20世纪的科学怪杰鲍林-第6部分

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周末很快就到了，不过他早已想好了逃避惩罚的“小花招”。在被其他成员抓上楼梯的时候，他开始深呼吸，让血液中充满氧气。“然后我一动也不动，”他回忆道。“他们把我扔进浴缸，按在水底，而我就那样躺在那儿……躺在那儿……躺在那儿……时间一秒一秒地过去……一分钟过去了……他们把我拖出来，惊恐万分，叫喊，‘他心脏病发作了，不行了’，我当然‘苏醒’了过来。从此之后，我再也不用担心了。”
　　电子的排列
　　贫穷影响的并不仅仅是鲍林的社交生活。在整个大学时代，他都得不停地打工；一年级时他伐过木，擦洗厨房，为女生宿舍切牛腿，每个月要干一百个小时以挣25美元。他回忆说：“为了干活……不耽误学习，我白天一分一秒也不能浪费，也由此养成了工作的习惯。”每天长时间地刻苦工作成了他日后工作的常规。
　　1918年初夏，在读完一年级之后，鲍林和默文·斯蒂文森，以及农学院其他几个学生军训队员被送往旧金山的军事基地进行了为期六周的强化军官训练。在剩下的假期里，鲍林和斯蒂文森在俄勒冈海岸的一家船厂帮忙建造木制货轮。不管后来鲍林对待战争的态度如何，在第一次世界大战期间他完全赞成政府的行动。斯蒂文森回忆说，鲍林是战争的坚定支持者，“百分之百地支持。”
　　二年级时，鲍林获得了一份化学系储藏室的工作，配置标准溶液，并分发给学生。这份工作使他得以维持生活，但也差点害死了他。一天，在把氨水分装进小瓶时，鲍林设想可以通过虹吸管更加快捷地完成任务。“我往橡皮里吹气，积聚足够的压力以开始虹吸，然后张开嘴，完全忘了氨水在压力作用下会喷进我的嘴，”他回忆道。“我吐掉嘴里掉下的粘膜，跑到学生医疗中心。这次经历使我认识到，光解决一个问题不应该感到满足，应该深入思考并解决由此而产生的新问题。”二年级结束后的那个夏天，鲍林得到了一份送牛奶的活，从晚上8点干到早上4点。这活实在太累，他干了一个月就坚持不下去了。然后他在一位承包商那儿找到了一份工作。那个承包商受雇于州政府，测试新建造的横贯俄勒冈州的高速公路路面材料。路面监测的工作收入不错，他也很高兴有机会到偏僻的地方，像什么狼溪、坟溪，在野外和筑路工人在帐篷中一住就是几个星期。他喜欢和那里的工人们作伴，他们对这个聪明的小伙子有股兄长般的关心。他测试沥青路面，帮着摆放测链，驾驶蒸汽压路机，甚至还跳上跳下的。（鲍林一直到进入研究生院才学会开车。）这份工作还使他有充裕的时间思考化学。在休息的时候，他躺在帐篷里的小床上，仔细阅读一本化学手册。能够了解化合物不同的特性使他十分高兴，就像收集岩石时整理不同矿石的特性那样。他甚至尝试创造一些理论，花了几个星期的时间绞尽脑汁地想在磁性物质和元素周期表之间建立一种逻辑关系。他把挣到的钱全都寄给了贝莉，让她将一部分存人银行准备来年的学费，多余的则用来补贴家需。
　　然而，当他即将开始三年级的学习时，贝莉给了他一个打击：她对鲍林说，不准拿回存在银行的钱，她需要用这笔钱来养家糊口。鲍林得休学一年，找一份正规的工作好挣钱继续他的学业。
　　鲍林在其他方面可以自作主张，但他终究还是一个孝顺的儿子。他不想和贝莉一起住，但对母亲几乎有求必应。前一个暑假，为了能让母亲和几个朋友参加东星妇女联合会，他甚至答应她的要求参加了共济会俱乐部。（不过在母亲参加联合会之后，他就再也不到俱乐部去了。）他默默地强忍失望，告诫自己应该尽职地帮助母亲，因为母亲并没有义务一定要送他读大学。他计划继续干高速公路监测的活。正在这时，他收到了俄勒冈农学院一个不同寻常的提议。鲍林在化学课程方面展示了非凡的天才，每门化学课程的得分都在A之上，二年级冬季的学期更是拿到了完美的4。0平均积分点。化学系不想失去这位大有前途的学生；同时确实也需要有帮手来给越来越多的学生教授化学的入门课程。解决办法相当简单：系里请18岁的鲍林上定量化学课，而他在一年前刚学完这一门课程。
