20世紀的科學怪傑：鮑林(32)

三二

　　他是英國最出色的物理學家之一，在他保守的外表之下是一顆爭強好勝的心。而且他面臨著巨大的壓力。他很早就在國際上成名，也許過早了一些。當時他和父親，也叫威廉，在勞厄最初的發現之後共同發展了Ｘ射線晶體學。Ｘ射線晶體衍射的布拉格方程是這門學科的基石；布拉格父子的教材是這一領域的聖經。與父親的合作，使威廉·布拉格在25歲時就獲得了諾貝爾獎，使他成為最年輕的獲獎者。接踵而來的是國際名譽和享有盛名的曼徹斯特實驗室主任一職。

　　他並不喜歡行政管理工作，而對科研癡心不改。布拉格具有一種去蕪存精、一針見血的科學本領，他正運用這一本領著手解決一個重大問題。在20年代末，布拉格的興趣集中在矽酸鹽上。這是一族數量眾多、重要的礦物，由矽、氧和各種金屬原子組成的複雜的離子晶體。矽酸鹽是地球上最普通的礦物——包括從滑石到黃玉的各種物質——同時也是最為複雜的礦物。弄清楚它們各種各樣的結構將是晶體學家的非凡成就。和鮑林一樣，布拉格也在尋找捷徑，並對自己發明的一種方法十分自豪。他把矽酸鹽視作由不同大小的離子組成的球體，就像是在一個罐頭中堆放彈子。布拉格的研究表明，離子晶體一般總會使原子盡可能緊密地結合在一起，他稱為「緊密排列」。在他的設想中，像氧這樣的大個離子彼此之間的排列將決定晶體的基本結構，而較小的離子則被塞進留下的空隙中。他相信，使用這一方法將會弄清楚所有的矽酸鹽結構。

　　照鮑林的說法，「布拉格認為這是他的領地。」但是鮑林闖了進來，粗暴地喚醒了主人。鮑林同樣對矽酸鹽深感興趣，並決心給布拉格製造一些競爭壓力。儘管這位英國科學家只比他大11歲，鮑林仍認為布拉格「屬老一輩物理學家，他在前面披荊斬棘，而我則設法跟上。」布拉格的緊密排列法是一個良好的開端，然而鮑林覺得有另外的方法可以使人得到更佳的結果。

　　和布拉格一樣，鮑林把這一類型的晶體中的離子設想為一定大小的球體，而且他透徹地知道這些球體的大小——畢竟鮑林是運用量子力學方法來確定離子半徑的第一人。但是在對這些球體性質的認識上，他倆的觀點不盡相同。布拉格認為離子晶體沒有更小的分子形式的結構——他將它們看作是單獨離子的延伸，就如他和父親在食鹽中發現的那樣——而鮑林認為矽酸鹽含有基本單位。比如說，矽的性質和碳十分相似；它與四個氧原子成鍵時也形成一個四面體。布拉格認為，氧原子在離子晶體中常常六個一組構成一個八面體。四面體和八面體：鮑林就是從這些基本的構造形式開始入手的。

　　對此進行了深入思考之後，鮑林取得了突破。他將自己在量子力學、離子大小、已發表的晶體結構和化學規則方面的知識天才地綜合起來，提出了一套關於最有可能的結構形式的簡單規則。其中最重要的一條稱為靜電價規則，以已知原子和其他原子成鍵的能力，即原子價為基礎，來確定在某一角上有多少原子會彼此聯結。這裡的關鍵是，在這些礦物質中，一個中心原子的原子價會被周圍帶相反電荷的離子按比例分配。其他的規則涉及到對面和棱的共用。把這些規則組合在一起，同時也考慮到布拉格的緊密組合思想，鮑林概括出一種相對簡單的程序，通過這一程序就可以一步一步地排除不可能的晶體結構並預測最有可能的形式。

　　他在1928年下半年最先在一系列論文上發表了自己的規則，作為對索末菲60歲生日的獻禮。對於一位教會他動用一切工具以得到解決方案的老師來說，這是一份最恰當不過的壽禮了。第二年，他在《美國化學學會學報》上更加詳盡地闡述了自己的理論。很快，他的理論在晶體學家中被稱作為「鮑林規則」。這些規則十分管用。在他最初的一些論文中，鮑林運用自己的規則解決了兩個複雜的矽酸鹽晶體結構，就是板鈦礦和黃玉。鮑林規則使Ｘ射線晶體學得以解決以前不可能解決的複雜構造。

