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20世纪的科学怪杰鲍林-第9部分
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1895年发现X射线之后，许多物理学家认为它是一种特殊的光线——你可以用X射线拍摄木头里的钉子或是手掌里的骨头——其性质应该与波一致。但是没有人能够肯定，因为尚无人能够确凿无疑地证实X射线具有衍射等波特有的性质。关键问题是，在进行衍射试验时，光栅缝隙的大小应该与试验对象的波长相当。每英寸两万线的光栅适用于可见光。但是X射线比可见光能量大得多，这按照经典物理学的解释，意味着其波长要短得多——可能只有可见光波长的千分之一。制作如此精细的光栅完全是不可能的。
德国物理学家马克思·冯·劳厄认为，如果人工做不出这样的光栅，自然造化也许能行。自然界中的晶体被认为是由原子按一定规律排列而成的，每层只有几个原子厚。劳厄觉得这些原子层的间隙可能合适，可以作为X射线衍射光栅。不过由于原子是由原子层组成的一个立体，在另一端形成的图案将会十分复杂，就像把几个光栅叠放在一起那样。劳厄的老板、慕尼黑大学教授阿诺德·索末菲认为这一想法荒诞不经，劝说他不要在这上面浪费时间。但到了1912年，两个学生证实了劳厄的预言。他们把一束X光射向硫化锌晶体，在感光版上捕捉到了散射现象，即后来所称的劳厄相片。感光版冲洗出来之后，他们发现了圆形排列的亮点和暗点——衍射图。劳厄证明了X光具有波的性质。《自然》杂志把这一发现称为“我们时代最伟大、意义最深远的发现”。两年后，这一发现为劳厄赢得了诺贝尔奖。
这一发现有两个重大意义。首先，它表明了X射线是一种波，这样科学家就可以确定它们的波长，并制作仪器对不同的波长加以分辨。（和可见光一样，X射线具有不同的波长。）但是劳厄倡导的第二个领域结出了更为丰硕的成果。一旦获得了波长一定的光束，研究人员就能利用X光来研究晶体光栅的空间排列：X射线晶体学成为在原子水平研究三维物质结构的首枚探测器。
现代化学奠基人之一的汉弗莱·戴维在鲍林进入加州理工学院一个世纪前就曾说过：“在人类获取知识的过程中，新工具的运用具有超越一切的重要性。人们在各个时代取得的不同成就，其关键因素并非是他们的自然智力水平，而是他们所掌握的各种手段和人工资源。”X射线晶体学将成为一种威力无穷的人工资源。
背后的理论相当简单。研究人员面对着三个因素：波长一定的X光，结构一定的晶体光栅和衍射图谱——三者之间存在着一种简单的数学关系。知道了图谱以及另一个因素，就可以推导出第三个因素。最初的许多数学和实践技巧是由一对英国父子搭档，亨利·布拉格和劳伦斯·布拉格①开发的。他们在剑桥与曼彻斯特的实验室成为世界上进行X射线晶体学研究最著名的中心。
①亨利·布拉格（Henry Bragg，1862—1942），英国物理学家，现代团体物理学创始者之一。其子劳伦斯·布拉格（Lawrence Bragg，1890—1971）也是物理学家。父子俩一起用X线衍射仪确定晶体结构，共获1915年诺贝尔物理学奖。
理论并不复杂，但在实践中，由于衍射图谱相当复杂，因此把晶体结构拼凑起来的过程相当耗费时间和精力。早期的仪器是自制的，质量很不稳定。晶体通常要非常大，需要经过精心的提炼，按一定角度切割，并通过精确的放置才能获得满意的衍射图谱。如果成功地获得了劳厄相片，还要一丝不苟地测量各点的位置和分布。然后才是数学计算。即使是简单的晶体，在没有计算机的时代，对每一个晶体结构的计算都需要花费几个月的时间。如果晶体过于复杂，基本晶体结构单位晶胞中包含的原子数目超过十个，那么X光的衍射图谱将异常复杂，难以破解。整个过程有点像用自制的猎枪射击一块装饰用的熟铁，然后通过分析跳弹的轨迹来推测熟铁的形状。
