尽管在纽约长大，他却像一个来自欧洲的波希米亚人，充满诗情，酷爱抽烟，喜欢引用晦涩的文学和哲学。他唯一的缺点是上不好课，吐字含糊，烟灰乱飞，讲课内容艰深难懂，黑板上写满歪歪斜斜、难以辨认的公式。尽管如此，他很快就吸引了一批虔诚的信徒，一些西海岸最出色的学生。他们透过外在的晦涩看到了新物理的真谛，开始年复一年地在帕萨迪纳和伯克利之间追随他的足迹。他也被恶意的传闻追逐着，而他看来懒得申辩。这些谣言暗示他很放纵——可能是同性恋——而且政治观点偏激。 鲍林和爱娃发现他诙谐、有趣，在沉闷的理工学院教师中令人精神一振。年龄相仿，年轻有为，又前途无量，鲍林和这位青年物理学家很快就成了至交。他们一起吃晚饭，一起说笑话，谈论欧洲的物理，还对加州理工学院和伯克利的教授们品头论足。奥本海默请教鲍林如何讲好课，而鲍林找他谈论量子力学。两人开始考虑联手攻克化学键的问题，由奥本海默负责数学，鲍林提供化学背景知识。 也许他们的交往发展得过快，过于亲密了，鲍林渐渐觉得有些不大对劲。奥本海默不光彩用了一些鲍林的授课风格；他开始在校园中戴起一顶老式呢帽，与鲍林的那顶几乎一模一样。他开始向鲍林赠送礼物，有时候是一样小礼物，诸如一枚漂亮的戒指，有时候是很奢侈的礼物，如奥本海默少年时收集的大量矿物，这是最早激发奥本海默科学兴趣的晶体宝藏，其中有一千种精致的样品，包括鲍林特别感兴趣的方解石。还有就是奥本海默赠给鲍林的诗词，鲍林发现这些诗作晦涩难懂，令人心烦，字里行间夹杂着矿物学、但丁和鸡奸的典故。鲍林从未经历过这样的友谊。 爱娃也同样如此。她非常喜欢奥本海默，乐于和他交谈，向他抛抛媚眼，就像她在社交场合对每个人做的那样。大概是她有些过分了，弄得奥本海默有些神魂颠倒。也许他觉得爱娃对他的兴趣已经超出了普通的友谊。不管是什么原因，事情变得有些出格。1929年的一天，当鲍林在学校的时候，奥本海默突然来到爱娃家，笨拙地邀请她到墨西哥去幽会。爱娃目瞪口呆之余感到一丝窃喜。她对奥本海默说，不行，当然不行，她已经结婚了，而且相当严肃认真。那天晚上，她一五一十地告诉了鲍林。“我觉得她对自己的诱惑力有些洋洋自得，”鲍林说。看见爱娃如此得意，鲍林立即断绝了与奥本海默的来往，结束了两人在化学键问题上的合作。从此，两人之间一直保持着一种冷淡的对立。 多年以后，爱娃对自己的丈夫说：“你知道，我并不觉得奥本海默爱上的是我。我认为他爱上的是你。”低头沉思了一会儿，鲍林想她可能是对的。 失去了奥本海默，鲍林只有靠自己来寻求碳四面体化学键的数学表达式了。解决这一问题的途径——所有运用量子力学来解决多原子系统的必由之路——是在波动方程中找到一些捷径，简化一些条件，以降低数学的复杂程度，这样才能将研究工作继续下去而又不至于使结果产生太大的失真。鲍林一次又一次地试图在数学迷宫中杀出一条道路，却毫无进展。 1929年末，由于在化学键问题上一筹莫展，鲍林决定回到欧洲，拜访在慕尼黑的老朋友们，参观晶体学实验室，并在化学键研究上听取一些建议。在他的古根海姆研究基金的申请被拒绝之后，他从加州理工学院获得了必要的旅行费用。 1930年5月，他和爱娃踏上了英国的土地。这回他们带上了5岁的小莱纳斯，出发前往他们科学访问的第一站，Ｘ射线晶体学的世界最著名的中心，劳伦斯·布拉格的曼彻斯特实验室。 鲍林对他与布拉格的初次会面寄予了极大的希望。在鲍林规则发表之后，他们之间的书信往来十分诚恳，甚至充满了热忱。布拉格写道：“你的方法显然引导你找到了理想的结构！