　　尽管每个月上课的收入只有100美金——比检测高速公路的活少了20美金——鲍林并没有丝毫的犹豫。他已经意识到自己更适合于做学问，而非搞实业，而且也认识到了获得一些实际教学经验的重要性。作为一个学生，他对教学艺术已经有相当深入的认识，知道如何在课堂上抓住学生的心，而且他在二年级时的化学知识已经与大多数教授们不相上下了。在克服了最初的紧张之后，他喜欢上了教学，学生们对他也相当满意。第一个学期结束之后，矿产系的学生联名向系里提出让鲍林上定量化学课，而系领导乐得把其他几门课也一起交给他，包括家政系的化学课。一位鲍林农学院时代的同学回忆说：“那时，学生们常常七嘴八舌地议论说，‘嗬，真棒！他知道得比教授们还多，课也比他们上得好。’反正那时他就被看作是一个了不起的人才了。”
　　这一年的教书生涯使鲍林获得了急需的金钱、上课的自信，并让他有时间赶上化学领域内最新的研究进展。系里在化学系小图书馆秘书旁边给他安排了一张桌子，在那儿他学会了打字的指法，并在课间埋头翻阅各种各样的化学期刊。
　　阅读期刊非常重要。在俄勒冈农学院，化学教授们不光自己极少搞科研，也很少向学生们介绍本领域内最新的研究成果。他们并不把化学课程放在一个历史的背景之下，讲授领域内最新的研究趋势，因而无法激发起学生们追求知识的热情。鲍林只有靠自己阅读期刊来满足自己求知的欲望了。
　　有一篇论文引起了他特别的兴趣。论文的作者是朗缪尔①，通用电器实验室的一位化学家。朗缪尔为自己带来了显赫声名——同时也为通用电器公司创造了一大笔财富——他发现了一种能够大大延长灯泡寿命的方法。他思维活跃，又有一家实力超群的大公司作后盾，日后他将成为历史上第一位获得诺贝尔奖的工业化学家。
　　①朗缪尔（Irving　Langmuir，1881—1957），美国物理化学家，研究固体、液体表面分子膜，获1932年诺贝尔化学奖，提出原子结构和化学键理论，引用共价这一术语发展了真空泵，原子氢喷灯等。
　　朗缪尔对电以及电对金属的作用进行了深入的研究，他开始思考作为电的基本单位，电子在原子和分子结构中所起的作用。鲍林阅读的这篇论文长达66页，题目是“原子和分子中电子的排列”。朗缪尔谦让地提到，他的论文是对另一位美国化学家——加利福尼亚大学化学系主任路易斯①——战前提出的思考所作的进一步发挥。鲍林阅读了朗缪尔的文章，又查阅了路易斯的论文。此时，他开始用一种全新的眼光来看待化学了。
　　①路易斯（Gilbert　Newton　Lewis，1875—1946），美国物理学家，研究热力学、原子结构、光化学、酸碱理论等，首次分离氢的同位素氛，并制备重水的纯样品。
　　路易斯和朗缪尔的论文试图在化学家与物理学家在原子结构中所发现的一些令人困惑的现象之间建立一种联系。而原子结构正是当时的热点问题。两千年来，原子被认为是自然界最基本的单位，至微至小的物质。（原子这一名称本身的原意即为“不可分”。）约翰·道尔顿在1808年以“化学哲学的新制度”一文将19世纪的化学牢固地建立在原子理论的基石之上。在文中，他令人信服地辩称，不可分的原子以整数倍的关系与别的原子结合成化合物：一个碳原子与两个氧原子构成二氧化碳；一个碳原子与一个氧原子构成一氧化碳；一个氧原子与一个氢原子构成水（这里他犯了一个小小的错误）。到19世纪80年代和90年代，道尔顿的理论开始出现了问题，无法解释新发现的一些奇怪现象，比如互射线和放射性等。1897年，原子不可分的理论被汤姆逊①底推翻。这位英国物理学家，著名的剑桥大学卡文迪什实验室主任，发现了比最小的原子还要小一千倍的粒子，从而震惊了整个科学界。汤姆逊称这种粒子为“微粒”。不久之后，这种微粒被发现是电的基本单位，从而被命名为“电子”。
