20世纪的科学怪杰鲍林-第12部分

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　　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的传统物理学家热情地欢呼波动力学的诞生，认为这是传统物理学的具体化。鲍林的年龄还不至于使他成为一个传统学者，但是在索末菲的引导下，他也把波动力学看作是一个更容易使用、更便于想象的工具加以采用。鲍林在1926年给同事的一封信中写道：“我发现他（薛定谔）的方法比矩阵运算简便得多；而且根本思想更能令人满意，因为在数学公式背后至少还有一丝物理学图案的影子。”他说，与矩阵力学相比，原子波动图“非常清楚，十分诱人”。
　　像对待任何物理学中有价值的新思想一样，索末菲尽可能早地在慕尼黑介绍了波动力学。鲍林在第一学期参加了一个讨论会，分析薛定谔早期波动力学论文的校样稿。薛定谔本人也在1926年夏天来到慕尼黑宣讲自己的学说，鲍林在座。在这位奥地利人的讲座结束时，一个满头浅棕色乱发、一脸孩子气的年轻人从教室后面跳了起来。他就是海森伯。他对人们这么快就接受薛定谔的理论感到异常愤怒，而且担心自己的矩阵体系会被搬到一边。他当面质问薛定谔，他的电子波理论如何解释诸如光电效应和黑体辐射这类量子化过程。薛定谔还没来得及回答，慕尼黑实验物理学研究院院长，德高望重的诺贝尔奖金获得者维尔海姆·维恩怒气冲冲地插话道：“年轻人，薛定谔教授将来肯定会解决这些问题的。你必须理解现在我们已经不再相信量子跃迁这一派胡言了。”薛定谔冷静地补充说，他深信最终他的方法会澄清所有的问题。
　　这是两种世界观的碰撞。海森伯日渐确信，从根本上来说，原子是不可知的，原子水平的实际情况是不可想象的。原子现实是不可能用经典理论来想象或描述的；只能够通过他奇特的新颖数学公式来认识。而薛定谔同样确信，原子肯定具有一些经典物理学的性质。尽管两人在公开辩论中保持着彬彬有礼的态度，但是他们私下的书信往来表露出了他们之间的敌对情绪。薛定谔依然称量子跃迁是“怪异的”，海森伯则断定薛定谔坚持原子有形是无稽之谈。
　　新量子力学的矩阵理论和波动理论都比旧的玻尔—索末菲原子模型——以下称为“旧的量子理论”——来得优越，两者都能以较少的矛盾解释多得多的实验结果。泡利告诉鲍林，他在双原子分子上的辛苦工作是白费力气，因为它支持的不过是一个过时的体系。确实“没有意义”。
　　同时，泡利也意识到，鲍林跨学科的体系为新的量子力学提供了一个极好的试验。鲍林的理论提出，旧的量子理论预测磁场对氢气的介电常数会产生可以测得的效果。泡利告诉他，这很可能是错误的；新的量子力学的预测结果是没有影响。如果鲍林能够以新的量子力学公式来计算他的体系，他可以发表那篇被认为是支持旧的量子理论的论文。不过，这次的用意在于驳斥旧的量子理论。
　　来自帕萨迪纳的试验结果进一步否定了鲍林关于磁场效应的预测。在此之后的几个星期里，鲍林又运用新的力学重新进行了运算（他借鉴了海森伯和薛定谔两人的公式）。他说，计算结果显示，“旧的量子理论显然不成立，而新的量子理论成功了。”对鲍林来说，旧的量子理论也死亡了。
　　在苏黎世会议结束后两星期给诺伊斯的一封信中，鲍林写道：“我现在正埋头于新的量子力学，因为我觉得原子和分子化学需要它。”对鲍林和每一个物理学界人士来说，新体系的明显优越性很快就体现了出来。不久之后鲍林说：“旧的量子理论与实验结果不符，而新力学与自然十分和谐。在旧的量子理论无言以对之际，新力学雄辩地说明了真相。”
