20世纪的科学怪杰鲍林-第20部分

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　　物理学现在逐渐与哲学合流了，而海森伯在1927年3月提出的“测不准原理”更加剧了这种倾向。在对其矩阵思想作了相当简单的推广之后，海森伯指出，一个观测者无法同时知道一个电子的确切位置和速度。你能够肯定的只不过是一个电子在某一区域的统计可能性，而无法保证它是否真的在那儿。他的思想在从本质上来说是基于实际经验的：要想观察电子，你一定得借助于一定的光能，但即使是最小的光束也会把电子撞到一边，从而影响到观察的结果。我们在观察电子时永远找不到其确定的位置。在原子水平，我们达到了观察能力的极限。
　　这就对认识自然提出了一个更大的问题。如果海森伯所说的是真的，那么我们不光是达到了精确观察的极限，而且在原子里我们原先认为的因果关系也不复存在：如果你只能够说电子“可能”在附近，那么你就不能说电子肯定引发了什么。在此之前，物理学是建筑在决定论基础上的。如果已知两个台球的大小、速度和碰撞角度，那就可以预测碰撞后将会发生怎样的情况。同样，按照牛顿的经典物理学，宇宙中粒子的当前位置和速度，通过因果关系的推断，就可决定每个粒子未来的位置和速度。未来扎根于现在。但是，海森伯的测不准原理说，你连一个电子的未来都无法预测，更不用说宇宙了。
　　海森伯把自己关于测不准原理的论文校样稿给鲍林看，鲍林马上意识到这一思想将会引发一场关于诸如命运等哲学问题的争论。但是鲍林是一个实用主义者，他觉得这场争论是毫无意义的。鲍林在后来一次接受访问时指出：“即使这是一个经典的世界，我们也不可能靠实验来确定宇宙中所有粒子的位置和动量。即使我们知道了这些数据，我们又如何来进行计算呢？我们对于一个涉及1020或者1010个粒子的系统尚且不能详细地进行讨论。我认为不管有没有测不准原理，争论命运和自由意志是毫无意义的。”对鲍林而言，任何与显示世界中的实验和观察无涉的问题都是无足轻重的。如果没有实际操作意义，“那不过是一个语言符号，”他说。作为结果，“我从未费神去参加有关量子力学意义的详细和深入的探讨。”
　　他对玻尔关注的大问题不感兴趣，而在哥本哈根，他在化学键的计算上也没有获得多大的成功。1927年初，一位年轻的丹麦物理学家布劳发表了一篇论文，成功地将薛定谔波动方程式运用到了最简单的分子上：氢分子离子，由一个电子维系的两个原子核。布劳的结果显示，电子的分布在两个原子核中间最集中，在此电子对原子核的引力正好与原子核相互的斥力平衡。这是大门显露的第一条缝隙，表明波动方程可以解决化学键问题。鲍林把布劳的理论又推进了一步，用来解决有两个电子和两个原子核的氢分子。但是他一无所获。正如鲍林在关于离子大小的论文中所经历的那样，波动方程在表述单个原子的电子时已经相当复杂了。下一步的复杂程度是一个严峻的挑战。你得考虑和计算两个原子核之间的斥力，每一个电子对每一个原子核的引力，两个电子的相互斥力；很快，数学表达式就复杂得难以求解。一定需要对分子形式作一定的简化和假设。海森伯与狄拉克联手也难以逾越这一难题。鲍林在哥本哈根期间也败下阵来。
　　不过，鲍林与玻尔身边如云的学者中的一位建立了很有价值的联系：塞缪尔·戈尔德施密特，就是两位发现电子自旋的科学家之一。他刚写完自己的博士论文。同别人一样，鲍林亲切地称他为“塞姆”。戈尔德施密特对用量子力学来解释光谱的精细结构很感兴趣，鲍林帮他进行了一些理论运算。不久鲍林就建议由他帮助把戈尔德施密特的博士论文译成英文。
　　在哥本哈根过了几星期后，鲍林终于同戈尔德施密特一起被召进了玻尔的办公室。玻尔听说他俩在一起进行运算，他让两人介绍一下工作的情况。两个年轻人讲话的时候，他冷漠地坐在那里，厚重的眼皮耷拉着，偶尔吐出一声“嗯，嗯”。当他俩说完之后，他说了声“很好”。他们被打发了出来。鲍林在哥本哈根呆了一个月，就见过玻尔这么一回。