　　①汤姆逊（Sir　Joseph　John　Thomson，1856—1940），英国物理学家，发现电于及同位素，因气体导体研究获1906年诺贝尔物理学奖。
　　这是人们第一次窥视到亚原子的世界。这一发现把人们对科学的观念一下子颠倒了过来。汤姆逊对电子的发现造成了科学认识的危机，迫使物理学和化学理论作出重大的修改——在世纪之交，这一事件的影响也许比任何别的事件的影响都要大得多。
　　电子看上去是原子的自然组成部分。既然原子是由更小的粒子组成的，那么原子到底是什么呢？汤姆逊发现，电子带负电。但是在正常情况下，原子并不带任何电荷；因此一定存在一些带正电的物质来中和电子的负电。汤姆逊认为电子也许稳定在一个正电场中，就像布了蛋糕里的葡萄干。不久之后，他从前的一位学生，新西兰人卢瑟福①翻了他的理论。卢瑟福是动手做实验的天才，他在1911年宣布，他发现原子具有完全不同的结构：他设计了一种精密的实验，显示出在原子中央是一个很小、密度很大且带正电的原子核。原子的其余部分除了电子以外空空荡荡。如果把原子放大到足球场大小，卢瑟福的原子核就会像放在五十码线上的一颗米粒，而小得几乎看不见的电子则围绕外层看台在转圈。
　　①卢瑟福（Emest　Rutherford，1871—1937），英国物理学家，生于新西兰，因对元素衰变的研究获1908年诺贝尔化学奖，通过阿尔法粒子散射试验发现原子核，并据此提出核型原子模型。
　　这一发现与汤姆逊发现电子同样地令人吃惊。原子不是实心的球，而是一张精巧的丝网。实心的物质实际上几乎是一片空白。卢瑟福的发现引发了另一轮理论探讨。如果原子核真的那么小且带正电，而电子真的高原子核那么远且带负电，那么是什么力量使两者结合在一起呢？异性相吸，为什么电子不会一头栽进原子核中去呢？
　　物理学家对运动的物体和力的研究是相当深入的；牛顿理论以及后来科学家的研究使他们能够仅仅凭几个地球上的试验就能预测天体的运动。同样，这一套久经考验的自然规律——后来被称之为古典物理学——也可以用来解释原子的运动。卢瑟福自己就提出，原子结构有可能像一个小型的太阳系，电子绕原子核运动就如同行星绕太阳运动。电子运行的速度可能抵消了原子核的吸引力。同大多数物理学家一样，他认为电子是高速运动的；卢瑟福的原子模型是一个动态模型。但他的理论不能成立。一个致命的缺陷是，在传统理论下，任何运动的物体都会失去能量。就拿电子来说，这意味着卢瑟福的原子会像一块上了发条的表，发条松了之后，电子就会盘旋着掉进原子中去。
　　如果原子不像太阳系，那像什么呢？在20世纪初的几十年内，这个问题的答案像圣杯①一样吸引了几代孜孜以求的物理学家。
　　①圣杯，传说是耶稣在最后的晚餐所用的餐具之一。
　　在寻找圣杯的旅途中物理学家并不是独行者。在引起鲍林关注的那篇论文中朗缪尔写道：“原子结构这一问题主要是由物理学家来研究的，而他们很少考虑那些最终必须由原子结构理论来解释的化学特性。有关物质的化学性质和关系，我们已经积累了大量的知识，归纳出了元素周期表。相对于用纯粹物理方法进行试验得到的数据而言，丰富得多的化学资料是建立原子模型的更好基础。”
　　这儿涉及到一些化学与物理学科之间的竞争。前者是19世纪科学之王，而后者将是20世纪科技的霸主。路易斯和朗缪尔都熟悉并欣赏物理学——两人都在德国与物理化学的先驱们共同学习过，路易斯还是美国最早接受爱因斯坦相对论的一批学者之——但他们打心底里说还是化学家。
