20世纪的科学怪杰：鲍林(30)

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三〇

但是，在化学界却传出了令人激动的消息。刚到苏黎世，鲍林就得知两个德国青年，瓦尔特·海特勒和弗里兹·伦敦，成功地将波动力学运用到氢分子的电子对化学键上。　　鲍林和爱娃在慕尼黑时与海特勒和伦敦就相处得很好。在海特勒获得博士学位的那天晚上，四个人在纽博斯餐馆用香槟酒为他庆贺。那时他们就谈到了化学键的问题，但是谁也无能为力。随后，海特勒和伦敦来到瑞士跟随薛定谔攻读博士后，并在几个月后取得了突破。　　鲍林来到苏黎世后拜访了他俩，双方展开了热烈的讨论。他得知海特勒和伦敦成功的关键在于采用了一年前海森伯提出的一个观点，他称之为电子交换，或是“共振”。基本思想是，在适当的情况下，电子会很快地交换相互的位置；海森伯用这一思想来解释氨的一些非常奇怪的光谱线。海特勒和伦敦对这一概念作了一些修改来解释化学键：他们想象两个带有自己电子的相同的氢原子互相接近。当它们靠近时，一个电子越来越被另一个原子的原子核所吸引。在某一点上，一个电子会跳向另一个原子，随后电子交换就以每秒数十亿次的频率发生了。在一定意义上，我们无法确认某一个电子是某一个原子核的。海特勒和伦敦发现，正是这种电子交换产生了把两个原子联结在一起的能量。他们的计算表明，电子密度在两个原子核之间最大，这样就降低了两个带正电的原子核之间的静电斥力。在某一点上，正电之间的斥力正好与电子交换的能量相平衡，这样就建立了一定长度的化学键。　　电子交换在化学里是个全新的概念——在海森伯之前物理学中还没有类似的东西——但是它看来很管用。基于这一体系的计算值与氢分子的几个技术常数的实验值大致上相等，而且海特勒一伦敦模型在别的方面也成立。泡利的不相容原理提出，两个原子只有在自旋方向相反时才能在同一轨道上共存，而海特勒和伦敦发现他们的化学键如果要在氢分子中存在，以上状态是必要的。成对电子形成了原子间的粘合剂：这就是路易斯的共用电子对化学键，现在被赋予了牢固的量子力学基础和数学解释。新物理学又一次指明了一种奇怪的新现实。　　鲍林对海特勒和伦敦的成果感到非常振奋，他在苏黎世的大部分时间里都在试图推广他们的概念。他与海特勒和伦敦进行了大量的讨论，不过在计算方面，一般都是他独立完成的。那段时间他没有写一篇论文。但是在9月1日启程返回美国的时候，他已经决定运用海特勒和伦敦对于化学键的共振解释来解决所有的化学结构问题。这将成为他今后十年工作的基础。　　◎6　化学键　　§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。

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