20世紀的科學怪傑：鮑林(20)

二〇

　　然而玻爾卻胸有成竹，他認為量子不僅是真實存在的，而且在認識原子中是必不可少的。他於1913年發表了一篇論文，提出一種原子模型。與盧瑟福的模型相似，電子在扁平的圓形軌道上圍繞原子核旋轉。但是玻爾提出，軌道只可能具有一定的大小，而且受量子規則約束。獲得一定量能量，玻爾電子就會從一個軌道「跳躍」到另一個能量較高的軌道；回到較穩定的軌道，玻爾電子會釋放出能量，有時候還具有可見光的形式。

　　在過去的幾十年中，物理學家利用分光鏡仔細研究了發光體發出光線時產生的一種神秘現象。受熱時，不同元素發出的光線在光譜中的分佈並不是均勻的，而是相隔特定的波長。每個元素表現出的波長圖是獨特的，好比發光的指紋。這些圖樣本身令人著迷、催人遐想。它們似乎很有規律，預示著一定規則，但同時又異常複雜，難以作出解釋。透過分光鏡，每個元素似乎都以光的形式展示了某一獨特和諧的指法。但是，誰也無法解釋為什麼原子會發出這些奇特的音調。

　　玻爾能夠做到這一點。這是玻爾原子模型最令人矚目的成就：在觀察熾熱氣體時，他把電子在量子軌道的躍遷與通過分光鏡觀察到的亮紋的頻率聯繫了起來。

　　至少在氫元素上玻爾理論是相當成功的。氫是最簡單的元素，只有一個電子，玻爾的原子模型可以用來計算最明顯的氫原子光譜。但是儘管經過多年努力，他的理論仍不能令人滿意地解釋氫原子光譜的一些精細結構，更不用說解釋比氫複雜的元素了——當然，任何別的元素都要比氫複雜。

　　但是在氫光譜上取得的成功促使其他一些物理學家——其中主要有勞厄以前的導師、德國理論家阿諾德·索末菲，慕尼黑理論物理研究院院長——來改進他的理論。第一次世界大戰期間，他在兩位作為敵對國公民扣留的助手的幫助下（其中一位是出生於俄國，後來在加州理工學院任教的保羅·愛潑斯坦），拓展了玻爾的原子模型。在簡單的圓形軌道之外，他們又增加了橢圓形的互相穿插的軌道，對於電子在這些軌道上的運動又用愛因斯坦的相對論進行了修正。結果是一個更加複雜的原子模型，可以用來解釋氫光譜的大多數精細結構，並可以推廣到多電子的原子。

　　這一玻爾—索末菲原子模型在戰後佔據了主導地位，鮑林從托爾曼那兒學到的正是這一模型。這是一個電子快速運動的動態原子模型，完全不同于鮑林在俄勒岡農學院為之入迷的路易斯和朗繆爾那種靜態的、立方體原子模型。到鮑林進入加州理工學院的時候，化學家的靜態原子已成為物理學家的笑談，就像加州理工學院院長密立根在1924年的一次講話中譏諷的那樣，「遊手好閒的電子坐在乾貨盒子的角上，準備握手，或是抓住其他原子中同樣遊手好閒的電子。」物理學家知道，電子得不停地運動才不致于撞向原子核。

　　與此同時，物理學家的動態原子也漸漸為化學家所接受。索末菲延伸的橢圓形軌道賦予玻爾原子一些化學家必需的三維特性：如果橢圓的一頭距離原子核較近的話，電子的軌道就會像胳膊一樣從原子核伸展出去，以一種可以想見的方式以特定的方向圍繞其他原子。玻爾在20年代早期也重塑了他的原子模型，把扁平的軌道變為三維的殼狀軌道，更接近於路易斯的立方體模型。妥協同樣來自于化學家方面。路易斯設想他的靜態電子可能代表運動離子的平均位置。到1923年，距他自己提出立方體原子模型僅過了七年，路易斯已準備接受玻爾—索末菲模型——至少在對氫原子的解釋上——儘管還不能解釋原子是如何互相結合在一起的。

　　玻爾—索末菲原子模型在20世紀20年代達到了最精妙的階段，完全是想像力造就的引人入勝的工藝品。在按照玻爾的規定畫出來的圖案中，原子看起來像一朵美麗的幾何花，花瓣是互相交叉的精細的電子軌道。鮑林在加州理工學院讀研究生的幾年中，這些複雜的原子結構，周邊的躍動、旋轉、和諧的電子軌道，加上和絃般的光譜線，照索末菲的說法，似乎代表了「球體上真正的音樂」。