　　爱娃喜欢他们在欧洲的日子。她和莱纳斯再次补上了从没度过的蜜月。尽管鲍林的工作日程很紧——大多数夜晚他都在房间里伏案运算，而爱娃则在一边读书或者练习德语——他们仍旧有时间娱乐。他们在慕尼黑听歌剧，参观美术馆；他们经常去新建的德国博物馆，那里有大量的科学展品，周末到阿尔卑斯山去爬山，有时也去欧迪赌场跳舞。“我喜欢和莱纳斯跳舞，他的舞跳得棒极了，”爱娃在那年夏天写道。“我们配合得天衣无缝，大跳别人不会的小步舞。”爱娃远非一个普通的社交伴侣。鲍林夫妇几次受邀到索末菲的家去作客，爱娃给所有的人都留下了良好的印象。当索末菲听说她会弹琴时，就让人把自己的一架钢琴搬到了鲍林家。和在加州理工学院一样，爱娃陪莱纳斯去听讲座和讨论会，甚至还去每星期在咖啡屋举行的物理学家专业聚会。很多时候她是在场的唯一女性。那年夏天，她骄傲地写信告诉诺伊斯：“一个德国小伙说，连我在内，理论物理学院有5个美国人。”
　　在慕尼黑过了几个月后，鲍林成了美国学生联谊会的常客。与一对和他们同住一幢楼的美国博士后纪列民兄弟一起，莱纳斯和爱娃组成了非正式的来访美国学生欢迎委员会，向新来的学生介绍这座城市和大学，然后带他们到自己最喜欢的咖啡屋去向他们介绍最新的科学发现——或者谈论更重要的话题，比如奖学金是否够用。
　　在与爱娃母亲的通信中，他们时刻追踪着小莱纳斯的健康、心情和成长。尽管两人都很想念孩子，他们很高兴没有带孩子一同来，因为这会给他们带来太多的家务和麻烦。到慕尼黑几个月后鲍林写信给诺伊斯说，“我对妻子清醒头脑的敬重与日俱增，因为当初我曾竭力主张把孩子带来。”
　　唯一的阴霾发生在7月初，他们收到鲍林妹妹露茜尔的来信，告诉他们关于母亲的坏消息。贝莉的健康急剧恶化，被送进了塞勒姆一所主要用来治疗精神病人的州立医院。鲍林马上回信说：“妈妈的消息对我的打击很大。我将尽我全力，告诉我你希望我做些什么……我从来不知该如何是好，因为我不知道事态的严重性……我把所有手头的钱都寄给吉姆叔叔了。如果不够的话，我会设法借钱……妈妈需要什么都给她。”
　　但是，当信到达波特兰之前，贝莉已经去世了。
　　这是一种日益不幸的生活的终结。在鲍林上大学一年级的时候，贝莉再婚了。新郎布莱顿是贝莉的姐姐格蒂安排见面的，一个整天嚼着烟草的士兵。他们闪电般地结了婚，这场婚姻从一开始就注定了失败。鲍林的两个妹妹波琳和露茜尔打开始就不喜欢她们成天躺着不干活的继父。蜜月过后不久，贝莉患上了流感，后来发展为肺炎，慢性贫血又进一步加剧了病症。新婚夫妇开始吵架。几个月后的一天，布莱顿抓起帽子和外套说是去理发。他再也没有回家。
　　波琳也迫切地希望离开这个家。高中毕业之后，在莱纳斯的资助下，她沿着哥哥的足迹进了俄勒冈农学院，但是她并不喜欢大学生活。她年轻又漂亮，渴望着能够到新鲜的地方去。1925年，她在波特兰的慈善互助俱乐部当上了秘书长助理，不久就得到了俱乐部体育教练的好感。波琳怂恿他到别的城市去寻找机会，他们很快结了婚，在几个月后搬到了洛杉矶。当贝莉得知两人私奔之后，一下瘫软在地上了。
　　露茜尔在三个孩子中最可爱，最听话。她一个人承担起职责，照顾丧失生活自理能力的母亲。贝莉的恶性贫血进入了一个新阶段，大腿丧失了行动的能力和感觉，还间歇地出现臆想和幻觉。维持生计的重压使她身心交瘁。寄宿房的取舍得作出决断，露茜尔已经20岁出头，但她对生意经却一窍不通，也不想自己来作出选择。“我让别人来作决定，来照料妈妈，来照料一切，因为我实在太不成熟，难以担当责任，而且过于轻信，”她后来在给鲍林的一封信中这样写道。
　　鲍林最后一次见到贝莉是在1926年3月，当时，他和爱娃在去欧洲途中路过波特兰。那时候，他就意识到母亲已经逐渐丧失了照顾自己的能力。她的头发已经灰白，行走困难。但是鲍林不愿打乱自己的计划。他告诉母亲，自己在帕萨迪纳的银行里存了一千美元，如果要用的话，只要跟他说一声；他还托付自己的叔父，法官詹姆斯·坎贝尔，以及一个忠诚的老寄宿者埃克曼先生，多多关心他的母亲。
