20世纪的科学怪杰鲍林-第26章
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在接下来的两个月时间里，他日以继夜地不断完善并扩充自己的发现，有关成果的论文将成为化学史上最为重要的文献之一。在论文中，他提出了共享电子对成键的六条规则。头三条规则是对路易斯、海特勒、伦敦和自己早期工作的重申——电子对化学键是通过两个原子中孤电子的相互作用形成的；一旦配成对，两个电子就不能参加新键的组成。他的后三条规则是新的。一条提出，化学键的电子交换条件只涉及每个原子的一个波函数；另一条规则提出，能级最低的自由电子可以形成最强的化学键。鲍林的最后一条规则断言，在一个原子中的两个轨道中，能与别的原子的轨道重叠最多的轨道会形成最强的化学键，而且化学键一般与较为集中的轨道保持同方向。这样就能对键角和分子结构作出预测和计算。
考虑到自己的读者大多是缺乏数学基础的化学家，鲍林对自己的规则并没有给出冗长的数学证明。他在论文中写道：“即使在最简单的情况下对电子对化学键作出证明……也需要用到大量的符号和方程。”不过，他简要地概括了对这些规则进行验证的方式，并列出了几个推理的例子。从量子力学的原则出发，现在就已能够推出从化学键的长度和排列直到分子和复杂离子磁性的完整理论。鲍林还能够预测原子新的电子结构和性质。换句话说，量子力学不仅能够证明已知的事实；它还可以引导人们得到新的认识。在1931年2月中旬，鲍林将自己的论文寄给了《美国化学学会学报》。他给论文起了一个略显豪华的题目：“化学键的本质”。
几乎与此同时，他的第二个儿子，彼得·杰夫列斯（其中间名是为了纪念鲍林少年时的一个朋友）在2月10日呱呱坠地，真可谓是双喜临门。
不料平地又起了风波。3月1日——在鲍林的论文寄出两星期后、发表一个月之前——《物理评论》上出现了一篇与鲍林的文章内容极其相近的论文，其中包括：波函数重叠最大能够形成最稳定的化学键的思想；对于离子键和共价键关系的讨论；对化合物成键方式的讨论，如果化合物与价键有几种组合方式，很可能“真实情况为……对各种可能性的组合，并由于共振原理，能量相对较低”；而且更为重要的是，文章解释了碳原子中的四面体化学键。作者正是启发了鲍林获得突破的物理学家约翰·斯莱特。
乍一看来，似乎斯莱特打败了鲍林。但是在把斯莱特的文章细读了几遍之后，鲍林发现了他俩的工作有着很大的不同。就一点而言，在斯莱特的论文中，描述性的内容多于定量分析；它并没有提供获得化学键长度和强度确切数字的方法。鲍林匆忙地给《物理评论》写了一封短信，恳请读者注意他在给《美国化学学会学报》的论文中“对化学键强度近似定量分析十分简单，然而却非常强大的方法”（黑体字由鲍林标明）。他简要地阐述了自己的六条规则，并强调是他第一个在1928年运用量子力学手段来解决四面体键合问题。（斯莱特在论文中并没有提及鲍林的那篇论文。）鲍林然后很快地概括了斯莱特的成果，并指出自己的思想比这些成果更深入。
这一争名夺誉的手法相当巧妙：鲍林和斯莱特都喜欢对方，而且尊重对方的工作。在那篇论文发表前的几周，斯莱特还提议鲍林到麻省理工学院任教，给他物理学、化学或者任一种组合的正教授头衔；在鲍林“万分感激，实难从命”的回信中（那时加州理工学院已经答应提升他当正教授），鲍林写道：“除了您之外，没有别的理论物理学家的工作使我感兴趣。”在阅读鲍林发表在《美国化学学会学报》上的论文之后，斯莱特写道：“我很高兴事情发展到了这一步，我们同时决定把自己的想法写出来。我还没有机会细读您的论文，但是第一眼的印象是我们总的观点十分一致。”他们的观点确实非常一致。1931年夏天，鲍林在帕萨迪纳组织了一场关于化学键的讨论会，斯莱特到会作报告。在演讲之前，斯莱特提醒鲍林说：“……我们的观点基本相同，所以在会议之前我们最好对一下笔记，免得讲同样的内容。”
