20世紀的科學怪傑：鮑林(37)

三七

　　鮑林的知名度隨著每一篇論文的發表而增長著。1932年春天，他接受了斯萊特的邀請，以訪問教授的身份到麻省理工學院講學一學期，而把再過3個月就要臨產的愛娃留在了帕薩迪納，這是愛娃第三次懷孕。他在東部訪問期間，馬不停蹄，不管是在講座上，還是在餐桌上，不斷地向哈佛一麻省理工學院化學界的一些重要人物灌輸他的新思想。在和加州理工學院的一位同事唐·尤斯特共同設計出一種估算單純共價鍵理論強度的體系後，鮑林一直在思考估算分子中離子鍵和分子鍵相對強度的方法。

　　在掌握了新的數字之後，鮑林就可以把自己從理論上推出的數字與不同元素結合成化合物時的實際狀態加以比較。化學鍵的實際強度總大於理論預測——鮑林認為，增加的能量來自於離子鍵共振所產生的穩定效果。這種差異越大，化學鍵的離子性就越大，兩個元素吸引電子能力的差別就越大。運用這一體系，就可以回答一些以前懸而未決的問題，如鹽酸HCl是離子的，還是共價的——鮑林發現兩者兼而有之，比例為20：80。

　　鮑林在坎布裡奇的另一個成果應該歸功於生物學。鮑林在加州理工學院時就堅持參加生物學討論會。他看到，遺傳學家通過測量兩個獨立的特性同時遺傳的頻率來定出基因在染色體上的位置：兩個基因的位置越近，在遺傳時聯繫在一起的機會就越大，這使他興趣盎然。鮑林借助這一定位的思想來創建他自己關於元素對之間關係的標尺。根據他的計算，如果兩個原子之間化學鍵的離子性越強，它們吸引電子能力的差異就越大，在他的標尺上分得就越開。比如說氟——對電子吸引力最大的一種元素——就在標尺的盡頭。鋰則在另一頭。這兩種元素形成的化合物，氟化鋰的化學鍵幾乎是百分之百的離子鍵。

　　碘在鮑林的標尺上處於中游的位置，因此碘化鋰的化學鍵具有較強的共價性。在比較了一些這樣的元素對後，就能夠定出一種相對的特性，他稱之為電負性，並給不同的元素賦予不同的值。反過來，這些值又可以用來為許多分子預測化學鍵的類型和強度，包括那些尚沒有獲得實驗數據的分子。在麻省理工學院講課期間，他把這一思想寫成了一篇論文，成為「化學鍵的本質」系列中的又一力作。完成之後沒過幾天，他匆匆登上返回帕薩迪納的火車，在5月30日趕到家中。第二天，他的女兒琳達·海倫就出世了。

　　鮑林的電負性標尺是他提出的理論基礎最不扎實然而卻最具影響力的思想之一。它與嚴密的量子力學距離甚遠，但是很容易被化學家所理解。他們覺得用它來解決實際問題非常實用。在他的表格中比較兩個元素的電負性，即使對波函數一竅不通的研究人員也可以大致地預測元素之間化學鍵的性質。這一標尺很快地得到了推廣和運用。鮑林將經驗數據與量子力學的思想融會貫通、互相匹配的做法充滿了想像力，但是卻相當危險。每朝前邁一步，他都要新增加幾個假設，離已被接受的理論的堅實地基就越遠。多年以後，批評家會對他這一方法的合理性進行猛烈的抨擊，使他難以招架，不過現在他做的每一件事情都非常成功。

　　不過，也有美中不足的地方。鮑林作了一個大膽的假設，認為氟的電負性非常高，甚至可以和氙這樣的惰性氣體形成化合物。任何一種情性氣體都被認為是不會發生化學反應的，創造一種氙的化合物可以說是創造了歷史。需要用實驗來證明他的預測。純氙非常罕見，不過鮑林設法從一位同事那裡拿到了一些交給尤斯特。尤斯特在整個1933年的夏天都在尋找鮑林預測的化合物，但是一無所獲——這一失敗讓鮑林感到頗有些疑惑和難堪。我們不能確定尤斯特沒能找到鮑林尋找的化合物的原因。然而30年之後，另一個研究小組合成了鮑林預測的氙化合物，轟動了全球。