　　在去苏黎世访问薛定谔的路上，鲍林夫妇在哥廷根的马克思·玻恩研究院逗留了几日。这里是精密数学的王国，矩阵力学的摇篮，许许多多青年理论家的精神家园——海森伯、泡利、狄拉克和约尔丹都是二十几岁的青年——因而也是年轻小伙子的物理世界。它也像磁石一样吸引了许多年轻的美国人；在这段时间里，获得古根海姆科学奖学金的学者来到哥廷根的比到其他地方的都要多。鲍林遇到了量子革命的许多关键人物：迪拉克、海森伯、约尔丹，以及玻恩本人，尽管时间非常短。他也遇到了来自哈佛大学，身材瘦削、神态紧张的青年学者奥本海默①。他正在哥廷根攻读博士学位，鲍林和他进行了长时间的讨论。
　　①奥本海默（Julius　Robert　Oppenheimer，1904—1967），美国物理学家，曾任美国研制原子弹的“曼哈顿计划”实验室主任，制成第一批原子弹，后任原子能委员会总顾问委员会主席，1949年因反对试验氢弹被解职。
　　鲍林希望薛定谔会比玻尔容易接近些，但是他又一次失望了。在过去的一年中，波动力学在解决所有的问题时都显示了强大的威力，每个人都想学习它。薛定谔被邀请在欧洲各地巡回演讲，并在1927年春天游历了美国，其中包括在加州理工学院所作的愉快停留。保罗·爱泼斯坦还安排他顺道去了好莱坞和圣莫尼卡的海滨。尽管他在美国过得挺愉快，他仍然不喜欢美国人，认为他们不够文明，贪得无厌，好管闲事。他说，自由女神就差在火炬下戴一只手表了，要是南加利福尼亚在以前留给了印第安人和西班牙人，那么情况将会比现在好得多。最糟糕的是，禁酒令使得到一杯啤酒或葡萄酒也变得极为困难了。就在鲍林抵达苏黎世开始夏季学期的学习时，薛定谔得到了德国科学界最崇高的地位，接任由马克思·普朗克空出的理论物理学会柏林分会主席一职。在39岁的时候，薛定谔在一夜之间成了科学界的超级巨星，而且他十分乐意扮演这一角色。这当然就给来访的美国学者留出了极少的时间。
　　到8月份的时候，鲍林感到有些沮丧。他在给一位同事的信中写道：“我很后悔在这里呆的将近两个月时间，因为我无法和薛定谔建立起联系。大约每周一次，我会在研讨会上见到他。我努力地试图弄清楚他在做些什么，而且由于他对我的工作没有兴趣，我主动提出对任何他感兴趣的问题进行计算；但是无功而返……所以尽管在这里过了两个月，我没有关于物理学的任何最新进展的消息告诉你。”
　　但是，在化学界却传出了令人激动的消息。刚到苏黎世，鲍林就得知两个德国青年，瓦尔特·海特勒和弗里兹·伦敦，成功地将波动力学运用到氢分子的电子对化学键上。
　　鲍林和爱娃在慕尼黑时与海特勒和伦敦就相处得很好。在海特勒获得博士学位的那天晚上，四个人在纽博斯餐馆用香槟酒为他庆贺。那时他们就谈到了化学键的问题，但是谁也无能为力。随后，海特勒和伦敦来到瑞士跟随薛定谔攻读博士后，并在几个月后取得了突破。
　　鲍林来到苏黎世后拜访了他俩，双方展开了热烈的讨论。他得知海特勒和伦敦成功的关键在于采用了一年前海森伯提出的一个观点，他称之为电子交换，或是“共振”。基本思想是，在适当的情况下，电子会很快地交换相互的位置；海森伯用这一思想来解释氨的一些非常奇怪的光谱线。海特勒和伦敦对这一概念作了一些修改来解释化学键：他们想象两个带有自己电子的相同的氢原子互相接近。当它们靠近时，一个电子越来越被另一个原子的原子核所吸引。在某一点上，一个电子会跳向另一个原子，随后电子交换就以每秒数十亿次的频率发生了。在一定意义上，我们无法确认某一个电子是某一个原子核的。海特勒和伦敦发现，正是这种电子交换产生了把两个原子联结在一起的能量。他们的计算表明，电子密度在两个原子核之间最大，这样就降低了两个带正电的原子核之间的静电斥力。在某一点上，正电之间的斥力正好与电子交换的能量相平衡，这样就建立了一定长度的化学键。
　　电子交换在化学里是个全新的概念——在海森伯之前物理学中还没有类似的东西——但是它看来很管用。基于这一体系的计算值与氢分子的几个技术常数的实验值大致上相等，而且海特勒一伦敦模型在别的方面也成立。泡利的不相容原理提出，两个原子只有在自旋方向相反时才能在同一轨道上共存，而海特勒和伦敦发现他们的化学键如果要在氢分子中存在，以上状态是必要的。成对电子形成了原子间的粘合剂：这就是路易斯的共用电子对化学键，现在被赋予了牢固的量子力学基础和数学解释。新物理学又一次指明了一种奇怪的新现实。
　　鲍林对海特勒和伦敦的成果感到非常振奋，他在苏黎世的大部分时间里都在试图推广他们的概念。他与海特勒和伦敦进行了大量的讨论，不过在计算方面，一般都是他独立完成的。那段时间他没有写一篇论文。但是在9月1日启程返回美国的时候，他已经决定运用海特勒和伦敦对于化学键的共振解释来解决所有的化学结构问题。这将成为他今后十年工作的基础。