　　两星期后，贝莉卖掉了寄宿房——至少在纸面上。“买主”是露茜尔，售价10美元。也许贝莉是为了逃避身后的遗产继承税或别的问题；也许她是为了奖赏留在身边的唯一的孩子。然后，她出租了房子，和露茜尔搬到了附近的一间公寓中。这耗尽了她最后的一点精力。她产生幻觉的间歇越来越短，夜不能寐，愈来愈烦躁不安，忽而得意洋洋，忽而疑神疑鬼。露苛尔受不了，只好把贝莉的大姐格蒂叫来收拾局面。
　　格蒂也无能为力，最后决定把贝莉送进收治精神病人的州立医院去。在处理好法律程序之后，格蒂带着妹妹来到60英里之外的州立医院，并填写了入院问卷。是否酗酒或吸毒？“否。”性格脾气？“道德性格佳。生性快乐。16年前丧偶——在巨大困苦中抚养了孩子。”精神失常的最初症状？“疾病和过多的责任带来的极度忧虑。”
　　露茜尔几天后探访了母亲，母亲在精神病院的情景让她难以接受。她哭着叫阿姨格蒂带母亲回家，但被告知已为时过晚。
　　入院后不过几个星期，贝莉就去世了，终年45岁。
　　几天后，当鲍林在慕尼黑的家中招待几位朋友时，从妹妹的来信中得知了这一噩耗。他从先前格蒂阿姨写来的一封他记得是“愚蠢、蛮横和莫名其妙的来信”中——格蒂阿姨要他尽量弥补自己对母亲未尽的责任——已经对母亲病情恶化的状况略知一二，但是她的死讯仍然给了他巨大的打击。他难以自禁，在朋友面前失声痛哭，爱娃竭力地劝慰他。
　　母亲死后，多年来在孩子们心中积聚起来的愧疚和忧虑终于爆发了出来。几天之后，妹妹波琳给哥哥写来一封充满责备的信，历数他小气吝啬、不肯尽孝的种种劣行，还指责他甚至不肯给自己的太太买些像样的衣服。鲍林慎重理智地写了封回信，说明他对母亲最后的健康状况毫不知情，还列出了他寄给母亲的钱以及他为照料母亲作的种种安排。不过，在给露茜尔的信中，鲍林流露出了些许真情。“也许你没有意识到你一直向我隐瞒真情。波琳在信中说出那些恶毒的话语，我自然对她不可能有以前的那种感情了。她的话除了一句之外都是恶意的诽谤。唯一正确的一句话是，爱娃确实没有像波琳有那么多漂亮衣服，因为在服装上爱娃一年的开销大概只相当于波琳一个月的开销。我俩借钱供波琳在科瓦利斯读了毫无结果的一年书，借钱给妈妈治病，我们只有省吃俭用才能还清这笔钱的利息和本金……我已经习惯被诽谤了，我知道人们总会相信格蒂阿姨的胡言乱语；但是我不希望你对我产生误解……”
　　鲍林无法赶回家出席葬礼，在世界的另一头也实在无能为力。鲍林在贝莉刚去世的时候给露茜尔的一封信中写道：“我有许多美好的愿望，希望有朝一日能够略尽孝心，但是现在为时已晚。”
　　一表人才
　　鲍林在悲伤之余掺杂着一丝卸下重负的感觉。他与母亲从来缺乏很深的理解和爱；他与贝莉的关系主要是建筑在子女的责任和愧疚上。这块石头现在终于被搬走了。8月初，鲍林和爱娃启程赴瑞士和法国度假，这是他们早就计划好了的。一路上他做了一些工作，但更多的是休闲。秋天回到慕尼黑的时候，鲍林惹人注目地穿了一身定做的西装，带了一条苏格兰羊毛围巾。爱娃写道：“他看上去十分迷人，特别当他提着意大利手杖的时候。”
　　鲍林在学术上也是一表人才。一些欧洲人总以为来欧洲求学的美国学生会不知所措，缺乏教养，但是20年代一些出色的科学家，包括约翰·斯莱特、爱德华·康顿、哈罗德·尤里、卡尔·康普顿（后来成为麻省理工学院院长）和鲍林改变了这种印象。鲍林对当地语言的掌握让他足以应付日常事务，而且在不断进步——到德国几个月后他就能用还过得去的德语作报告了——同时他非常努力地学习新物理。生于德国的物理学家汉斯·贝特是1927年在索末菲处完成博士学习的，他记得，与一般美国人相比，鲍林“显然与众不同。人们都认为他学识渊博”。鲍林身材颀长，态度友好，又充满激情，十分符合欧洲人心目中的美国西部人形象，可以说是科学界的牛仔。德国科学家赫尔曼·马克在慕尼黑碰