……我确实非常欣赏你研究这类配位化合物的方法。”而鲍林也一反常态，信中的口气非常谦恭：“我的夫人和我经常念及您。我们最大的一个梦想是来曼彻斯特拜访您。” 然而他们到达曼彻斯特之后，这一梦想变了味。尽管布拉格在招待上尽心尽力——专门为他们准备了一个单元，找了一个女佣，并安排照料小莱纳斯——但保持着学术上的距离。令鲍林惊讶的是，在曼彻斯特的几个星期中，布拉格从不与他谈论研究的事情，他也没有受邀请就他的工作举办一个研讨会，而在加州理工学院对任何来访的教授这已经成了一个常规。“我和布拉格毫无接触，”鲍林说，同时还把他的曼彻斯特之行归结为“大失所望”。尽管对受到冷落大惑不解，鲍林仍试图摆脱自己的不快，把这主要归咎为布拉格繁忙的日程安排。 但是，后来他从别的科学家那里听说，尽管布拉格在信中对他非常客气，他把这个美国年轻人视为自己科学领地内不受欢迎的偷猎者。布拉格在自认为是自己的游戏中被打败了，他对此耿耿于怀。鲍林后来写道：“我当时并不知晓，实际上在以后的很多年里都没有想到布拉格把我看作是他的竞争对手。”而且实际情况还不止于此。布拉格的个人忧虑和巨大的工作压力使他濒临一个临界点。鲍林走后几个月，他就经受了一次精神崩溃。如果他疏远了鲍林的话，那部分原因是由于他正和自己进行着激烈的竞争。 不管是何种原因，初次见面给他俩今后的关系蒙上了一层阴影。在鲍林回到美国之后，两人的通信急剧减少。在余下的时间里，鲍林和布拉格之间的关系与其说是亲密的同行，不如说是互相仰慕的对手。 然而并不是所有的英国科学家都是像布拉格一样接待鲍林的。天性活泼的英国晶体学家约翰·戴斯蒙得·伯纳尔请他到剑桥就晶体中分子的旋转运动举行一个研讨会，这多少给鲍林受伤的感情一点慰藉。接着鲍林夫妇来到了德国，鲍林高兴地拜访了朋友们，并了解了最新的研究进展情况。他在慕尼黑停留了差不多三个月，试图要简化量子力学来解释化学键。他从索末菲那里得到了一些帮助，但是没有什么大的突破。 然而，他在其他方面作出了一个重大发现。他去路得维希港，一个距慕尼黑几个小时火车车程的城市，拜访了赫尔曼·马克，鲍林在第一次来到慕尼黑时曾经碰到过这位维也纳化学家。作为一名晶体学家，马克赢得了相当的声誉——他的工作包括一些对有机分子的初步研究——而且他在很年轻的时候就被德国工业巨头染料化学公司力邀去主持聚合物和胶片领域的研究工作，包括对大有商业前景的塑料制品与合成橡胶的早期研究。染料公司对马克有求必应。在鲍林来访时，一尘不染、工作高效的路得维希港实验室号称拥有欧洲大陆上最先进Ｘ射线衍射装置。但是鲍林此番来访的最大发现却与Ｘ射线无关。当他们在参观实验室设备时，马克告诉鲍林，他的一位助手，一个叫做维尔的年轻人，创造出一种在真空管内将一束电子射过一股气体的方法。维尔发现，气体的分子能够使电子发生衍射，形成同心圆的图谱，而图谱的密度和相对位置与分子中原子的距离有关。这个“电子衍射”仪对马克而言是一种有趣的娱乐，不过它只能用于那些能在室温下以气态形式存在的较小的分子，而他的实验室目前的重点是巨型聚合物。而且染料公司对电子衍射也毫无兴趣，因为照马克的说法，“这东西赚不了钱。” 然而这一发现令鲍林激动万分。在很长一段时间里，鲍林一直在寻找一种研究单个分子结构的方法，而无需为它们形成晶体的复杂方式所烦恼。马克和维尔的装置可以对气体中的单个分子进行分析，而不是许多分子聚集在一起的较大的结构单位，这样在计算结构时就去除了一层复杂性。