20世紀的科學怪傑：鮑林(28)

二八

　　問題是，儘管薛定諤的波動方程在計算一個電子圍繞一個原子核運動的能級時，相對來說很簡單，然而每增加一個元素都要單獨作計算，還要計算它對別的元素的影響。精確的數學解很快就變得不可能了。然而，鮑林運用了在改正文策爾的論文和計算屏蔽常數時學會的技巧，從而簡化了運算。他只是把注意力集中在最外層的電子上。這樣鮑林就可以運用波動力學來計算光線的折射、抗磁性和較為複雜的大原子的尺寸——這是波動力學第一次被運用到這些問題上，實為這一領域中開創性的一步。

　　12月底，鮑林在住所的一架老式德文打字機上敲出了一篇長篇論文的草稿，這樣可以免掉慕尼黑打字杜對於英文稿件的雙重收費。愛娃一邊聽，一邊等，還不時從鮑林背後探過頭去。「你肯定這條曲線畫得對嗎？」她指著一個鮑林用來注釋論文的圖例問道。「我當然肯定，我自己畫的。」鮑林回答說。然後，他又仔細瞧了一眼，想了一會兒，作了修改。

　　最後，論文可以交給索末菲了。院長十分滿意。他利用自己倫敦皇家學會外籍院士的身份，提交論文「多電子原子和離子物理性質的理論預測」在學會的《公報》上發表。在序言中，索末菲寫道：「我深信，這些原子結構的基本問題從沒有人如此徹底和完整地解決過。」

　　鮑林也知道自己寫了一篇好論文，並準備把自己的屏蔽常數思想更加深入下去。他在給諾伊斯的信中寫道：「我相信，這項工作相當重要。這一方法可能的推廣和運用機會無窮；比如說。我現在正在研究晶體中離子的大小和不同類型晶體的生成問題。」

　　把新的量子力學工具重新運用到晶體研究中去，鮑林完成了他研究興趣中一個重要的輪回。在加州理工學院，他對Ｘ射線衍射只能解決最簡單的晶體結構問題感到十分沮喪。為了克服這一局限，布拉格和其他晶體學家在對簡單晶體做了大量工作的基礎上，一直在致力於建立離子——帶電原子，如精製食鹽中的鈉原子和氯原子——大小的表。他們希望通過這些表可以發現一些通用的規則和結構，並由此來解決難以直接計算的複雜晶體的結果。只要有人能夠找到一套實用的規則，就有可能解決成百上千種較為複雜的晶體結構。

　　運用量子力學和在修改文策爾論文時學會的技巧，鮑林現在能夠換一個角度來解決這一問題了。在完成給皇家學會的那篇論文之後的幾個星期裡，鮑林又寫出了另一篇重要論文。他寫道，離子的大小是由其最外層的電子決定的；而外層電子的行為在很大程度上是由內層電子把它們從原子核隔開的程度決定的。晶體中離子間的距離受兩個帶正電的原子核相互排斥的影響，而這又受電子屏蔽的影響。運用新的屏蔽常數，鮑林現在可以在量子力學的基礎上牢固地建立起一個離子大小的表，而且他運用自己確定的那些數值開始構造決定原子結構的一套一般性規則。

　　這兩篇發表於1927年年初的論文確立了鮑林的國際地位，並指出了未來研究的方向。在兩篇論文中，他都採用了半經驗的方法：先計算出理論值，與實驗數據作比較，然後修改理論以更接近現實。遵循索末菲的教誨，同時也出於自己的稟性，鮑林採用了一切可以運用的理論——給皇家學會的論文包括了經典理論、老的量子理論的成分和新的量子力學理論。更為重要的是，他把兩種強大的科學工具結合了起來，Ｘ射線晶體學和波動理論，並讓兩者互相檢驗。「我認為這十分有趣，你可以通過Ｘ射線晶體學看見薛定諤波動力學的函數，」鮑林在給諾伊斯的信中寫道。「應該在實驗中繼續這一工作。我相信從中可以得到有關化學鍵本質的大量知識。」

　　§海特勒和倫敦

　　在化學鍵這一問題上，鮑林沒有取得多大進展。他希望在歐洲多呆一些時間，所以在那年冬天申請把他的古根海姆獎學金延長六個月，以進一步研究「從薛定諤波動力學得到的原子模型，特別是運用這一模型來解釋分子和晶體中的化學鍵問題」。他計劃2月中旬離開慕尼黑，到哥廷根隨玻恩學習兩個星期，到柏林學習晶體結構技巧，在哥本哈根玻爾處學習六個星期，到蘇黎世參加薛定諤為期三個月的夏季研討班，最後在9月回國途中順道訪問一下英格蘭的布拉格父子。在隨鮑林延期申請一同寄去的附信中，索東菲寫道：「我的同事和我一致認為，他是一位不同尋常、興趣廣泛、成就卓著的科學家。完全有理由對他抱有最大的期望。」鮑林的請求得到了批准。

