20世纪的科学怪杰鲍林-第16部分

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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成键电子或电子对将一些原子或离子联结在一起的想法，在某种程度上是没有什么意义的。”这是一种非常激进的思想；分子轨道概念同多年来化学家对化学键本质的认识针锋相对，然而，它符合光谱数据。马利肯回到美国芝加哥大学教书时，把这一思想也带了回来。
　　在一段时间里，化学家似乎不得不在鲍林和马利肯的不同理论中作出自己的取舍。但是从根本上看，两种观点的分歧并没有像表面上那么大。两者都建筑在薛定谔的波动方程上，而斯莱特和其他科学家在30年代中期发现，如果将数学公式深入推导下去的话，两者最终会给出相同的答案。情况有些像物理学家在海森伯的矩阵与薛定谔的波动方程之间的权衡：尽管看起来大相径庭，实际上是殊途同归。选择的标准是哪一种方法更简便，以及在某种情况下，哪一种方法更奏效。
　　鲍林当然认为自己的方法在理解化学键问题上更胜一筹。他知道分子轨道方法是有用的——他在寻找化学键问题的突破时也尝试过这种方法——但是，当他在1931年成功地修正了海特勒一伦敦的理论之后，就基本上放弃了这一种方法。当斯莱特表明他的方法和马利肯的方法实际等效后，鲍林觉得没有必要再去纠缠分子轨道法了。他的思想符合化学家对于化学键的认识；与此相反，鲍林觉得马利肯的方法不符合直觉，不容易为学生所接受。
　　鲍林的化学键理论一举成名，而马利肯的理论却默默无闻。原因有多种，最主要的是，鲍林是一个能说会道的教师，一个妙笔生花的作者。他深诸如何用化学界听得懂的语言来进行交流。鲍林一开口，价键理论似乎是不容质疑的智慧。马利肯一张嘴，听众就昏昏欲睡。马利肯是一个糟糕透顶的教师，在大庭广众面前极不自在，声音小得几乎听不见。他不愿意迎合自己化学系的学生，讲课时总是离题万里，充斥着数学，听者很难跟得上。他的书面功夫也好不到哪里去。随着年代的推移，马利肯和他的一小批追随者埋头于改进他们的分子轨道法，不断地使数学方程更精炼，并运用它成功地解决了一些问题。二十年后，新一代的化学家将更倾心于马利肯的理论。但是，在30年代，马利肯的思想被来自帕萨迪纳的高谈阔论淹没了。
　　在第一篇论文“化学键的本质”发表之后，鲍林的灵感喷涌而出。1931年6月，他提交了一篇后续的论文，这篇论文成了其论文系列的第二篇。在这篇论文中，鲍林探讨了如何用量子力学来解释相对较少的单个电子和三个电子的化学键问题。在不同的解释中，他用计算的办法帮助确定了诸如氧、硼和硝亚基化合物特殊的键合特性，即让路易斯着迷的罕见的“孤电子”分子。路易斯本人和鲍林就这篇论文中的一些观点进行了探讨。当鲍林在伯克利访学的时候，两人在路易斯办公室的黑板上涂满了示意图和公式。路易斯一边喷吐着雪茄的烟雾，一边喷吐着真知和灼见。
　　鲍林下一步的目标是更大的难题。长期困扰化学界的一个疑案是两种不同类型的化学键，也即离子键和共价键之间的关系。按照路易斯的观点，如果两个原子平等地共用一对电子，所形成的化学键就是共价键；如果某一原子把整个电子对都拉到自己这一边，使一个原子带负电，另一个原子带正电，所形成的化学键就是离子键；离子键是由正负离子之间的静电引力所产生的化学键。问题是，离子键和共价键是具有截然不同性质的两类现象呢，还是如路易斯认为的，是一个连续作中的过渡。
　　在鲍林“化学键的本质”系列的第三篇论文中，鲍林指出，量子力学又一次支持了路易斯的观点。至少在某些情况下，他的公式表明，兼有离子和共价性质的“偏离子”键符合量子力学和实际观测的结果。在其他情况下，他发现不同类别的化学键之间的跳跃是非连续的；这涉及原子对电子吸引程度的大小。他举了几个实例，并提出一些形成这些中间化学键所必要的条件来证实自己的观点。