　　但是，鮑林所做的並不僅僅是提出了這些規則。在對矽酸鹽的研究中，鮑林設計了一種解決複雜的Ｘ射線晶體構造的完整程序，在後來的幾十年中，他將不斷地求助於這種方法。首先，他利用已知的化學原則，建立了一套結構的規則。如果規則是嚴謹的話，單純的化學因素就可以排除許多理論結構，只留下幾個最有可能的構造。接著，鮑林把剩下的幾種可能做成模型，以辨別哪種是最佳的。通過模型，他可以立體地來審視這些結構，看一下哪些合理，哪些不合理，並不斷地擺弄和調整這些模型，直到合適為止。如果模型顯示某一構造的原子組合太緊或是太松，那麼也可以將這些結構排除在外。最後只剩下一個最有可能的模型。將這一假設的原子結構的特性，包括它可能產生的Ｘ射線衍射圖譜，與實際的物質作比較，如果符合的話，就可以認為這一結構是正確的。

　　綜合自己的化學和物理知識，加上自己對模型的新興趣，鮑林已能輕鬆自如地得到有關的結果，而別人仍陷在令人困惑的Ｘ射線數據的泥潭中不能自拔。幾年以後，鮑林向他的一位朋友卡爾·達羅闡述了自己的方法，因為後者告訴他，這種方法已經有一個稱謂：隨機法。達羅請鮑林看一本1909年出版的化學教科書，其中作者談到了這個早已不用的希臘詞，翻譯過來的意思就是「通過猜測來領悟真理」。簡單地看來，隨機法不過是基於一定經驗的猜想，就和任何別的科學猜想一樣。

　　每個人都可以對分子結構作出猜想，而且儘管你可以將分子的性質與假想結構的計算結果加以比較，從而排除哪些錯誤的猜想，你也很難說最終的假想結構是嚴格正確的，因為猜想和現實比較的基礎幾乎總是有限的實驗數據。但是鮑林使用的隨機法並不是單純的猜謎遊戲。借助於對化學和晶體學的深刻瞭解，你得到的最終結構將是唯一的。就像鮑林所說的，「有限的幾個方面的一致並不能證明猜想是正確的。要使隨機法有意義，作出猜測的原則必須是嚴格的，這樣猜測本身實際上是獨一無二的；換句話說，運用這一方法的研究者只允許作出一種猜測。」

　　鮑林駕馭著自己的隨機法解決了一個十分棘手的問題，而且在以後的30年中，他將運用這一方法解開更為複雜的謎題。有時候，他的唯一猜測可能是錯誤的；而更多的時候，他是正確的。這種「通過猜測來領悟真理」的能力使他在解決棘手的化學問題的競爭中一馬當先。最終它將為他贏得巨大的成功和美名，人們覺得他能夠神奇地想像出正確的答案，而別人卻無能為力。但是，鮑林成功的根源是他的辛勤工作，深刻的化學知識，和作出那種唯一猜想的願望和膽識。

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　　在發表解決複雜離子晶體規則之前，鮑林被認為是一個前途遠大的青年晶體學家。規則發表之後，他已躋身于一流科學家的行列。勞倫斯·布拉格在讀到鮑林的文章之後大吃一驚。這個美國年輕人從天而降，在他自己的遊戲中打敗了自己。鮑林提出的一些思想也是布拉格在研究矽酸鹽時所運用的，但是很多則是嶄新的。電價規則尤其明確和奏效；幾年後布拉格慷慨地稱之為「礦物化學中的主要原則」。

　　鮑林在運用自己的規則方面取得了巨大的成就。在1929年和1930年，他解決了雲母的結構問題。雲母會開裂成易碎的透明薄片，鮑林發現這是由於晶體的分層結構在水平方向的化學鍵強度大，而在垂直方向的強度弱。然後他將雲母和矽酸鹽加以比較，發現兩者的化學成分相似，而構造截然不同。他發現滑石同樣具有分層結構，但是在水平方向的化學鍵很弱，這樣容易碎裂，而不是開裂。研究人員還對另一類稱作沸石的矽酸鹽很感興趣，因為它們能夠吸收某些氣體，包括水蒸氣，而不能吸收另一些氣體。鮑林發現沸石具有蜂巢似的小孔，形成了一個分子篩，只有足夠小的分子才可以通過。

　　§一個備受青睞的人物

　　鮑林規則極其重要，但是這個年輕人渴望取得更多的成就。他閱讀了物理和化學的所有成果，參加了這兩個領域和生物學的每一次研討會，對任何事情都充滿興趣，隨時準備解決任何力所能及的問題。1930年，他重新抬起了物理，澄清了一個伯克利科研人員提出的難題。在理論上，熱容量——升高一個物體的溫度所需的能量——在絕對零度時應該下降到零。但是伯克利的研究小組驚訝地發現，他們對氫分子所做的實驗顯示了一個高得多的值。鮑林解釋了這一現象：他在一篇發表於《物理評論》的論文中說，你要做的是設想氫分子在組成晶體時會旋轉。他的量子力學解釋不僅是固體熱容量研究上的一大進步，而且還有助於解釋一種晶體形式轉變為另一種晶體形式。《科學美國人》將這一成果評為1930年基礎化學領域內的兩大「傑出」發現之一。那一年的另一項發現是鮑林和布拉格用於瞭解矽酸鹽結構的一般方法。

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