20世纪的科学怪杰鲍林-第19章
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了数学，从玻尔那里学到了物理，而从索末菲那里学到了乐观。”
研究原子时，乐观是不可或缺的。大家越来越清醒地认识到，玻尔—索末菲关于电子沿轨道转动的原子模型不能说明问题。原来的困惑仍旧得不到解释：运动的电子为何不会丧失能量撞向原子核？为何它们只能呆在特定的轨道上运动？电子如何“跃迁”？而且现在又出现了新的不可思议的现象。在20年代初，法国的一位博士生普林斯·路易斯·德布罗意提出，电子表现出波和粒子的双重特性；换句话说，物质，至少在原子水平，具有光的性质。美国贝尔实验室的研究人员在1927年证实，电子在穿过晶体时会发生衍射，就像光波和X射线那样。1923年，另一位美国科学家阿瑟·霍利·康普顿发现了光具有粒子特性的强有力的证据。接着，两名青年丹麦科学家戈尔德施密特和乌伦贝克发现电子会“自旋”。粒子怎么会是波，而波怎么又会是粒子呢？波怎么能“自旋”呢？
在加州理工学院，鲍林听说过很多玻尔—索末菲原子模型存在缺陷的议论。但在最后得到证明之前，他仍然信奉这一模型和其他相关的理论。他在1925年12月份还认为，基于玻尔—索末菲量子理论的计算“简洁明快，论据充分”。但仅过了几个月，到了1926年夏天，他已开始用一种新的思路来看待原子了。
这起始于他与索末菲的第一次谈话。对于德语，鲍林从祖父母那儿学了一点，后来又在俄勒冈农学院学过两年；他的这点德语加上索末菲有限的英语，他俩得以进行深入的会谈。鲍林问，也许您还记得在加州理工学院访问时见过我？遗憾的是，院长忘记了。索末菲让鲍林描述一下他的研究兴趣和他希望在慕尼黑取得的成果。鲍林热切地谈起他希望继续在加州理工学院的一项工作，关于氯化氢气体介电常数的研究。然而鲍林吃惊地发现，索末菲“并不怎么在意我的建议”。和多数德国科学家一样，院长认为美国物理学总的来说不登大雅之堂。（他告诫一位准备拿奖学金到伯克利深造的德国青年物理学家说：“不要对此过于认真。在美国的日子会非常好过。那儿任何年轻人都能成为助理教授。”坏管怎样，德国的习惯是教授制定研究课题，而不是学生来定。索末菲让鲍林给他几天时间考虑，然后让鲍林研究一个他并不是十分热心的问题，关于电子自旋的一系列严密的运算。
鲍林对待这项工作的热情好比是完成母亲在他十多岁时给他安排的课余工作：他没有取得什么进展，很快就放弃了努力。他的兴趣在别的事情上。他回忆说：“我思考着几乎每一个悬而未决的理论问题。”
当时他特别感兴趣的是一个氯化氢问题。鲍林试图用一种量子理论来精确地预测电场对极性分子运动的影响。他的理论预测与实验结果相当接近，这使他确信问题出在实验测量不精确或者是自己的理论尚不完善，而玻尔—索末菲原子模型是正确的。在离开美国赴欧洲之前他正思考着以一定角度给电场加上一个磁场。如果玻尔—索末菲理论是正确的话，磁场将会对分子运动产生可以测得的影响——而经典理论认为不会产生这一种作用。这将为量子理论提供新的证据。鲍林最终说服索末菲让他着手进行这项工作。鲍林在1926年5月22日给诺伊斯的信中写道：“索末菲说，下个月德拜将在苏黎世召集一次有关磁场的会议，会上将宣讲我的成果，因而我必须在此之前搞出些名堂来。”
鲍林废寝忘食地开始工作，在书桌前一坐就是几个小时，在笔记本上写满了公式、草图和心得。爱娃在6月2日写道：“莱纳斯忙着解决他的氯化氢问题，一会儿兴高采烈，一会儿闷闷不乐。”到6月10日，鲍林能从理论上证明，如果玻尔—索末菲理论是正确的话，磁场应该会有相当大的作用。他一面等待帕萨迪纳实验室证实他的结论，一面用德语写就了一篇论文。索末菲在6月21日把这篇论文带到了苏黎世的会议上。几天之后，鲍林收到索末菲的一份电报，叫他到瑞士去阐述他的观点。