出于这些原因，研究对象只能局限于很简单的晶体。然而，对这些简单晶体的研究得出了令人惊讶的成果。研究人员第一次可以通过工具了解晶体中单个原子的排列，精确测量原子间的距离和角度。布拉格父子解决的第一个晶体结构是岩盐，结果出人意料。整个晶体形成了一个巨大的栅格，每个销离子被六个等距离的氯离子包围，每个氯离子被六个等距离的钠离子包围。没有单独的氯化钠“分子”。这一发现震惊了理论化学界，立即引发了人们对盐在溶液中行为的新思索。布拉格实验室早期的另一个成功是发现了钻石的结构，验证了早先化学家的理论，它纯粹是由碳原子组成的四面体。布拉格父子接着又解决了其他几个晶体的结构（他们在劳厄之后一年分享了诺贝尔奖）。
诺伊斯深信X射线晶体学将会有更深入的发展。晶体学是由欧洲物理学家发明的，但诺伊斯后来把它带到美国，使它成为化学家的日常工具。在布拉格发表成果之后仅过了三年，诺伊斯已把它称为“当今物理化学界最重要的工具”。1916年，他建议自己一位在德国学习的麻省理工学院研究生拉勒·伯迪克在回国途中到英国布拉格实验室稍作停留，以学习他们的X射线技巧。伯迪克回国后，在麻省理工学院建造了美国第一座X射线光谱仪。之后的1917年，诺伊斯让他在帕萨迪纳建造了第二座改进的光谱仪——伯迪克回忆说：“这是当时最好的一座。”研究成果很快就喷涌而出。当鲍林入校的时候，X射线晶体学已成为加州理工学院最重要的化学研究工具，在化学系最初发表的二十篇论文中就有十五篇以此为论题。
诺伊斯对这一技术抱有很大的期望。化学研究的是分子的行为。诺伊斯日益相信，分子的行为取决于分子的结构。现在终于有可能“看见”分子的结构了。诺伊斯把鲍林分配到迪金森实验室，正是要指点这位天资聪颖的学生沿着一条他深信的未来化学之路前进。
鲍林一头扎进了实验室，但不久就陷入困境。诺伊斯建议他首先尝试找出氢化锂的结构，但10月份在经过三个星期的努力之后，鲍林发现荷兰的一个小组已经先于他解决了问题。在接下来的一段时间里，他又尝试了其他几种化合物。首先他在电炉中把化合物融化并逐渐冷却以获得晶体，然后把晶体切割，并在显微镜下对好的切片进行初步分析，以确定其结构是否很简单。结果一无所获。（他尝试的一种化合物是二镉化钠，后来被发现是人类所知的最复杂的无机分子之一，直到35年之后其结构才被鲍林的一个同事解决。）鲍林越来越感到沮丧。
在经过两个月对十五种不同物质进行了一无所获的试验之后，导师迪金森拯救了他。迪金森把他带进化学品陈列室，从架子上抓起一块辉钼矿矿石——一种由钼和硫组成的带有黑色光泽的矿物。他向鲍林演示了在显微镜载片上放置晶体薄片的新方法，并和他一同进行拍摄劳厄相片的准备工作。迪金森为何选择辉钼矿是一个谜。也许他认为其相对简单的分子式，MoS2，代表了一种简单的晶体结构。也许只不过是运气好。不管是何种原因，晶体薄片的形状相当好，晶胞很小，不出一个月，迪金森和鲍林已经确定了其结构——相当有趣，在一个金属原子钼的周围围绕着六个非金属原子硫，组成了一个等边棱柱，此类结构是首次被发现。
鲍林欣喜万分。后来他写道：“这一成果使我终身难忘。确定结构的过程涉及一系列一丝不苟的。精密的逻辑推理，迪金森帮助我认识到了这一点。世界的本质可以通过精心筹划和熟练的试验来了解，这一认识让我非常高兴。”伴随兴奋而来的是一种深深的满足——通过人类的智慧和技巧可以发现大自然隐藏的规律。他作出了一项发现。
现在他是一位名副其实的科学家了。
迪金森当然在以前也分析过晶体，现在他很高兴自己的学生已经入门，便埋头于别的工作了。鲍林认为下一步应该发表自己的第一篇学术论文了。但是，“我等了足足一个月，仍杳无音讯，”他回忆说。所以他以个人名义撰写了供发表的辉钥矿研究成果，把论文交给了迪金森。