　　朗缪尔指出，化学的核心是元素周期表，这也是化学家破解大自然语言的罗赛塔石碑。①元素周期表在19世纪60年代开始成形。几位化学家发现，当他们按照原子重量从小到大排列各种元素时，某些化学性质——熔点、沸点、化学活性——似乎大致按照一定的周期上升、下降、再上升。从惰性气体氦这种自然界中最不具活性的物质之一开始。在周期表中后移8位是另一种惰性气体氖，再后移8位又是一种惰性气体氩。活跃的碱性金属同样如此：锂离开钠8位，而钠与同样离开8位的钾的性质又十分相似。
　　①罗塞塔石碑系1799年在埃及罗塞塔镇附近发现的古埃及石碑，其碑文用古埃及象形文字和通俗文字以及希腊文字刻成。该碑的发现为解读古埃及象形文字提供了线索。后来被人们借用来比喻有助于理解疑难问题的事物。
　　但是人们尚不清楚为什么总是8这个神奇的数字。在1913年左右，大家接受了一种新的观点，即周期表内每一个新增的元素不仅在质量上增加，而且要比前一个元素多一个电子。电子数量有规律地增加一定与元素周期性质有着密切的联系。
　　路易斯在1916年发表的一篇论文中解释了这种现象。他写道，惰性气体不活跃，是因为其电子排列特别稳定。惰性气体之间相差8位意味着增加了8个电子；不管电子是如何稳定地排列的，8个电子为一个单位。以前也有人提议过所谓的“八位法”，但在用这一法则解释化学时，路易斯比别人更进了一步。他由此出发，建立了一个新的原子模型。他的模型不同于物理学家的小太阳系模型。他把电子与原子核放在三维立体的空间中，彼此之间的距离相等，然后把它们联结起来。这就形成了一个包含原子核的立方体，在8个角上各有一个电子。在元素周期表上每上升一位就增加一个电子，在里层立方体外就形成一个新的立方体，就像大盒子里套着小盒子一样。
　　路易斯的立方体原子模型不仅能用来解释八位法，还能用来解释物理学家的小太阳系模型所不能解释的现象，例如一个原子是如何与别的原子组成稳定分子的。按照路易斯和朗缪尔的理论，元素具有一种形成有8个电子的完整立方体的自然倾向。一个原子如果比完整立方体多出4个电子——比如碳——它会与另一些能够提供4个电子的原子结合，以形成稳定的、具有8个电子的完整立方体。路易斯写道，完整的立方体可以通过与别的原子分享电子来实现。根据这一理论，这一过程是通过每次分享立方体一边的一对电子实现的。举例来说，4个氢原子逐个与碳原子外壳的4个电子分享其单个电子，形成了稳定的甲烷分子CH4，其外层立方体相当于有了8个电子。路易斯和朗缪尔写道，电子对的分享是把分子结合在一起的黏合剂。
　　原子的立方体模型虽然很简单，但是很有效，至少可以初步解释惰性气体的性质、元素周期表、化合价，以及为什么某些元素能与一定数量的其他元素更稳定地结合，这是人们早已知晓却无法解释的问题。
　　此外，路易斯和朗缪尔的模型有一个物理学家的模型所不及的方面：它符合化学家对分子形状的认识。化学家知道，分子决不是一些原子随心所欲的排列；它们有特定的形状。就甲烷而言，四个氢原子与碳原子形成的是一个正四面体，就像一座三面的金字塔。用太阳系模型无法令人信服地说明为什么甲烷具有这一种形状，但用立方体模型就能容易地看到，立方体的原子通过在每一边分享电子就形成了自然界中存在的这种形状。
　　路易斯1916年的论文是一篇突破性的文章，鲍林认为这篇论文完全应该为他赢得诺贝尔奖。如同许多在科学史上具有里程碑意义的文章一样，它提出了几个重要的概念。它将化学家的注意力集中到电子上来，并进一步巩固了人们日益接受的一种观念，即化学总的来说扎根于电子的排列。强调结构——“研究一种化学现象，我们必须首先了解原子的结构和安排，”路易斯这样写道——对化学的影响同样是巨大的。它确立了化学家在研究原子结构中的地位，直接向物理学家的太阳系模型提出了挑战，因为后者无法解释化合价或分子结构。更为重要的是，它提出化学键是由电子对形成的。