由于电子衍射照片的曝光时间只有零点几秒——而不像Ｘ射线晶体学有时所需的几个小时——结构研究的对象可以扩展到不稳定的物质，特别是很难形成晶体形式的小分子有机化合物。鲍林说：“这一发现实在太重要了，我难以抑制自己的激动，我对马克也这样说了——我意识到，在相当短的一段时间里，也许十年，我们可以获得许多不同分子的键长和键角的知识。”马克对这一装置给鲍林造成的印象有些惊讶，他给鲍林提供了一整套有关建造这一装置的计划，并预祝鲍林成功。 鲍林于1930年秋天一回到帕萨迪纳，就让一名新的研究生劳伦斯·布罗克威建造一台电子衍射仪。过了两年，这台机器才开始正常运转，但是后来它成了鲍林实验室的一匹快马，同时也是加州理工学院最重要的一个科研工具。在它启用后的25年中，鲍林和他的学生和同事们用它弄清楚了225种分子的结构。 “飘飘欲仙” 1930年秋天鲍林回到了家，重新开始对四面体碳原子问题进行研究。他的欧洲之行并没有取得很大的成果，但是他回国后却有了重要的发现。 那年，一个名叫约翰·斯莱特的青年美国物理学家发现，对薛定谔波动方程作一巧妙的简化，就可以较好地描述碳原子的四个成键电子。在斯莱特研究的激励之下，鲍林拿起了笔，又一次开始热切地计算。为了符合化学家的碳原子四面体的现实，需要打破物理学家的两个电子亚层，并将其合并成一个新的等价形式。关键问题是找到波函数合适的数学近似，只有通过这一捷径才可能将亚层的波函数结合成可以求解的方程。 然而，鲍林在秋高气爽的环境中苦苦工作了几个星期，却没有找到一条行得通的捷径。然后，在1930年12月的一个夜晚，鲍林坐在书房的书桌前，又尝试了一种近似。这回在试图合并两个电子亚层的波函数时，他忽略了被数学家称为径向函数的部分，斯莱特在论文中曾经提及这种简化可能会奏效。在去除了这一层复杂性之后，鲍林惊奇地发现“从数学上来讲，这一问题变得相当简单”——至少对受过索末菲培训的量子物理学家来说是非常简单的。 现在，他可以用恰当的系数将物理学家的两个碳原子电子亚层的波函数合并为对一个新的混合形式的数学描述：四个相同的轨道正好以精确的角度组成一个四面体。不仅如此，他的新的混合轨道远离原子核，因此更加倾向于同别的原子中的电子轨道重叠。这里有一个基本思想：两个原子的电子轨道重叠越多，产生的能量交换就越多，化学键的强度就越大。 他的精神一下子抖擞了起来。根据量子力学的原则和公式；他建立了一个四面体的碳原子。计算得出的化学键之间的角度是正确的；键长看上去也合适；电子交换产生的能量也足以解释改变电子亚层轨道形状所需的能量。 他废寝忘食地伏案工作。他发现，运用同样的基本方法，可以在计算中加入更多的电子，并得出更为复杂的分子的特性。鲍林打破物理学家的电子亚层，将其组合成新的轨道的思想洞开了解释许多分子结构的大门，比如，某些钻和铂化合物的键合形式就能得到良好的解释。在鲍林的笔下，物理学家的新力学证明了化学家一个又一个的思想。他回忆说：“我无比激动和兴奋，彻夜不眠，设想、列出并求解许多方程。这些方程十分简单，花不了我几分钟时间。解出了一个方程，得到答案，然后解答另一个八面体配位体化合物结构的方程，比如铁氢化钾中的亚铁氢离子，或者是正方形配位体化合物，如四氯化铂离子，和各种其他问题。随着时间的推移，我越来越觉得飘飘欲仙了。” 在接下来的两个月时间里，他日以继夜地不断完善并扩充自己的发现，有关成果的论文将成为化学史上最为重要的文献之一。在论文中，他提出了共享电子对成键的六条规则。