　　在写到化学键的时候，鲍林开始用“共振”一词来代替“电子交换”，而且他把这一概念推广到了新的领域中。海森伯使用电子交换的概念来说明电子的可交换性；海特勒和伦敦用它来解释共价化学键；鲍林和斯莱特用它来解释形成四面体碳原子这类混合化学键所需要的能量。现在鲍林又提出，如果满足一定条件的话，在分子的离子键和共价键之间的状态也会存在共振。例如，氯化氢既可以被看作是氢原子通过纯粹的共价键与氯原子键合在一起，也可以被看作是带正电的氢离子通过纯粹的离子键与带负电的氯原子键合在一起。鲍林指出，实际的分子是一种混合的类型，一种在两种极端情况之间的共振结构。不管何时发生这种情况，“只要在两种形式之间产生了共振，结构就稳定下来，”鲍林说。
　　对鲍林而言，整个化学观念开始发生变化。他兴奋地意识到，共振也可以运用到单键和双键的关系上来——并不需要非此即彼，而可以在两种状态之间产生共振，从而形成具有独特性质的稳定的偏双键。对于那些不能纳入经典理论范畴的结构，共振给出了圆满的解释。
　　实际上，按照这一新思想，所有的化学现象都可以重新加以估价，而鲍林在30年代早期从事的正是这一宏图大业。通过把自己的共振理论运用到各类化学键问题上，并根据已知的键长和键强的经验数据修正自己的理论结果，鲍林写出了一系列论文，把化学引向了一条新的道路。
　　鲍林的知名度随着每一篇论文的发表而增长着。1932年春天，他接受了斯莱特的邀请，以访问教授的身份到麻省理工学院讲学一学期，而把再过3个月就要临产的爱娃留在了帕萨迪纳，这是爱娃第三次怀孕。他在东部访问期间，马不停蹄，不管是在讲座上，还是在餐桌上，不断地向哈佛一麻省理工学院化学界的一些重要人物灌输他的新思想。在和加州理工学院的一位同事唐·尤斯特共同设计出一种估算单纯共价键理论强度的体系后，鲍林一直在思考估算分子中离子键和分子键相对强度的方法。在掌握了新的数字之后，鲍林就可以把自己从理论上推出的数字与不同元素结合成化合物时的实际状态加以比较。化学键的实际强度总大于理论预测——鲍林认为，增加的能量来自于离子键共振所产生的稳定效果。这种差异越大，化学键的离子性就越大，两个元素吸引电子能力的差别就越大。运用这一体系，就可以回答一些以前悬而未决的问题，如盐酸HCl是离子的，还是共价的——鲍林发现两者兼而有之，比例为20：80。
　　鲍林在坎布里奇的另一个成果应该归功于生物学。鲍林在加州理工学院时就坚持参加生物学讨论会。他看到，遗传学家通过测量两个独立的特性同时遗传的频率来定出基因在染色体上的位置：两个基因的位置越近，在遗传时联系在一起的机会就越大，这使他兴趣盎然。鲍林借助这一定位的思想来创建他自己关于元素对之间关系的标尺。根据他的计算，如果两个原子之间化学键的离子性越强，它们吸引电子能力的差异就越大，在他的标尺上分得就越开。比如说氟——对电子吸引力最大的一种元素——就在标尺的尽头。锂则在另一头。这两种元素形成的化合物，氟化锂的化学键几乎是百分之百的离子键。碘在鲍林的标尺上处于中游的位置，因此碘化锂的化学键具有较强的共价性。在比较了一些这样的元素对后，就能够定出一种相对的特性，他称之为电负性，并给不同的元素赋予不同的值。反过来，这些值又可以用来为许多分子预测化学键的类型和强度，包括那些尚没有获得实验数据的分子。在麻省理工学院讲课期间，他把这一思想写成了一篇论文，成为“化学键的本质”系列中的又一力作。完成之后没过几天，他匆匆登上返回帕萨迪纳的火车，在5月30日赶到家中。第二天，他的女儿琳达·海伦就出世了。
　　鲍林的电负性标尺是他提出的理论基础最不扎实然而却最具影响力的思想之一。它与严密的量子力学距离甚远，但是很容易被化学家所理解。他们觉得用它来解决实际问题非常实用。在他的表格中比较两个元素的电负性，即使对波函数一窍不