20世紀的科學怪傑：鮑林(31)

三一

　　然後，他作了一次勇敢的飛躍。在1928年春天他給《國家科學院學報》寫了一篇注記，文中把海特勒和倫敦關於化學鍵的理論稱作「簡單的理論」，並說它「在簡單的情況下與路易斯共享電子對的成功理論完全等效」，並沒有什麼新鮮內容。在文章的結尾，他用整整一段的篇幅，宣稱自己已經取得很大的進展。他說，他的計算表明，量子力學可以解釋碳的四面體結構。

　　這一下子引起了讀者的注意。碳是一個被深入研究的元素，也是全部有機化學的關鍵。碳原子串起了蛋白質、脂肪和澱粉的主幹——生命系統的主要組成部分。碳化學就是生命的化學。

　　但是，物理學家和化學家在碳電子的結構上難以取得一致意見。大家知道，每一個碳原子總共帶有六個電子，而開始的兩個電子與成鍵無關，因為它們結成對，可以重新生成氦的含有兩個電子的內層電子結構。在理論上，剩餘的四個電子應該處在下一能級，也就是所謂的原子第二層。化學家都知道，碳為別的原子提供四個化學鍵，而且在自然界中，這些化學鍵保持幾乎相同的長短和強度，並處在一個三面的金字塔或者說是四面體的四個角上。

　　但是，物理學家說，這種情況不可能發生。最近的光譜研究顯示，碳的四個成鍵的電子處於兩個不同的能級或亞層中。兩個低層的電子彼此成對，這樣就只有兩個電子能夠與別的原子成鍵。物理學家說，碳的原子價應該是2。而實際上這種情況極少：比如說，一氧化碳，碳與一個氧原子組成了雙鍵。

　　協調物理學家的碳原子和化學家的碳原子是一巨大的挑戰，而鮑林決心迎接這一挑戰。物理學家的光譜結果不容質疑，而化學家的四面體同樣證據確鑿。兩大陣營都應該是正確的。

　　在他1928年的注記中，鮑林基於海特勒和倫敦的能量交換說提出了一種解釋。每次形成一個新的化學鍵時，都要涉及新的能量交換。他寫道，形成四個四面體化學鍵所產生的能量交換足以打破物理學家亞層中的四個成對電子，並使它們組成新的形式。

　　這是一種令人振奮的思想，但是需要有相當的數學來支持。鮑林在那個注記中沒有詳述，只是說：「有關這裡提及的材料的詳細說明將送交《美國化學學會學報》發表。」然後，他把自己的注記複寫了一份送給路易斯，並附上一封信說：「我很高興，新的原子模型重現了路易斯原子和玻爾原子的鮮明特點。」

　　鮑林的「詳細說明」過了幾乎三年才與讀者見面。1928年，他進行了許多複雜的運算，至少初步能讓他確信自己的想法是正確的，但是他說：「運算太複雜了，我擔心人們不會相信，而且我也可能不相信。……誰都可以看到，量子力學必將走向四面體碳原子，因為這是我們已經掌握的事實。但是公式太複雜了，我怎麼也不敢肯定自己的論點能夠說服別人。」

　　今天，通過計算機我們可以得到精確的結果。但是在1930年，想要完全解出任一分子系統的公式都是不可能的。和每一個試圖把波動力學用到複雜的體系上去的理論家一樣，鮑林不得不尋找捷徑，作出種種假設和近似，以進一步簡化數學方程。

　　同樣的數學障礙也難住了倫敦和其他有志於這一領域的科學家。不同的是，鮑林信心十足地認為，數學障礙最終會掃平，他最初的設想也將可以發表。為了不影響自己的科研重點，他讓自己的研究生斯特迪文特繼續研究四面體波動方程問題。斯特迪文特本人是一個相當能幹的數學家，然而他在苦幹幾個星期後毫無進展。鮑林因為已經專注於其他問題，就把碳的問題擱置了起來。

　　§鮑林法則

　　加州理工學院繼續吸引著世界上最傑出的理論物理學家來加利福尼亞訪問。20年代末，在鮑林的協助下，學院先後迎來了海森伯、索末菲和狄拉克。鮑林對他們的研究課題繼續保持著強烈的興趣，並發表了幾篇物理學方面的論文，如電子的動量分配以及光和Ｘ射線對電子的影響等。