　　然而，路易斯的立方体原子模型也有其自身的问题。与物理学家“动态”模型相对应，他的模型很快被称为原子的“静态”模型，因为路易斯要求电子相对静止地呆在立方体角点上。物理学家争论说，静态的电子是不可想象的；一个带负电的粒子是无法在一个带正电的粒子附近保持静止的——静电作用会把它们拉到一起。路易斯典型的大胆回答是，他的模型可能是正确的，而牛顿定律是错误的。他在1916年写道：“如果我们发觉有必要修改近距离带电粒子相互作用法则的话。这在科学史上也不是绝无仅有的。随着观察领域的拓展，往往需要对以前小范围观察得出的推论作出相应的调整。”
　　后来美国参加了第一次世界大战，这一争论就被搁置在一边了。路易斯开始研究在毒气战中保护战士的方法，而卢瑟福则专攻放射性。原子结构的问题要等到战后新一代的年轻物理学家来继续下去了。在化学家方面，直到朗缪尔在1919年介绍并推进了路易斯的思想之后，它们才得到了应有的重视。
　　在读到路易斯和朗缪尔的论文之前，鲍林在授课时仍然沿用古希腊原始的化学键理论。照这种理论的说法，每个原子都有几个钩子和针眼，可以与别的原子扣在一起。比如说，钠有一个针眼；氯有一个钩子，因此很容易组成氯化钠，而两个氯原子的钩子扣在一起可以形成Cl2。两个钠原子则不能结合在一起。鲍林刚开始学习这种理论时，感到这样的解释还是可以令人满意的，但它毕竟无法说明钩子和针眼到底是什么，因而也无法说明把原子结合成稳定化合物的力量的实质。
　　而路易斯和朗缪尔的理论却可以对此作出解释。分享电子对的概念把化学和原子物理学结合在一起，这样就可以来讨论某些化学现象为什么发生，而不仅仅是描述发生了什么。
　　鲍林在学生时代就开始思考分子的结构。在读材料和冶金学课程时，讨论把铁炼成钢和金属的延展性时就需要涉及简单的原子模型。他记得在课上学到的一个概念是，当金属被拉伸时，原子平面会发生滑移，不同层的原子被重叠到了一起。他自鸣得意地想象着原子彼此碰撞，以此作为思考金属性质的基础。
　　在化学学习中，这是一个不可多得的享受。作为学生，鲍林能够阅读到大量的资料，其中描述了各种物质的属性——分子式、分子量、密度、颜色、晶体结构、熔点、沸点、溶解性、活性、折射率——然而没有一段文字是分析为什么会产生这些属性的：为什么水和甲烷的冰点不同？为什么石墨和钻石的硬度相差这么大？为什么氖气不同任何别的物质发生反应，而在周期表上仅与其相差一位的氯气却能和几乎所有的物质发生反应？现在，通过应用路易斯和朗缪尔的思想，鲍林学会了用一种更成熟、更能说明问题的方式来看待分子。他写道：“那时，我产生了一种强烈的愿望，要去了解物质的物理和化学性质与其原子和分子结构之间的关系。”
　　鲍林不仅被路易斯的思想所打动，也为其风格所吸引。路易斯的科学态度——大胆、理论、结构——将成为鲍林的榜样。这完全不同于他以前熟知的化学。这是理论化学，通过几个简单、概括的概念来解释、整理头绪纷繁的现象。路易斯试图用他的电子立方体来解释所有的化学现象，这让鲍林异常激动。他也开始用一种概括的思维进行思考，比以前的思维方式提高了一个层次。
　　鲍林希望与别人分享他的激动。与其他成熟的高等学府不同的是，俄勒冈农学院化学系并不经常组织研讨会，教师和学生们极少有机会在一起交流最新的研究成果。在鲍林任教的一年中，唯一举行的一次研讨会是关于捕捞冷冻加工的。鲍林尽管不到20岁，但决心提高学院学术交流的层次。为此他精心准备了一次研讨会以交流他的学习心得，而实际上那时他刚读完二年级。他向教授们介绍了化学最重大的进展：化学反应的“电子”理论。
　　米勒小姐
　　在教学之余的空闲时间里，鲍林还广泛涉猎了科学以外的知识。每隔几天，他就会到学校图书馆去，兴致所至，随意地翻阅一两本书。他发现了萧伯纳，阅读了他所有的戏剧，包括序言和介绍。他通读了莫泊桑的短篇小说，阅读了大量的哲学书籍以及他终身为乐的通俗文学。只要口袋里还有余钱，他每周都要购买《周末晚