　　但是這種音樂完全彈錯了地方。電子怎能從一個軌道消失，在另一個軌道重現，而不在中間什麼地方存在呢？經典物理學所說的「量子躍遷」是絕對不可能的。無人知道答案。按照牛頓對帶電物體運動的理論，帶負電的電子在圍繞帶正電的原子核運動時怎能不損失能量呢？大物理學家密立根也只能說，「上帝沒有那樣來創造電子。」即便索東菲作了修正，這一模型仍然不能解釋某些光譜現象，特別在較為複雜的原子中。這一理論存在缺陷。在原子層次上，經典物理學看來無能為力，但是玻爾的量子理論同樣解決不了問題。正如物理學家喬治·枷莫夫所寫的，「一時間似乎物理學家和物理學都神經錯亂了。」

　　有關對玻爾—索末菲模型所作的批評，鮑林有些是在托爾曼的課上聽到的，有些是從來訪的歐洲物理學家的講座上聽到的，特別是從保羅·艾倫費斯特關於量子物理的課程處聽到更多。然而，作為研究生，鮑林尚沒有能力評判玻爾的模型，也沒有能力創建一個新模型。每一方面都有那麼多的數據，每天都發生那麼多的變化，需要消化那麼多新思想。在大多數時候，他只是接受課堂上的內容，包括玻爾—索末菲原子模型的一般正確性。在加州理工學院物理化學討論會上，鮑林認為這是托爾曼講授的最重要的課程，老師和學生一章接一章地閱讀索末菲影響深遠的德文教材《原子結構和光譜線》最新的第四版。

　　在書中，這位德國物理學家詳細闡述了他的原子結構的思想。索末菲本人在1922年—1923年美國訪學時提出了自己的原子模型。鮑林在加州理工學院聽了他的講座，並成為一名信徒：一天下課後，鮑林截住索末菲，一邊沿著加州理工學院的拱廊走去，一邊向他講述自己對原子結構的想法；他甚至用鉛絲和木塊做了一個模型，向索末菲展示（後來被證明是錯誤的）如何用玻爾—索末菲軌道來解釋碳的四面體結構。在那時，鮑林還不能夠辨別哪些是量子理論的缺陷，哪些是自身學識的短缺。

　　自身學識的短缺有時候是顯而易見的，這使鮑林很痛苦。在一次討論會上，托爾曼問鮑林，為什麼大多數物質置於磁場中會短暫地表現出與磁場相反的磁性——一種稱為抗磁性的現象。正確答案是，磁場改變了物質中電子在軌道上的運動。但是鮑林並不知曉最新的發現，回答說抗磁性不過是「物質的一般特性」。這一回答逗樂了托爾曼，他又向鮑林提了更多的問題。另一次，托爾曼問了一個鮑林無法回答的問題，鮑林只能乾巴巴地回答：「不知道，我沒有上過這門課。」課後，一個老成精明的博士後把鮑林拉到一邊，給了他一些友好的忠告。「萊納斯，」他說，「你不該這麼回答托爾曼教授。你現在是研究生了，你應該什麼都知道。」

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　　鮑林希望知道的東西越來越帶上了理論性。

　　科學家大致可以分為兩大類：理論家和實驗家。實驗家在實驗室裡開展工作，從自然界中一點一滴地驗證經驗性事實，最終搜集起大量的資料來確切說明物質的性質。理論家在大腦中開展工作，試圖從實驗家搜集的事實中理出頭緒，尋找決定個別事件的自然法則。實驗家確定發生了什麼；理論家解釋為什麼。在托爾曼的影響下，鮑林更加沉醉于理論思維帶來的興奮中。這適合他的性格和才能。他的興趣很廣泛，而理論科學家正需要寬廣的思路。他具有驚人的記憶力，因此可以在好幾個領域中旁徵博引。他喜歡猜謎，而在看似毫無關聯的實驗數據中發現內在理論正是世界上最大的一個謎題。而且鮑林雄心勃勃。成功的理論家是科學之星，是如愛因斯坦、路易斯和玻爾那樣的巨匠。這是一條通向巔峰之路。

　　這一誘人的前景，加上鮑林越來越深切地認識到分子結構在認識化學性質中的關鍵作用，促使他確定了一個目標：他要發現分子中原子結合的規律。原子與一定數目的其他原子按一定距離形成具有一定形狀的分子。為什麼這些數目、距離和形狀是一定的呢？化學鍵，不管它到底是什麼，將是解決問題的鑰匙。量子物理學既然在發掘原子內在構造中取得了一系列的成功，那麼可以邏輯地推斷，它最終也可以解釋化學鍵。把量子理論同化學鍵聯繫起來的那個人也將在物理學家的動態原子和化學家的靜態電子之間達成一種妥協。為化學（仍然是一門描述性科學）帶來數學物理新方法之火的那個人將有機會重塑這一學科，造就真正的「物理化學」，從而可以直接從物理定律定量地預測化學現象。這將是一項非凡的重要成就，鮑林在研究生階段的早期就瞄準了這一項目標。

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