　　不過，在大部分時間裡，他試圖通過Ｘ射線晶體學來解決分子結構的問題。在這一方面，他一籌莫展。如果他感興趣的一個結構涉及的原子數目稍微多一些，就幾乎無法解決了。問題的部分癥結又是數學，涉及到把衍射的Ｘ射線在照相底版上形成的圖譜換算成一個三維結構所需的令人望而卻步的計算。分子中的原子數量越多，圖譜就越複雜，理論上可能的結構就越多。每一個新增的原子都大大地增加了難度。

　　此外，還存在一個更加根本的問題：Ｘ射線晶體學家的工作方式。為了保證結果的準確性，研究者——在20年代幾乎都是物理學家——通常假定，所有能夠滿足化合物分子式的原子排列都是可能的結構。找到正確結構的過程是一個排除不能精確符合Ｘ射線和密度數據的結構的過程。這一嚴密的方法能夠得出確定的結果——你能夠肯定你找到了正確的結構，因為你一個一個地把所有其他的可能性都排除了——但是這也如同在一堆乾草中尋找一根針，你每次揀起一根草，將它同針的圖片對照，如果不匹配就將它扔到一邊。晶體的結構越複雜，草堆就越大。

　　Ｘ射線晶體學家的目標越來越大，這一工作的難度也越來越大，越來越耗費時間，越來越機械重複，需要雇傭一支「人腦計算機」隊伍來進行數學計算。這不配鮑林的胃口，他開始尋找捷徑。在先前大量閱讀和思考的基礎上，他開始綜合他的化學和Ｘ射線晶體學知識來形成一種結構的世界觀，一種對於原子互相組合傾向的認識。如果他讀到一篇關於晶體結構的文章，而結論又是合理的話，他就將它存人自己的大腦庫中。但是如果結論有些不大對勁——鍵角歪斜，或者原子錯位——鮑林就會進行仔細檢查，有時候參照已發表的Ｘ射線照片來重建結構，有時候重新進行Ｘ射線衍射分析。他經常發現，自己感覺是錯誤的結構，實際上的確是錯誤的。

　　當然，偶爾更令他激動的是，他感覺是錯誤的結構被證實是正確的。那樣，他就得修正自己的世界觀，以便包容這一新知識。這就是他學習的過程。經過多年的訓練，他已獲得對結構的一種神奇的感覺；他甚至可以在轉眼之間想像出合理的結構，否定不合理的結構。後來，觀察家們將此稱作鮑林的「化學直覺」。然而這一稱呼並不完全正確，因為這過於強調了感情用事和非理性的一面。鮑林的能力完全是理性的，建立在長時間的認真閱讀和對浩瀚的化學事實進行整理和甄別的基礎上。

　　這種對化學結構的深刻理解使鮑林得以擺脫Ｘ射線晶體學舊方法的侄桔。「我的態度是，我為什麼不能從自己在研究無機物晶體本質時得到的知識出發，進而去預測它們的結構呢？」他問道。物理學家在做Ｘ射線衍射實驗時得考慮含有正確原子數的所有結構，因為除此之外他們就一無所知了。而鮑林卻知道，由於這樣或那樣的化學因素，多數假設的結構是不存在的。原子的位置相當有限。在開始之前，他就能去除多數無用的假設，只剩下少數幾個可能性。

　　預測是跳出晶體學家泥潭的絕好方法，但如要讓別的研究人員也能作出精確預測的話，就需要規則，一套能夠運用到各類情況下的原則，以說明為什麼某些結構是可能的或是不可能的。在20年代末，鮑林認識到某些基本的結構形式常常在不同的晶體中重複出現。這些結構形式重複出現總有一定的道理；它們一定受到某種規則的制約。如果他能夠發現這些規則，那麼他就能預測未知晶體的結構。

　　在英國曼徹斯特的實驗室中，英國物理學家威廉·勞倫斯·「威利」·布拉格也在沿著這一思路進行著思考。

　　布拉格的性格十分複雜。他生性靦腆，具有一種維多利亞的老派紳士風度，愛好養鳥和園藝，在許多方面更像一個鄉紳，而不是一個大科學家。他的一個同事說，甚至「他的外表和行為也像是一個富裕農場主，穿著不很入時」。

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