20世纪的科学怪杰：鲍林(31)

三一

　　然后，他作了一次勇敢的飞跃。在1928年春天他给《国家科学院学报》写了一篇注记，文中把海特勒和伦敦关于化学键的理论称作“简单的理论”，并说它“在简单的情况下与路易斯共享电子对的成功理论完全等效”，并没有什么新鲜内容。在文章的结尾，他用整整一段的篇幅，宣称自己已经取得很大的进展。他说，他的计算表明，量子力学可以解释碳的四面体结构。

　　这一下子引起了读者的注意。碳是一个被深入研究的元素，也是全部有机化学的关键。碳原子串起了蛋白质、脂肪和淀粉的主干——生命系统的主要组成部分。碳化学就是生命的化学。

　　但是，物理学家和化学家在碳电子的结构上难以取得一致意见。大家知道，每一个碳原子总共带有六个电子，而开始的两个电子与成键无关，因为它们结成对，可以重新生成氦的含有两个电子的内层电子结构。在理论上，剩余的四个电子应该处在下一能级，也就是所谓的原子第二层。化学家都知道，碳为别的原子提供四个化学键，而且在自然界中，这些化学键保持几乎相同的长短和强度，并处在一个三面的金字塔或者说是四面体的四个角上。

　　但是，物理学家说，这种情况不可能发生。最近的光谱研究显示，碳的四个成键的电子处于两个不同的能级或亚层中。两个低层的电子彼此成对，这样就只有两个电子能够与别的原子成键。物理学家说，碳的原子价应该是2。而实际上这种情况极少：比如说，一氧化碳，碳与一个氧原子组成了双键。

　　协调物理学家的碳原子和化学家的碳原子是一巨大的挑战，而鲍林决心迎接这一挑战。物理学家的光谱结果不容质疑，而化学家的四面体同样证据确凿。两大阵营都应该是正确的。

　　在他1928年的注记中，鲍林基于海特勒和伦敦的能量交换说提出了一种解释。每次形成一个新的化学键时，都要涉及新的能量交换。他写道，形成四个四面体化学键所产生的能量交换足以打破物理学家亚层中的四个成对电子，并使它们组成新的形式。

　　这是一种令人振奋的思想，但是需要有相当的数学来支持。鲍林在那个注记中没有详述，只是说：“有关这里提及的材料的详细说明将送交《美国化学学会学报》发表。”然后，他把自己的注记复写了一份送给路易斯，并附上一封信说：“我很高兴，新的原子模型重现了路易斯原子和玻尔原子的鲜明特点。”

　　鲍林的“详细说明”过了几乎三年才与读者见面。1928年，他进行了许多复杂的运算，至少初步能让他确信自己的想法是正确的，但是他说：“运算太复杂了，我担心人们不会相信，而且我也可能不相信。……谁都可以看到，量子力学必将走向四面体碳原子，因为这是我们已经掌握的事实。但是公式太复杂了，我怎么也不敢肯定自己的论点能够说服别人。”

　　今天，通过计算机我们可以得到精确的结果。但是在1930年，想要完全解出任一分子系统的公式都是不可能的。和每一个试图把波动力学用到复杂的体系上去的理论家一样，鲍林不得不寻找捷径，作出种种假设和近似，以进一步简化数学方程。

　　同样的数学障碍也难住了伦敦和其他有志于这一领域的科学家。不同的是，鲍林信心十足地认为，数学障碍最终会扫平，他最初的设想也将可以发表。为了不影响自己的科研重点，他让自己的研究生斯特迪文特继续研究四面体波动方程问题。斯特迪文特本人是一个相当能干的数学家，然而他在苦干几个星期后毫无进展。鲍林因为已经专注于其他问题，就把碳的问题搁置了起来。

　　§鲍林法则

　　加州理工学院继续吸引着世界上最杰出的理论物理学家来加利福尼亚访问。20年代末，在鲍林的协助下，学院先后迎来了海森伯、索末菲和狄拉克。鲍林对他们的研究课题继续保持着强烈的兴趣，并发表了几篇物理学方面的论文，如电子的动量分配以及光和Ｘ射线对电子的影响等。

