20世紀的科學怪傑：鮑林(30)

三〇

　　但是，在化學界卻傳出了令人激動的消息。剛到蘇黎世，鮑林就得知兩個德國青年，瓦爾特·海特勒和弗裡茲·倫敦，成功地將波動力學運用到氫分子的電子對化學鍵上。

　　鮑林和愛娃在慕尼黑時與海特勒和倫敦就相處得很好。在海特勒獲得博士學位的那天晚上，四個人在紐博斯餐館用香檳酒為他慶賀。那時他們就談到了化學鍵的問題，但是誰也無能為力。隨後，海特勒和倫敦來到瑞士跟隨薛定諤攻讀博士後，並在幾個月後取得了突破。

　　鮑林來到蘇黎世後拜訪了他倆，雙方展開了熱烈的討論。他得知海特勒和倫敦成功的關鍵在於採用了一年前海森伯提出的一個觀點，他稱之為電子交換，或是「共振」。基本思想是，在適當的情況下，電子會很快地交換相互的位置；海森伯用這一思想來解釋氨的一些非常奇怪的光譜線。海特勒和倫敦對這一概念作了一些修改來解釋化學鍵：他們想像兩個帶有自己電子的相同的氫原子互相接近。當它們靠近時，一個電子越來越被另一個原子的原子核所吸引。在某一點上，一個電子會跳向另一個原子，隨後電子交換就以每秒數十億次的頻率發生了。在一定意義上，我們無法確認某一個電子是某一個原子核的。海特勒和倫敦發現，正是這種電子交換產生了把兩個原子聯結在一起的能量。他們的計算表明，電子密度在兩個原子核之間最大，這樣就降低了兩個帶正電的原子核之間的靜電斥力。在某一點上，正電之間的斥力正好與電子交換的能量相平衡，這樣就建立了一定長度的化學鍵。

　　電子交換在化學裡是個全新的概念——在海森伯之前物理學中還沒有類似的東西——但是它看來很管用。基於這一體系的計算值與氫分子的幾個技術常數的實驗值大致上相等，而且海特勒一倫敦模型在別的方面也成立。泡利的不相容原理提出，兩個原子只有在自旋方向相反時才能在同一軌道上共存，而海特勒和倫敦發現他們的化學鍵如果要在氫分子中存在，以上狀態是必要的。成對電子形成了原子間的粘合劑：這就是路易斯的共用電子對化學鍵，現在被賦予了牢固的量子力學基礎和數學解釋。新物理學又一次指明了一種奇怪的新現實。

　　鮑林對海特勒和倫敦的成果感到非常振奮，他在蘇黎世的大部分時間裡都在試圖推廣他們的概念。他與海特勒和倫敦進行了大量的討論，不過在計算方面，一般都是他獨立完成的。那段時間他沒有寫一篇論文。但是在9月1日啟程返回美國的時候，他已經決定運用海特勒和倫敦對於化學鍵的共振解釋來解決所有的化學結構問題。這將成為他今後十年工作的基礎。

　　◎6　化學鍵

　　§四面體

　　當鮑林回來的時候，加州理工學院呈現出一派欣欣向榮的景象。在密立根生氣勃勃的領導下，學生人數在1927年秋天增加到600多，其中包括100名研究生。加州理工學院物理系一年發表的論文數超過全國任何別的學院。海耳正在洽談一筆巨大的捐款，打算在威爾遜山頂上建造一架世界上最大的望遠鏡。地質學系剛剛成立，航空實驗室也處於圖紙設計的階段。更為重要的是，據剛透露的消息稱，全國最著名的遺傳學家摩爾根①來此建立一個生物學系。生物學與物理學和化學一起，將成為加州理工學院的三駕馬車，而摩爾根——他確定基因的位置在染色體上，同時也使他的實驗對象果蠅風光了起來——正是再恰當不過的領導。他是一位頂尖高手，具有良好的社會關係，享有大筆的資助。他是在哥倫比亞大學被加州理工學院典型的做法吸引過來的。他將有自己的實驗樓，有充足的研究基金。他在1928年的到來立刻使加州理工學院成為全國生物學領域的重要力量。

　　①摩爾根（Thomas Hunt Morgan，1866—1945），美國遺傳學家、胚胎學家，因創立遺傳的染色體學說獲1933年諾貝爾醫學獎。

　　鮑林、愛娃和小萊納斯租了南威爾遜大街320號的一所小房子，離校園兩條街，在那裡他準備開始自己作為教授的第一年正式的教學生涯。但是他並沒有保留在慕尼黑時諾伊斯寫信告訴他的理論化學和數學物理學助理教授這一豪華的封號。「數學物理學」這一部分被刪掉了。鮑林回憶說：「我不知道物理出了什麼事。也許密立根反對我腳踩兩條船，也許諾伊斯……決定不讓我和物理系發生任何關係，惟恐我會改行。我無所謂。」可能並不是巧合，他最終的頭銜，理論化學助理教授，和諾伊斯在麻省理工學院多年裡的頭銜一樣。