两个年轻人不约而同地在同样的问题上运用了同样的方法，也将分享这一荣誉。在一段时间里，这一理论被拗口地称为海特勒—伦敦—斯莱特—鲍林化学成键理论——后来的名称较为顺口，价键理论——人们一致认为斯莱特和鲍林几乎在同时，通过独立的研究工作，得出了同样的结论。
正如物理学家维克多·魏斯科普夫后来指出，量子力学最终把物理和化学这两大领域统一了起来。通过运用新物理的规则来解释原子键合成分子的过程，斯莱特和鲍林促成了这段姻缘。物理学家是正确的：电子在轨道上运动，而不是在干货架上傻坐着。但是在一些很重要的方面，化学家，特别是路易斯同样是正确的。电子轨道有一定朝向，而且化学键是由共用电子对形成的。斯莱特和鲍林的成果表明——合乎逻辑而且至少具有近似的数学可信度——物理学家的新的量子原则是如何在化学家的分子中发挥作用的。
《美国化学学会学报》在收到鲍林论文之后的六个星期内就刊登了这篇文章，这充分显示了鲍林研究成果的重要性和独创性，因为一般的等待时间要长达几个月。后来鲍林得知，杂志的编辑阿瑟·兰姆想不出有谁能够鉴定这篇文章，就直接把它发表了。
为了支持和鼓励青年化学家，A·C·朗缪尔博士（物理化学家欧文·朗缪尔的哥哥）在1931年每年出资一千美元，奖励全国最优秀的青年化学家。他请这一领域内最权威的专业组织美国化学学会来挑选获奖者。第一年授予朗缪尔奖的时候，前美国化学学会主席诺伊斯确保自己的得意门生获得提名。1931年8月，鲍林欣喜地得知自己获奖了。这一奖励承认了鲍林非凡的成就和远大的前程——仅仅30岁，他已经发表了50多篇论文，涉及广泛的理论和实验题目——而且在当时是相当丰厚的一笔收入，大致相当于鲍林年薪的四分之一。同时这也为美国化学学会和加州理工学院提供了一个宣传自己的绝好机会。很快，鲍林发现自己成了一个小小的名人，接受来自从波特兰到纽约的记者的采访，自己的照片和专访也纷纷出现在报章杂志上。《科学美国人》刊登了他的一张大幅照片，看上去若有所思，一副学者风度，并把他称为“美国科学的神童”。诺伊斯告诉记者，鲍林是“我多年教书生涯中遇见的最有前途的年轻人”。A·C·朗缪尔更是赞不绝口，说他是“一颗正在升起的新星，将可能获得诺贝尔奖”。9月的一个夜晚，在纽约州布法罗市举行的美国化学学会全会上，鲍林大步走上主席台，从学会主席的手中接过了奖项，台下两千名全国最优秀的化学家报以热烈的掌声。有人为这一盛会的通讯画了一幅漫画，画面上满头乱发的青年鲍林急切地把手伸向一个标有“1，000”的口袋。鲍林后来说，他唯一的遗憾是贝莉没有能到场看他获奖。
在开始第一个教职后的第四年，鲍林从一个大有前途的年轻人一跃而成了全国的名人。到1931年底，他已是正教授，《美国化学学会学报》的副主编，晶体学大师，化学键这一重大问题的合作攻克者，以及朗缪尔奖获得者。他的内心永远充满着自信；现在这种自信洋溢于他的全身。在1931年，他很少对自己产生怀疑。他回忆说：“我很有可能成为一个狂妄的自我本位者。我觉得早些年我就在科学上对自己充满自信。但是……我认为我不应该让这一切冲昏头脑。而且，尽管我在这一件事情上比别人干得好，我也不能够自以为在别的事情上也比别人强。”
7 共振
先锋派
1931年，爱因斯坦在帕萨迪纳逗留了几个月，当时加州理工学院正竭力说服他来校任教。期间，他出席了鲍林的一个研讨会。知道听众中有世界上健在的最伟大的科学家，鲍林格外卖力地将自己运用波动力学来解决化学键的新思想详细地进行了论述。后来，一位记者问爱因斯坦对这位青年化学家的理论有什么看法。他耸了耸肩膀，笑笑说：“对我来说，他的理论太复杂了。”