不久之后，诺伊斯把鲍林叫到了办公室。在让年轻人坐下之后，他巧妙地把话题转到了科学成果归属的问题。诺伊斯说，这篇辉钼矿论文只署了鲍林的名字；恐怕鲍林忘记了迪金森教授也参与了这一工作。鲍林说：“当然这对我的震动很大，我意识到自己完全忘记了他（迪金森）的工作以及他对我的指导。”“辉钼矿的晶体结构”一文经过修改于1923年4月在《美国化学学会学报》上发表。著者按次序为，罗斯科·迪金森和莱纳斯·鲍林。“我认为这是一次很好的经历，”鲍林说，“它使我认识到一个人很容易低估别人作出的贡献。”
在蹒跚起步之后，鲍林成了一名晶体学高手。不久迪金森就完全信赖了这位学生。在1924年他获研究基金赴欧洲访学的一年里，他让鲍林负责X射线实验室的工作，这进一步加强了鲍林独立开展研究工作的能力。鲍林还担负起了教师的责任，向其他学生介绍试验技术并指导他们的工作。回国之后，迪金森逐渐对其他研究领域产生了兴趣，鲍林就接任了加州理工学院住校X射线专家的职务。在获得博士学位之前，鲍林还独立地或者与别人合作发表了6篇晶体结构的论文，数量之多令人瞩目。
鲍林早期的研究工作，确立了他作为美国一名出色的青年晶体学学者的声誉，同时也使他以一种全新的眼光来看待世界。他花了大量时间，分析晶体单位的长宽高，了解原子的大小和化学键的长度，从那之后他将从结构的角度来看待一切化学现象。他本能地意识到，分子是由原子构成的，正如楼房是由砖瓦和横梁构成的一样。它们的结构并不是随意的，而会以一定角度构成一定的形状；这种架构的度量单位是几亿分之一厘米。
发现并描述这些结构，可以给人带来一种纯粹的审美快感，然而意义还远远不止这些。分子的构造决定了其行为的方式。就拿辉钼矿来说，迪金森和鲍林发现硫原子之间的间距比布拉格父子在其他矿物中测量出的间距要大。在他的第一篇论文中，鲍林把辉钼矿易于开裂的特性归因于疏原子之间较长的化学键。他也开始考察所有已知的晶体结构，试图找出为什么布拉格的硫化学键比他与迪金森发现的要短。他意识到，类型不同，化学键的长度也不同：两个原子平等地分享电子所形成的化学键——朗缪尔在1919年创造了“共价”一词——一般比离子键要短（强）。所谓离子键，指的是一个原子离电子的距离比另一个原子要近。路易斯在他的立方体原子模型论文中提出，根据两个原子分享电子能力的不同，可能产生不同类型的化学键。现在当他重新回顾这些文献，并自己动手解决了一些晶体结构之后，鲍林发现，正如路易斯推断的那样，化学键类型并不是非此即彼。有些化学键处于两种一般类型的中间状态。
在过去的四十年里，物理化学家在研究化学反应时一般都忽略了化学结构；毕竟在晶体学之前他们无法精确地描述结构。但是情况正在改变。现在他们日益认识到物质的性质取决于它们的结构。
诺伊斯逐渐淡出教学，致力于行政管理。鲍林在加州理工学院的第一个学期选修了诺伊斯教授的最后一门课：化学热力学，一曲19世纪以经典的牛顿物理学来研究物理化学的天鹅之歌。
这门课也是鲍林在研究生阶段上的唯一的化学课程。他在俄勒冈农学院已经上了足够多的化学课，但对物理和数学的知识却求之若渴。他以后的研究生学习主要集中在这两个领域。
数学是一种有用的工具，是学习物理必备的技巧。鲍林的数学导师是另一个——也许是最出色的——诺伊斯在麻省理工学院的学生，理查德·切斯·托尔曼。他在1910年获得博士学位，然后四处游荡。他从密歇根大学转到辛辛那提大学，在伯克利分校与路易斯共事四年，在依利诺伊大学呆了两年，又在政府中干了三年，寻找一个能够满足他广泛兴趣的职位。托尔曼的兴趣没有边际：热力学、统计力学、动力学、理论物理化学，甚至还有天文学。不过，他在化学以外的主要兴趣是理论物理学。第一本探讨爱因斯坦的狭义相对论的英语书就出自他的手，并且当欧洲在量子物理学方面取得令人激动的最新成果时，他是美国为数不多的认识到这一理论重要性的化学家——在此也应该说是物理学家。