　　由於這金森已經轉到別的領域，鮑林接管了理工學院Ｘ射線實驗室。他的第一個辦公室設在Ｘ射線實驗室一角，只有一張桌子，在那裡他可以直接監督他的第一個正式研究生的活動。他是一個來自得克薩斯的勤奮的青年化學家，名叫霍爾姆斯·斯特迪文特。鮑林開始準備他作為助理教授的第一門課程——「波動力學及其在化學上的應用」——他自己動手寫了250頁筆記。後來他把這些筆記改寫成了一本書。

　　他把剩餘的精力投入了自己的科研工作。和他通常的做法一樣，他的大腦同時思考著幾個問題。在離開歐洲前，鮑林和戈爾德施米特商議好，把他的德語博士論文翻譯並擴充成一本關於光譜學的專著。這兩位青年理論家通過書信完成了這本書，戈爾德施米特寫了一些章節；鮑林寫了另一些章節並負責最後的編輯工作。《線狀譜的構造》一書在1930年出版。這是鮑林的第一本專著，但是已經明顯地帶有他無法遏制的自信：至少有一個評論家抱怨說，著者斬釘截鐵的語氣使人覺得在線狀譜方面已經沒有什麼新的東西可以學習了。其他的評論都持肯定的態度，這本書取得了一定程度的成功。

　　不過，與戈爾德施米特的合作純粹是物理學上的研究，這使人對鮑林在加州理工學院的位置產生了疑問。在書出版之後，鮑林在化學系開設了基於這本書的一門課，但是只上了一次就被諾伊斯取消了。他告訴鮑林，密立根對在不對口的院系中開設物理課程很不滿意，但是鮑林後來猜測是諾伊斯自己作出了決定，目的是讓他專攻化學。

　　這一事件表明了諾伊斯內心的憂慮。鮑林的興趣廣泛，也許過於廣泛了，包括理論物理。這沒有什麼不對——諾伊斯送他去歐洲的本意就是讓他去學習新物理——但是現在他的計劃是讓鮑林把學到的知識運用到化學上去，而不是改行去研究物理。

　　在從歐洲回來的前幾個月中，鮑林一門心思鑽研純理論物理。量子力學令他著迷，而索末菲教給他的工具足以讓他在這一領域內出人頭地，特別是在美國，量子物理學家寥若晨星。另一方面，他看著諸如海森伯、泡利和狄拉克之類的科學家，用他們令人眩目的數學和哲學才華作出了重大的科學發現，令他望塵莫及。實際上，鮑林對這一競爭感到畏懼，這也許是他一生中唯一的一次。

　　他需要獲得突破，而他意識到突破口在新物理和化學的交界地帶。如果說美國的量子物理學家還只是鳳毛麟角的話，那麼在20年代末在美國能夠把量子力學應用到化學上的科學家更是屈指可數了，而且他們之間的多數人是對化學抱有興趣的物理學家。而鮑林是獨樹一幟的，他受的訓練和世界觀是化學家的，而同時又有淵博的數學和物理學知識。量子力學開闢了一個新天地，其在化學領域的應用也展現了一個巨大的新空間，特別是有關化學鍵的問題。這兒的大門敞開著，全部的寶藏等待有識之士來發掘，來揚名。鮑林回憶說：「我認為有可能把工作做得更為出色一些，但是不知從何下手。我預感到我可能在這一領域作出一番事業，而且可能性相當大，值得我為之去奮鬥。」在回到加州理工學院幾個月後，鮑林在給一個同事的信中寫道：「我確信我不該被理論物理學的鬼火所迷惑。」化學才是屬他的，但這是一種被新的物理學改造過的新化學。

　　一旦確定了重點，鮑林的工作進展神速。例如，在化學鍵的問題上，他認為還有很多工作沒有做。鮑林覺得海特勒和倫敦在氫分子共振上的突破只是邁出了第一步，而他倆關於更為複雜的分子的嘗試尚不能令人滿意。他們畢竟都是物理學家，而不是化學家，所以不能指望他們把能量交換的概念與他們一無所知的浩如煙海的化學現象聯繫起來。儘管他倆先于鮑林成功地運用量子力學來解決化學鍵的問題，但是鮑林仍然有很大的餘地來充實和修飾他們的創新思想。

　　他做的第一件事情是為《化學評論》準備一篇長文。該文介紹了海特勒和倫敦在單電子氫分子離子化學鍵問題上的研究工作，並加入了自己的一些觀點。對大多數化學家而言，這是他們首次看到量子力學在自己領域中的應用，也標誌著鮑林以量子化學家這一新的角色登上了美國科學舞臺。

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