头三条规则是对路易斯、海特勒、伦敦和自己早期工作的重申——电子对化学键是通过两个原子中孤电子的相互作用形成的；一旦配成对，两个电子就不能参加新键的组成。他的后三条规则是新的。一条提出，化学键的电子交换条件只涉及每个原子的一个波函数；另一条规则提出，能级最低的自由电子可以形成最强的化学键。鲍林的最后一条规则断言，在一个原子中的两个轨道中，能与别的原子的轨道重叠最多的轨道会形成最强的化学键，而且化学键一般与较为集中的轨道保持同方向。这样就能对键角和分子结构作出预测和计算。 考虑到自己的读者大多是缺乏数学基础的化学家，鲍林对自己的规则并没有给出冗长的数学证明。他在论文中写道：“即使在最简单的情况下对电子对化学键作出证明……也需要用到大量的符号和方程。”不过，他简要地概括了对这些规则进行验证的方式，并列出了几个推理的例子。从量子力学的原则出发，现在就已能够推出从化学键的长度和排列直到分子和复杂离子磁性的完整理论。鲍林还能够预测原子新的电子结构和性质。换句话说，量子力学不仅能够证明已知的事实；它还可以引导人们得到新的认识。在1931年2月中旬，鲍林将自己的论文寄给了《美国化学学会学报》。他给论文起了一个略显豪华的题目：“化学键的本质”。 几乎与此同时，他的第二个儿子，彼得·杰夫列斯（其中间名是为了纪念鲍林少年时的一个朋友）在2月10日呱呱坠地，真可谓是双喜临门。 不料平地又起了风波。3月1日——在鲍林的论文寄出两星期后、发表一个月之前——《物理评论》上出现了一篇与鲍林的文章内容极其相近的论文，其中包括：波函数重叠最大能够形成最稳定的化学键的思想；对于离子键和共价键关系的讨论；对化合物成键方式的讨论，如果化合物与价键有几种组合方式，很可能“真实情况为……对各种可能性的组合，并由于共振原理，能量相对较低”；而且更为重要的是，文章解释了碳原子中的四面体化学键。作者正是启发了鲍林获得突破的物理学家约翰·斯莱特。 乍一看来，似乎斯莱特打败了鲍林。但是在把斯莱特的文章细读了几遍之后，鲍林发现了他俩的工作有着很大的不同。就一点而言，在斯莱特的论文中，描述性的内容多于定量分析；它并没有提供获得化学键长度和强度确切数字的方法。鲍林匆忙地给《物理评论》写了一封短信，恳请读者注意他在给《美国化学学会学报》的论文中“对化学键强度近似定量分析十分简单，然而却非常强大的方法”（黑体字由鲍林标明）。他简要地阐述了自己的六条规则，并强调是他第一个在1928年运用量子力学手段来解决四面体键合问题。（斯莱特在论文中并没有提及鲍林的那篇论文。）鲍林然后很快地概括了斯莱特的成果，并指出自己的思想比这些成果更深入。 这一争名夺誉的手法相当巧妙：鲍林和斯莱特都喜欢对方，而且尊重对方的工作。在那篇论文发表前的几周，斯莱特还提议鲍林到麻省理工学院任教，给他物理学、化学或者任一种组合的正教授头衔；在鲍林“万分感激，实难从命”的回信中（那时加州理工学院已经答应提升他当正教授），鲍林写道：“除了您之外，没有别的理论物理学家的工作使我感兴趣。”在阅读鲍林发表在《美国化学学会学报》上的论文之后，斯莱特写道：“我很高兴事情发展到了这一步，我们同时决定把自己的想法写出来。我还没有机会细读您的论文，但是第一眼的印象是我们总的观点十分一致。”他们的观点确实非常一致。1931年夏天，鲍林在帕萨迪纳组织了一场关于化学键的讨论会，斯莱特到会作报告。在演讲之前，斯莱特提醒鲍林说：“……我们的观点基本相同，所以在会议之前我们最好对一下笔记，免得讲同样的内容。” 