诺伊斯在鲍林入学前一年把托尔曼请到了加州理工学院，并给了他一个不同寻常的双重头衔以反映他的兴趣：物理化学和数学物理学教授。诺伊斯称他是“一个不可多得的人才……兼有实验和理论才华……实际上，可能除了伯克利的路易斯，举国上下没有一个物理化学家是能够和他相提并论的”。在诺伊斯创建用现代物理学武装起来的化学系的计划中，托尔曼是中坚力量。在鲍林还是学生的时代，他就担负起了研究生教学的重担。诺伊斯从20年代起越来越关心加州理工学院的本科教育，而托尔曼则代表了研究生教育的灵魂：明确、严谨、领先。
学生们视他为智识过人、聪明博学的学者，他高高的额头和整齐的髭须更加深了这种印象。同诺伊斯一样，托尔曼是新英格兰人，出生于一个富裕的马萨诸塞州家庭，在麻省理工学院接受教育。如果不是因为诺伊斯和其他几个他觉得志同道合的帕萨迪纳私人俱乐部的朋友，他绝不会到加州理工学院来。他同情左派政治观点——鲍林记得学生们哼唱一首小曲“左派理查德和他的兄弟爱德华”（爱德华·托尔曼是伯克利的教授）——与南加利福尼亚的保守倾向格格不入，而且他的文化品位不能容忍那一地区的粗鄙的商业化习气。他是一个出身名门颇有教养的贵族，在加州理工学院总显得有点不合群。“我觉得，在新英格兰，没有自我标榜的狂妄，没有巧取豪夺的压力，决策的基础也不是名声，”他在20年代考虑是否接受哈佛一个职位时这样写道。“我觉得人一到哈佛，就像回到了自己的家，对于他们的方式和传统我毫不陌生。”只是加州理工学院无可比拟的工资让他留了下来。
不管工资多高都是值得的：托尔曼是加州理工学院最出色的教授。他的讲座是逻辑和系统的杰作；当着学生的面，他在黑板上写满数字，然后条理清晰、令人信服地引导学生穿行在新物理学的迷宫中。他让学生直接参与讲座。他会半途突然停下来，叫一个学生站起来，询问他对刚才探讨问题的理解。这让学生们保持清醒，并迫使他们的大脑快速运转。鲍林选修了托尔曼执教的所有课程，包括相对论和统计力学。他给托尔曼和其他教师都留下了深刻印象，不久，他就开始帮助托尔曼准备供出版的论文手稿。
但是托尔曼对于鲍林最大的影响还在于他向这位年轻的化学家介绍了量子理论。
4 加州理工学院（二）
玻尔原子
在进入加州理工学院之前，鲍林只在俄勒冈农学院上过三学期专门为化学工程师设计的物理学入门课程。课程极少涉及欧洲最新的物理思想，比如由一位年轻的丹麦人尼尔斯·玻尔率领的一小组物理学家正在探求世界的构成。
玻尔希望了解原子，所以在战前来到英国追随卢瑟福学习，当时卢瑟福刚刚提出电子围绕原子核飞行的动态太阳系原子模型。玻尔第一个伟大成就在于把卢瑟福的原子与其他物理新发现联系在一起，其中最重要的发现是元素会令人不可思议地释放或吸收特定的、不连续的能量——德国物理学家马克思·普朗克在1901年把这些能量束命名为量子。
普朗克的理论耸人听闻地提出，能量与光和热一样，不像牛顿所认为的那样是连续光滑的，而是以一种不连续的能量单位形式存在的。普朗克的理论可以解释诸如黑体辐射等奇特现象，但与许多传统物理概念大相径庭。尽管越来越多的事实支持量子论——其中最重要的一些结果是由一个名叫爱因斯坦①青年理论家提出的——但是物理学界对量子论并没有形成一致的意见，许多人认为它只不过是为了方便而杜撰出来的概念。
①爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955），美籍德国理论物理学家，创立狭义相对论（1905）和广义相对论（1907—1916），提出光子概念（1905），创立光电效应定律，曾参加反战、反法西斯斗争，反对使用核武器，获1921年诺贝尔物理学奖。