爱因斯坦也许只是出于对新闻记者的敷衍才这么说的，但是如果要进行精确的数学计算，鲍林对化学键的解释确实是相当复杂的——至少对绝大多数化学家来说是这样。从传统、数学或是哲学的角度来讲，化学家对鲍林的理论都感到茫然不解。那时候的化学仍然是扎根于上一世纪的许多分支学科的大杂烩——有机化学，无机化学，物理化学，胶体化学，农业化学——每一门分支都有自己的一班人马和一系列难题。化学家们被分成离子学家、热力学家，现在又新添了量子化学家，每一个团体都有自己的传统、方法、期刊，每年只是在几次全体会议上才坐在一起。在美国，只有受诺伊斯影响的加州理工学院和加州大学伯克利分校的化学系才跨越了这些旧的学科限制，强调在教授之间进行交流和沟通，并致力于研究化学学科的基本思想。
1931年，鲍林基于量子理论创造的化学键理论，比当时的思想领先了十年。绝大多数化学家既不知晓量子力学为何物，也不理会量子力学对化学学科的重大意义。对大多数从业人员来说，真正的化学研究是在实验室里，而不是在一张纸上进行的；只有通过亲手配制化合物，并观察其反应来作出发现，而不是靠臆想来推出一些数学公式。他们可能听说过X射线晶体学这一物理学家的工具，但是从未使用过——加州理工学院仍然是将这一技巧运用到化学上的为数不多的学校之一。至于鲍林对分子结构重要性的强调，那是有机化学家所关心的事，其他领域的化学家则相信它对整个化学学科的作用不大。
最重要的是钻进实验室，把你的手弄脏。实验化学家鄙视鲍林这样的理论家，认为他们过多地依赖物理来获取灵感。英国著名的化学教育家亨利·阿姆斯特朗在90年代中期对此发表了颇具代表性的看法：“事实是，物理化学家从不运用自己的眼睛，最可悲的是缺乏化学教养。我们应该把这些物理因素彻底地从我们中间剔除出去，并回到我们的实验室中。”
只有他们对新物理的无知才可以同他们对抽象思维的怀疑相媲美。多数30年代早期的化学家对海特勒一伦敦一斯莱特一鲍林化学键理论的反应是无精打采的一个哈欠。在诺贝尔化学奖获得者哈罗德·尤里的记忆中，他们“对这一理论一无所知，一窍不通，而且除鲍林以外，没有什么人在意它。”
但是诺伊斯和路易斯安排鲍林在加州理工学院和伯克利分校广泛传播他的思想，那里的多数化学系学生开始认识到这一方法的重要性，其中最聪明的一些学生开始追随鲍林，进入了这一领域。在物理方面，像斯莱特和伦敦这样的学者继续修饰着混合波函数的数学公式，从物理的第一原则出发来解决简单原则的结构问题。然而他们的工作对化学的影响甚微，因为他们并不掌握化学家手中非常重要的经验事实，并不拥有相同的世界观，也不了解哪些问题是最关键的。简而言之，他们不是化学家。
罗伯特·马利肯是为数不多的通晓物理和化学的科学家。他的父亲是麻省理工学院的化学家，他本人在芝加哥大学跟随密立根学习了物理，在哈佛进修时住在斯莱特隔壁。与鲍林一样，他在20年代末东渡欧洲学习量子力学。在哥廷根，马利肯受到了玻恩的一位助手弗里德里希·亨德的影响。亨德解决化学键问题的思路与鲍林不同。亨特感兴趣的是分子光谱学，即对分子吸收和释放的光的特点的研究。他发现，从这一角度观察，分子的性态在很多方面与单个原子相似。亨特和马利肯提出了一种与鲍林的理论截然相反的化学键概念。他们认为，电子并不是集中在两个原子核之间并将它们键合起来，而是分布在分子的表面，形成马利肯所称的分子轨道。比如，他们设想氢分子H2，并不是像海特勒和伦敦提出的那样由两个氢原子共用电子对而形成化学键，而是由一个带有两个电子的氦原子分裂成两个原子核，同时围绕它的电子云形成了一个新的分子轨道。马利肯在1932年写道：“总的来说，没有人把分子看作是由原子或离子组成的。人们认为，把分子看作是由一定数目的