两个年轻人不约而同地在同样的问题上运用了同样的方法，也将分享这一荣誉。在一段时间里，这一理论被拗口地称为海特勒—伦敦—斯莱特—鲍林化学成键理论——后来的名称较为顺口，价键理论——人们一致认为斯莱特和鲍林几乎在同时，通过独立的研究工作，得出了同样的结论。 正如物理学家维克多·魏斯科普夫后来指出，量子力学最终把物理和化学这两大领域统一了起来。通过运用新物理的规则来解释原子键合成分子的过程，斯莱特和鲍林促成了这段姻缘。物理学家是正确的：电子在轨道上运动，而不是在干货架上傻坐着。但是在一些很重要的方面，化学家，特别是路易斯同样是正确的。电子轨道有一定朝向，而且化学键是由共用电子对形成的。斯莱特和鲍林的成果表明——合乎逻辑而且至少具有近似的数学可信度——物理学家的新的量子原则是如何在化学家的分子中发挥作用的。 《美国化学学会学报》在收到鲍林论文之后的六个星期内就刊登了这篇文章，这充分显示了鲍林研究成果的重要性和独创性，因为一般的等待时间要长达几个月。后来鲍林得知，杂志的编辑阿瑟·兰姆想不出有谁能够鉴定这篇文章，就直接把它发表了。 为了支持和鼓励青年化学家，A·C·朗缪尔博士（物理化学家欧文·朗缪尔的哥哥）在1931年每年出资一千美元，奖励全国最优秀的青年化学家。他请这一领域内最权威的专业组织美国化学学会来挑选获奖者。第一年授予朗缪尔奖的时候，前美国化学学会主席诺伊斯确保自己的得意门生获得提名。1931年8月，鲍林欣喜地得知自己获奖了。这一奖励承认了鲍林非凡的成就和远大的前程——仅仅30岁，他已经发表了50多篇论文，涉及广泛的理论和实验题目——而且在当时是相当丰厚的一笔收入，大致相当于鲍林年薪的四分之一。同时这也为美国化学学会和加州理工学院提供了一个宣传自己的绝好机会。很快，鲍林发现自己成了一个小小的名人，接受来自从波特兰到纽约的记者的采访，自己的照片和专访也纷纷出现在报章杂志上。《科学美国人》刊登了他的一张大幅照片，看上去若有所思，一副学者风度，并把他称为“美国科学的神童”。诺伊斯告诉记者，鲍林是“我多年教书生涯中遇见的最有前途的年轻人”。A·C·朗缪尔更是赞不绝口，说他是“一颗正在升起的新星，将可能获得诺贝尔奖”。9月的一个夜晚，在纽约州布法罗市举行的美国化学学会全会上，鲍林大步走上主席台，从学会主席的手中接过了奖项，台下两千名全国最优秀的化学家报以热烈的掌声。有人为这一盛会的通讯画了一幅漫画，画面上满头乱发的青年鲍林急切地把手伸向一个标有“$1，000”的口袋。鲍林后来说，他唯一的遗憾是贝莉没有能到场看他获奖。 在开始第一个教职后的第四年，鲍林从一个大有前途的年轻人一跃而成了全国的名人。到1931年底，他已是正教授，《美国化学学会学报》的副主编，晶体学大师，化学键这一重大问题的合作攻克者，以及朗缪尔奖获得者。他的内心永远充满着自信；现在这种自信洋溢于他的全身。在1931年，他很少对自己产生怀疑。他回忆说：“我很有可能成为一个狂妄的自我本位者。我觉得早些年我就在科学上对自己充满自信。但是……我认为我不应该让这一切冲昏头脑。而且，尽管我在这一件事情上比别人干得好，我也不能够自以为在别的事情上也比别人强。” ------------------ 亦凡公益图书馆扫校(shuku.net) |
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