　　鮑林回到美國之後的安排仍是一個懸而未決的問題。1926年聖誕節剛過，他寫信給諾伊斯：「我突然意識到，加州理工學院和其他大學很快就要對明年的教職安排作出計劃了；也就是說，關於我的職位和薪水的最終安排也要很快落實。至今為止，我還沒有收到任何一所學校的邀請，因此我認為，也確信，我將回到理工學院。」一周後，他寫信給路易斯，暗示如果待遇合適的話，他有可能到伯克利去：「到目前為止，我尚未確定明年的去向；但是我已經答應諾伊斯博士明年我會回理工學院，除非有人給我更好的待遇（我還不清楚理工學院將給我的待遇）。」過了好幾個月路易斯才回信：「我原本希望在我們的物理系給你安排一個位置，但是至少今年的計劃已經定了。不管怎樣，如果你不回到諾伊斯博士身邊的話，恐怕他會十分失望的。」

　　路易斯提出物理系是相當符合邏輯的。鮑林如此癡迷於理論物理，他還算不算是一個化學家呢？在慕尼黑將近一年的時間裡，他從沒有去過慕尼黑大學的物理化學研究院，而且除了和化學系主任卡西米爾·法揚閒聊過幾回外，他同化學系的教師也沒有任何往來。他所有的交際和研究都是在理論物理領域。

　　但是他自身的稟賦和技能促使他又回到了化學領域。在俄勒岡農學院和加州理工學院，鮑林毋庸置疑是反映最快、最優秀的學生之一。然而在歐洲，他發現自己在一群年齡與自己相仿的傑出年輕人中（包括泡利、海森伯、狄拉克和約爾丹）還是默默無聞的人物。「我在1926年到歐洲時相當震驚，因為我發現我周圍的許多人都比我聰明，」他回憶說，特別提到了海森伯、泡利和貝特。他也開始意識到自己數學能力的不足。儘管在運用他的半經驗方法來解決化學問題時，他的數學已綽綽有餘，但是離數學物理的嚴格要求還差一些。

　　另一方面，「我覺得我知道的一些東西——關於化學的豐富知識——別人並不掌握，」他說。在慕尼黑學習一年後，他寫信給諾伊斯：「大多數人認為我在研究原子和分子性質上的工作應該歸入物理，但是我覺得儘管現在的化學研究已經需要運用相當多的數學知識，化學研究仍屬化學的範疇。這一問題不僅具有學術上的價值，因為對這一問題的答案決定了我是一個物理學家還是一個化學家。」對於他自己的工作，他寫道：「照一般的認識，你很難把我的工作歸入物理化學；也許稱其為分子化學更恰當。」

　　以前從未有過「分子化學家」一說。鮑林似乎在暗示，他開創了一個屬自己的天地。不過，名稱對於諾伊斯來說無所謂；他需要鮑林。物理學家希望發現原子現實下蘊藏的規律；鮑林希望運用這些規律使化學更具有理性，體系更嚴謹。先前驅動奧斯特瓦爾德和諾伊斯的正是同樣的夢想：被物理學光芒照亮的化學。只不過現在的物理學發生了翻天覆地的變化。而鮑林將把這新的火炬帶回來。

　　1927年春末，諾伊斯寫信給鮑林，給了他一個加州理工學院的教職。名稱相當出奇，反映了他的雙重興趣：理論化學和數學物理助理教授。

　　鮑林在獲悉他的古根海姆獎學金得到延期後的幾星期，就和愛娃一起來到了哥本哈根的尼爾斯·玻爾研究院。這裡是量子革命的中心，已經帶上了傳奇的色彩。人們談論著彌漫在玻爾研究院裡的哥本哈根精神：一種互助、協作和友誼的精神。人們進行著無休止的討論，對任何一種新的物理思想無不究其窮盡。鮑林從一個同事那兒聽說過，玻爾研究院聽課不用作任何安排，所以他沒有收到正式邀請就去了。這位同事看來是提了一個糟糕的建議。鮑林發現幾乎無法見到這位偉人；玻爾的大腦被更宏大的問題佔據了。

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