　　＊＊＊

　　鮑林運用他的共振思想解決了有機化學中一個最古老的問題，從而使這種理論威名遠揚了。

　　苯一直是一個謎。它含有6個碳原子和6個氫原子，但是苯分子的結構一直令人難以琢磨。在1932年和1933年之交的冬天，鮑林和他的學生喬治·韋蘭德著手以共振的概念來解決這一問題。到了春天，他們完成了一篇論文，也就是鮑林化學鍵論文系列的第五篇文章，其中苯被描述為在5種極端結構或「典型」結構中共振的情況。鮑林寫道：「這一分子可以看作是單個分子性質的一種平均。」鮑林和韋蘭德的方法看來很能說明問題：根據他們共振結構計算出來的值，與已知的分子結構、活性和穩定性相當吻合。接著，他們把這一方法推廣到其他的芳香族分子如萘（不少於42個典型結構）和不合碳化氫的原子團中。

　　鮑林關於苯分子結構的論文標誌著他進入有機化學的重要一步。他許多後續的工作都是關於有機分子的，而喬治·韋蘭德更是將其作為自己科學生命的核心，並在1944年出版了一本頗有影響的教材《共振理論及其在有機化學中的應用》。韋蘭德把這本書獻給「我最初的和最大的靈感源泉」，萊納斯·鮑林。

　　共振這一強大的思想猶如怒放的鮮花。鮑林在1933年與博士後傑克·謝爾曼合作撰寫了化學鍵本質論文系列的最後兩篇，將這一思想擴展到了更多的化學疑案上，如傳統的單鍵、雙鍵和三鍵的變異。這一工作也具有獨創性。鮑林證明，分子化學鍵並不一定是整數個，可以採取一種中間的形式。在此，他又一次將自己日益豐富的有關化學鍵長度和強度的知識與共振穩定性的思想結合了起來，又一次對一整類化學問題給出了獨到的解釋。比如說，化學家已經知道，以單鍵鍵合的原子可以像車輪一樣繞軸旋轉，而以雙鍵和三鍵鍵合的分子則不能轉動；鮑林提出，在單鍵和雙鍵之間的中間形式——他稱之為「部分雙鍵特性」——也不能轉動，這是預測分子結構的一個重要因素。鮑林用量子力學的概念解釋了這種固定性，然後用自己關於單鍵和雙鍵之間的共振思想解釋了一些中間形式的鍵長和旋轉特性。

　　全部化學開始在鮑林的頭腦中重新組合。他像一個爵士音樂家，從量子力學那裡獲取一個主旋律，然後即興地對此進行半經驗的變奏。鮑林的化學是一種新的化學，處於舊化學各種學科的中間地帶。鮑林的量子化學不是一種非此即被的關係：要麼是這條軌道，要麼是那條軌道，要麼是離子鍵，要麼是共價鍵，要麼是單鍵，要麼是雙鍵。鮑林的化學鍵是一種流體，一種常常在中間態共振的不定型的東西。鮑林第一個奏出了這一優美動聽、令人激動的旋律。

　　§樂觀主義者

　　在30年代早期，鮑林以每五個星期一篇的速度發表了許多重要論文，多數是關於化學鍵或新的分子結構，幾乎完全脫離了波動方程：「大約在1933年或1934年，我放棄了對分子結構進行非常複雜的量子力學計算，」他說。「我在簡單的量子力學計算上得出結論，並且意識到，如果你真正進行精確的量子力學計算的話，你也學不到什麼新的東西，因為計算結果肯定與實驗結果相符。」

　　運用這種半經驗的方式，他取得了一個又一個成果。最後他在1935年寫道：「我覺得自己對化學鍵本質已經有了十分全面的認識。」

　　漸漸地，鮑林新的化學觀開始為其他化學家所接受。原因很多：加州理工學院對新思想開放和寬容的氣氛，鮑林對化學家行話的精通，他四處傳播自己觀念的熱忱，他融合結構研究與量子理論的高超才能，以及他在缺乏堅實數學基礎的條件下發表理論思想的勇氣。然而，最為關鍵的一點是：他是一個樂觀主義者。1935年，兩位觀察者在給《現代物理評論》寫的一篇介紹量子化學最新進展的文章中，說的可能就是鮑林：「要想對研究成果滿意的話，你必須採取樂觀主義者的心態和手法，不能仿效悲觀主義者。後者苛求一種不摻雜任何有疑問的近似和基於已知事實的經驗做法的嚴密理論。與此相反，樂觀主義者滿足於波函數的近似解。……由於直接計算過於複雜，他任意地借用實驗來確定常數。與此相反，悲觀主義者永遠憂心忡忡，因為近似省略的部分通常很多，表面的嚴謹可能實際上漏洞百出。然而樂觀主義者的回答是，近似計算是可行的，它可以『指點迷津』，提供『事物發展規律』的思路，這使得對原本只能用純粹經驗的原子價規則來解釋的一大堆實驗數據可以進行系統化的整理和認識。」

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