爱娃仍然记得那年6月底乘火车穿越阿尔卑斯山脉的旅行——葱翠的山坡，火红的罂粟，戴着蓝色头巾的农村妇女——还有她丈夫的激动心情。鲍林引起了索末菲的关注。他的观点受到了重视。到达苏黎世后，他们应邀与院长和其他几位科学家到德拜家用餐。在后来几天时间里，鲍林介绍了自己的理论，听别人的报告，并和几位欧洲最著名的物理学家随意地进行了交谈。爱娃写道：“他专心地倾听着，兴奋异常。我很高兴看到他这样。”
另一件令鲍林格外激动的事情是有机会同大家谈论最多的欧洲青年物理学家泡利交换看法。泡利出生于维也纳一位化学教授家庭，17岁那年，在听完爱因斯坦关于相对论的一次演讲之后，他站起来说那位科学巨匠的结论中有些错误，从而声名鹊起。18岁的时候，他为百科全书撰写相对论条目。1925年，他还只有25岁，就发表了“不相容原则”，从而在玻尔—索末菲原子模型描述电子状态的三条原则之外又加了第四条。他还表明，任何两个电子都不会有完全一致的量子数。这样，他就确立了自己在物理学发展史上的地位。戈尔德施密特和乌伦贝克运用泡利的第四条量子数原则，发现了电子“自旋”的新特性，即电子绕自己的轴旋转的特性。自旋有两种，一种与电子的轨道平行，一种与电子的轨道相反。按照不相容原则，一对电子只要自旋方向相反，就能相容于同一个轨道。成对电子的思想立刻引起了化学家，至少像鲍林这类化学家的强烈共鸣，因为他们对路易斯共用电子对成键的理论是相当熟悉的。
与此同时，泡利也由于他一位同事所称的“过分诚实”而声名狼藉。如果他认为某种理论粗制滥造，他会直截了当，有时甚至是无情地加以鞭挞。连好脾气的保罗·艾伦费斯特也受不了泡利尖刻的批评，对他说：“我喜欢你的论文，而讨厌你的为人。”鉴于鲍林的论文指出了泡利有关极性分子思想的缺陷，也许他会受到冷遇。
在一次报告间歇，鲍林跑到泡利面前，向他讲述自己几星期来的辛勤工作表明玻尔—索末菲量子物理学模型是对经典理论的改进。泡利彬彬有礼地听他讲完，给了他四个字的答复：“没有意义。”也许是觉察到了自己的评论给对方的打击，他补充说：“如果在两年之前，你会出名的。”两年之前寻找支持玻尔—索末菲的论据还是有意义的。但是现在，至少对泡利这样天才的欧洲青年物理学家来说，那一理论已经过时。一年前，一种新的称为量子力学的思维方式已经诞生，从而宣告了玻尔—索末菲理论的死亡。
新力学
泡利的朋友维纳·海森伯是玻尔—索末菲理论的主要杀手。他俩是互补的一对。泡利是内向稳重、善于严密分析的兄长（年长一岁半），而海森伯是容易冲动、具有创新精神的闯将。他们的学习生涯颇为相近，海森伯比泡利晚一两年：他们都在慕尼黑索末菲处获得博士学位。在那里，一年级研究生海森伯初识泡利并成为好朋友；两人都赴哥廷根跟随玻恩深造；然后两人都在哥本哈根当过玻尔的助手。玻恩是新物理学的思想教父之一；两人都受到玻恩怀疑论的影响并崇尚数学。玻息传授给他博士后学生的思想是，在描述原子时使用的空间和时间概念不应当受到描述较大物体时使用的相同概念的限制。他同时也传授给了他们一个数学家对于混乱、矛盾的玻尔—索末菲原子模型的厌恶。到了1924年，泡利和海森伯就已经把修补玻尔—索末菲原子理论的努力称之为“骗局”。
海森伯将终止这场骗局。他认为这一谬误的症结在于，研究人员试图用一个编造出来的、电子沿轨道运行的模型来硬套越来越奇怪的实验结果。海森伯决定忘掉轨道，把模型抛到脑后。他把玻尔—索末菲模型从自己的大脑中抹去，然后完全基于观测到的数据在脑海中构筑纯粹的数学公式。没有人能够看到在轨道上运行的电子，但是你可以看到它们发出的光。海森伯把注意力集中在光谱数据上。他曾患枯草热在北海一个多石的小岛上养病，就在那充满传奇色彩的几天里，海森伯仅仅依靠可观测的数据，创造了一种描述量子物理的新的数学方法。玻恩和他的一个学生帕斯卡尔·约尔丹对此又作了整理和推广，这就形成了后来人们所说的矩阵力学。这一新的体系对旧的量子物理学作了显著的改进。它不仅可以用来更加令人信服地解释更多的光谱数据，而且本身也涵盖经典物理学原则，牛顿力学就是其一个极限情况。创建矩阵力学时，海森伯才四岁。