然而玻尔却胸有成竹，他认为量子不仅是真实存在的，而且在认识原子中是必不可少的。他于1913年发表了一篇论文，提出一种原子模型。与卢瑟福的模型相似，电子在扁平的圆形轨道上围绕原子核旋转。但是玻尔提出，轨道只可能具有一定的大小，而且受量子规则约束。获得一定量能量，玻尔电子就会从一个轨道“跳跃”到另一个能量较高的轨道；回到较稳定的轨道，玻尔电子会释放出能量，有时候还具有可见光的形式。
在过去的几十年中，物理学家利用分光镜仔细研究了发光体发出光线时产生的一种神秘现象。受热时，不同元素发出的光线在光谱中的分布并不是均匀的，而是相隔特定的波长。每个元素表现出的波长图是独特的，好比发光的指纹。这些图样本身令人着迷、催人遐想。它们似乎很有规律，预示着一定规则，但同时又异常复杂，难以作出解释。透过分光镜，每个元素似乎都以光的形式展示了某一独特和谐的指法。但是，谁也无法解释为什么原子会发出这些奇特的音调。
玻尔能够做到这一点。这是玻尔原子模型最令人瞩目的成就：在观察炽热气体时，他把电子在量子轨道的跃迁与通过分光镜观察到的亮纹的频率联系了起来。
至少在氢元素上玻尔理论是相当成功的。氢是最简单的元素，只有一个电子，玻尔的原子模型可以用来计算最明显的氢原子光谱。但是尽管经过多年努力，他的理论仍不能令人满意地解释氢原子光谱的一些精细结构，更不用说解释比氢复杂的元素了——当然，任何别的元素都要比氢复杂。
但是在氢光谱上取得的成功促使其他一些物理学家——其中主要有劳厄以前的导师、德国理论家阿诺德·索末菲，慕尼黑理论物理研究院院长——来改进他的理论。第一次世界大战期间，他在两位作为敌对国公民扣留的助手的帮助下（其中一位是出生于俄国，后来在加州理工学院任教的保罗·爱泼斯坦），拓展了玻尔的原子模型。在简单的圆形轨道之外，他们又增加了椭圆形的互相穿插的轨道，对于电子在这些轨道上的运动又用爱因斯坦的相对论进行了修正。结果是一个更加复杂的原子模型，可以用来解释氢光谱的大多数精细结构，并可以推广到多电子的原子。
这一玻尔—索末菲原子模型在战后占据了主导地位，鲍林从托尔曼那儿学到的正是这一模型。这是一个电子快速运动的动态原子模型，完全不同于鲍林在俄勒冈农学院为之入迷的路易斯和朗缪尔那种静态的、立方体原子模型。到鲍林进入加州理工学院的时候，化学家的静态原子已成为物理学家的笑谈，就像加州理工学院院长密立根在1924年的一次讲话中讥讽的那样，“游手好闲的电子坐在干货盒子的角上，准备握手，或是抓住其他原子中同样游手好闲的电子。”物理学家知道，电子得不停地运动才不致于撞向原子核。
与此同时，物理学家的动态原子也渐渐为化学家所接受。索末菲延伸的椭圆形轨道赋予玻尔原子一些化学家必需的三维特性：如果椭圆的一头距离原子核较近的话，电子的轨道就会像胳膊一样从原子核伸展出去，以一种可以想见的方式以特定的方向围绕其他原子。玻尔在20年代早期也重塑了他的原子模型，把扁平的轨道变为三维的壳状轨道，更接近于路易斯的立方体模型。妥协同样来自于化学家方面。路易斯设想他的静态电子可能代表运动离子的平均位置。到1923年，距他自己提出立方体原子模型仅过了七年，路易斯已准备接受玻尔—索末菲模型——至少在对氢原子的解释上——尽管还不能解释原子是如何互相结合在一起的。
玻尔—索末菲原子模型在20世纪20年代达到了最精妙的阶段，完全是想象力造就的引人入胜的工艺品。在按照玻尔的规定画出来的图案中，原子看起来像一朵美丽的几何花，花瓣是互相交叉的精细的电子轨道。鲍林在加州理工学院读研究生的几年中，这些复杂的原子结构，周边的跃动、旋转、和谐的电子轨道，加上和弦般的光谱线，照索末菲的说法，似乎代表了“球体上真正的音乐”。
但是这种音乐完全弹错了地方。电子怎能从一个
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