　　不过，在大部分时间里，他试图通过Ｘ射线晶体学来解决分子结构的问题。在这一方面，他一筹莫展。如果他感兴趣的一个结构涉及的原子数目稍微多一些，就几乎无法解决了。问题的部分症结又是数学，涉及到把衍射的Ｘ射线在照相底版上形成的图谱换算成一个三维结构所需的令人望而却步的计算。分子中的原子数量越多，图谱就越复杂，理论上可能的结构就越多。每一个新增的原子都大大地增加了难度。

　　此外，还存在一个更加根本的问题：Ｘ射线晶体学家的工作方式。为了保证结果的准确性，研究者——在20年代几乎都是物理学家——通常假定，所有能够满足化合物分子式的原子排列都是可能的结构。找到正确结构的过程是一个排除不能精确符合Ｘ射线和密度数据的结构的过程。这一严密的方法能够得出确定的结果——你能够肯定你找到了正确的结构，因为你一个一个地把所有其他的可能性都排除了——但是这也如同在一堆干草中寻找一根针，你每次拣起一根草，将它同针的图片对照，如果不匹配就将它扔到一边。晶体的结构越复杂，草堆就越大。

　　Ｘ射线晶体学家的目标越来越大，这一工作的难度也越来越大，越来越耗费时间，越来越机械重复，需要雇佣一支“人脑计算机”队伍来进行数学计算。这不配鲍林的胃口，他开始寻找捷径。在先前大量阅读和思考的基础上，他开始综合他的化学和Ｘ射线晶体学知识来形成一种结构的世界观，一种对于原子互相组合倾向的认识。如果他读到一篇关于晶体结构的文章，而结论又是合理的话，他就将它存人自己的大脑库中。但是如果结论有些不大对劲——键角歪斜，或者原子错位——鲍林就会进行仔细检查，有时候参照已发表的Ｘ射线照片来重建结构，有时候重新进行Ｘ射线衍射分析。他经常发现，自己感觉是错误的结构，实际上的确是错误的。

　　当然，偶尔更令他激动的是，他感觉是错误的结构被证实是正确的。那样，他就得修正自己的世界观，以便包容这一新知识。这就是他学习的过程。经过多年的训练，他已获得对结构的一种神奇的感觉；他甚至可以在转眼之间想象出合理的结构，否定不合理的结构。后来，观察家们将此称作鲍林的“化学直觉”。然而这一称呼并不完全正确，因为这过于强调了感情用事和非理性的一面。鲍林的能力完全是理性的，建立在长时间的认真阅读和对浩瀚的化学事实进行整理和甄别的基础上。

　　这种对化学结构的深刻理解使鲍林得以摆脱Ｘ射线晶体学旧方法的侄桔。“我的态度是，我为什么不能从自己在研究无机物晶体本质时得到的知识出发，进而去预测它们的结构呢？”他问道。物理学家在做Ｘ射线衍射实验时得考虑含有正确原子数的所有结构，因为除此之外他们就一无所知了。而鲍林却知道，由于这样或那样的化学因素，多数假设的结构是不存在的。原子的位置相当有限。在开始之前，他就能去除多数无用的假设，只剩下少数几个可能性。

　　预测是跳出晶体学家泥潭的绝好方法，但如要让别的研究人员也能作出精确预测的话，就需要规则，一套能够运用到各类情况下的原则，以说明为什么某些结构是可能的或是不可能的。在20年代末，鲍林认识到某些基本的结构形式常常在不同的晶体中重复出现。这些结构形式重复出现总有一定的道理；它们一定受到某种规则的制约。如果他能够发现这些规则，那么他就能预测未知晶体的结构。

　　在英国曼彻斯特的实验室中，英国物理学家威廉·劳伦斯·“威利”·布拉格也在沿着这一思路进行着思考。

　　布拉格的性格十分复杂。他生性腼腆，具有一种维多利亚的老派绅士风度，爱好养鸟和园艺，在许多方面更像一个乡绅，而不是一个大科学家。他的一个同事说，甚至“他的外表和行为也像是一个富裕农场主，穿着不很入时”。

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