这是一个规模庞大、要求极高的数学体系。而且数学还不是它唯一的问题。海森伯在摆脱原子模型方面做得太彻底了。人们反对矩阵力学，因为它实在是太抽象了；它与任何直观的东西没有丝毫联系。数学公式看起来不错，但是这些公式描述的是何种原子呢？人们最初怀疑海森伯的创造可能只是没有物理基础的数学臆想，一种异想天开，或者像爱因斯坦那样直截了当地称矩阵力学为“魔术”。它并不能吸引类似鲍林那样的研究者，他们只有“看见”原子，工作起来才能得心应手。玻恩在1925年末曾经到美国巡回演讲过矩阵力学；鲍林在赴欧洲之前曾经在加州理工学院听过他的讲座。与许多物理学家一样（多数化学家根本就不理解海森伯的思想），鲍林并不能接受这一思想。他回忆说：“太复杂了，我不知道该如何用它来解决我感兴趣的任何问题。”
在鲍林1926年3月乘船前往欧洲的时候，物理学界又被另一种似乎是完全不同的量子物理体系的发表所震撼。著者让人觉得有些难以置信。埃尔文·薛定谔已界中年，是一个老派的奥地利理论物理学家。他先前一直以一种狐疑的态度注视着量子物理异教学说的发展。他已经39岁，过了提出革命性理论的盛年期，这一领域属于海森伯这样的年轻人。不过，他也有自己的爵好：醉心哲学（特别是斯宾诺莎、叔本华和吠陀的哲学思想），维也纳人对于所有其他民族（特别是美国人）的优越感，对于性自由的开放态度（特别是和比他小得多的女人发生暧昧关系）。他的同事（他妻子的情人）赫尔曼·外尔曾一度把薛定谔伟大的量子力学思想归因于“他生命后期性欲爆发的结果”。就禀赋而论，与其说他是一个革命者，不如说他是一个反动派。他在骨子里是一个经典物理学家，对于量子思想的自相矛盾抱着一种直觉的厌恶态度。一次，他对玻尔说：“你一定得知道，量子跃迁整个想法全都是胡说八道。”
薛定谔希望摒弃玻尔的思想，用经典的观念来解释原子。他认为从德布罗意的思想中找到了思路——电子像波，而不像沿轨道运行的小行星会作出那些荒谬的跃迁。薛定谔提出，原子核周围是以一定频率振荡的电子或波，有点像振动鼓面的驻波。只有某些稳定的频率是可能的，即那些包含整数个波的频率；如果不是的话，波就会彼此干扰。增加能量，电子或波就被激发到下一个整数的频率；能量丧失后，就会释放出一定波长的光。在一阵不同寻常的工作之后，薛定得提出了一个数学方程式。把电子看作为波，就能够推导出氢原子稳定态的玻尔能级。尽管令人难以置信，但是他认为电子实际上并不是空间的一个点，而像是一层绷在原子核周围的驻波。他可以测量波的形状和密度。根据计算，他发现氢电子在原子核周围形成了一个带负电能量的球面。他的体系看起来能够与玻恩和海森伯的体系同样完整地描述原子的实际，因而被称为波动力学。
和当时许多物理学家一样，索末菲很快就接受了更接近经典物理的波动力学。与矩阵力学相比，薛定谔的数学表达式简洁明了——他的体系更易于理解，比玻恩和海森伯严谨的矩阵更“方便用户”——当然，他仍然怀疑波动力学是否真正能描述一种物理现实。每一个年轻的自然科学家在学校里都学习过波的物理特性，因而对波这一概念感到很亲切；即便电子实际上并不是以这种形态存在的，薛定谔方程也可以被视为是电子“云”，而以一种可辨认的形状围绕在原子核周围。就氢原子而言，球状电子云的密度根据它到原子核的距离接指数规律递减。波动力学还表明，就像玻尔预测的那样，在较复杂的原子中，附加的电子可以被设想为在内层球体外形成了新的球形外壳。
许多不喜欢量子理论过激革命内涵