　　6　化学键
　　四面体
　　当鲍林回来的时候，加州理工学院呈现出一派欣欣向荣的景象。在密立根生气勃勃的领导下，学生人数在1927年秋天增加到600多，其中包括100名研究生。加州理工学院物理系一年发表的论文数超过全国任何别的学院。海耳正在洽谈一笔巨大的捐款，打算在威尔逊山顶上建造一架世界上最大的望远镜。地质学系刚刚成立，航空实验室也处于图纸设计的阶段。更为重要的是，据刚透露的消息称，全国最著名的遗传学家摩尔根①来此建立一个生物学系。生物学与物理学和化学一起，将成为加州理工学院的三驾马车，而摩尔根——他确定基因的位置在染色体上，同时也使他的实验对象果蝇风光了起来——正是再恰当不过的领导。他是一位顶尖高手，具有良好的社会关系，享有大笔的资助。他是在哥伦比亚大学被加州理工学院典型的做法吸引过来的。他将有自己的实验楼，有充足的研究基金。他在1928年的到来立刻使加州理工学院成为全国生物学领域的重要力量。
　　①摩尔根（Thomas　Hunt　Morgan，1866—1945），美国遗传学家、胚胎学家，因创立遗传的染色体学说获1933年诺贝尔医学奖。
　　鲍林、爱娃和小莱纳斯租了南威尔逊大街320号的一所小房子，离校园两条街，在那里他准备开始自己作为教授的第一年正式的教学生涯。但是他并没有保留在慕尼黑时诺伊斯写信告诉他的理论化学和数学物理学助理教授这一豪华的封号。“数学物理学”这一部分被删掉了。鲍林回忆说：“我不知道物理出了什么事。也许密立根反对我脚踩两条船，也许诺伊斯……决定不让我和物理系发生任何关系，惟恐我会改行。我无所谓。”可能并不是巧合，他最终的头衔，理论化学助理教授，和诺伊斯在麻省理工学院多年里的头衔一样。
　　由于这金森已经转到别的领域，鲍林接管了理工学院X射线实验室。他的第一个办公室设在X射线实验室一角，只有一张桌子，在那里他可以直接监督他的第一个正式研究生的活动。他是一个来自得克萨斯的勤奋的青年化学家，名叫霍尔姆斯·斯特迪文特。鲍林开始准备他作为助理教授的第一门课程——“波动力学及其在化学上的应用”——他自己动手写了250页笔记。后来他把这些笔记改写成了一本书。
　　他把剩余的精力投入了自己的科研工作。和他通常的做法一样，他的大脑同时思考着几个问题。在离开欧洲前，鲍林和戈尔德施米特商议好，把他的德语博士论文翻译并扩充成一本关于光谱学的专着。这两位青年理论家通过书信完成了这本书，戈尔德施米特写了一些章节；鲍林写了另一些章节并负责最后的编辑工作。《线状谱的构造》一书在1930年出版。这是鲍林的第一本专着，但是已经明显地带有他无法遏制的自信：至少有一个评论家抱怨说，著者斩钉截铁的语气使人觉得在线状谱方面已经没有什么新的东西可以学习了。其他的评论都持肯定的态度，这本书取得了一定程度的成功。
　　不过，与戈尔德施米特的合作纯粹是物理学上的研究，这使人对鲍林在加州理工学院的位置产生了疑问。在书出版之后，鲍林在化学系开设了基于这本书的一门课，但是只上了一次就被诺伊斯取消了。他告诉鲍林，密立根对在不对口的院系中开设物理课程很不满意，但是鲍林后来猜测是诺伊斯自己作出了决定，目的是让他专攻化学。
　　这一事件表明了诺伊斯内心的忧虑。鲍林的兴趣广泛，也许过于广泛了，包括理论物理。这没有什么不对——诺伊斯送他去欧洲的本意就是让他去学习新物理——但是现在他的计划是让鲍林把学到的知识运用到化学上去，而不是改行去研究物理。
　　在从欧洲回来的前几个月中，鲍林一门心思钻研纯理论物理。量子力学令他着迷，而索末菲教给他的工具足以让他在这一领域内出人头地，特别是在美国，量子物理学家寥若晨星。另一方面，他看着诸如海森伯、泡利和狄拉克之类的科学家，用他们令人眩目的数学和哲学才华作出了重大的科学发现，令他望尘莫及。实际上，鲍林对这一竞争感到畏惧，这也许是他一生中唯一的一次。
　　他需要获得突破，而他意识到突破口在新物理和化学的交界地带。如果说美国的量子物理学家还只是凤毛麟角的话，那么在20年代末在美国能够把量子力学应用到化学上的科学家更是屈指可数了，