20世纪的科学怪杰鲍林-第15部分

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　　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