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20世纪的科学怪杰鲍林 作者: 托马斯·哈格 5 慕尼黑 轻骑兵老军官 诺伊斯充满浪漫情怀，他也许希望通过意大利之行唤醒鲍林的美学感官。然而鲍林不是诺伊斯。他和爱娃喜爱旅游，但是他觉得那不勒斯“并非无可挑剔”，而罗马“拥挤得可怕”。提到意大利源远流长的宗教传统时他说：“我们欣赏圣彼得大教堂和其他一些雄伟的教堂；但是总的来说我们对此类建筑并不是特别着迷，所以就没有照导游指南上那样去寻找别的众多的教堂。”鲍林缩短了游程，匆匆赶往慕尼黑。他在给诺伊斯的信中写道：“我们结束了愉快的旅游，我非常高兴。尽管意大利非常美妙，一切都是那么新鲜，但是我们觉得有些疲惫了。而且我几乎有两个月时间无所事事了，急切地想马上开始工作。”鲍林的心属于科学。 慕尼黑本身是一个旅游胜地，也是伊萨尔河边一个绿树成荫、气氛友好的贸易中心。全市遍布旧时巴伐利亚王朝时期建造的古老博物馆和宫殿。第一次世界大战前，它以啤酒、公园、先锋派艺术家团体和宽容的氛围闻名于世——可以说是德国南部的旧金山。慕尼黑孕育了托马斯·曼、贝尔托特·布莱希特、瓦西里·康定斯基、保罗·克勒，还有那规模巨大的狮子酿酒厂。德国人把慕尼黑称作啤酒和艺术之都。 但是，第一次世界大战改变了一切。1918年，德国准备投降，一场由激进社会党人领导的暴力革命横扫了慕尼黑。这座城市短暂地成为巴伐利亚人民共和国的首都；随后的几星期又成为巴伐利亚苏维埃共和国第一座城市。最终德国国民军的残兵败将在憎恶艺术家和布尔什维克执政的当地人的引导下，攻进了慕尼黑，使这座城市回到了祖国，同时用白色恐怖代替了红色专政。随之而来的是20年代早期疯狂的通货膨胀，物价在几星期之内暴涨了400％。 通货膨胀导致的悲观和恐慌取代了慕尼黑传统的闲适和惬意。在当地啤酒园中最受欢迎的表演是民歌手演唱的对过去帝国辉煌历史的怀旧歌曲。店主和商人担心通货膨胀会使他们沦为工人阶级，开始谈论他们如何在战争中被共产党和犹太人出卖了。围绕着慕尼黑的不满情绪，一股准军事化的右翼势力开始集结。在鲍林到来之前的两年半，一个名叫鲁登道夫的旧军官，还有一个名叫阿道夫·希特勒的落魄画家和前下士，在设于慕尼黑一家啤酒屋的总部中，密谋率众推翻当地的政府。 行动失败了。当鲍林在1926年4月底到达慕尼黑时——刚好获悉自己已经正式获得古根海姆奖学金——这座城市至少在表面上已经恢复了平静。通货膨胀得到了抑制，短期的相对繁荣缓解了紧张的政治气氛。但是在平静的表面之下依然存在阶级和种族摩擦，仍然有褐衫党徒把布莱希特那样的艺术家驱逐出城市。多年的战争、通货膨胀、革命、反革命和破产的革命使慕尼黑心神不定。这座城市已经经历了变革，即将迎来另一场变革，什么事情都可能发生。 鲍林夫妇搬进了阿得尔伯特和巴列尔大街仅有一个房间的公寓，距慕尼黑大学只有几个街区。安顿下来以后，鲍林马上去见索末菲。他被引进了大师在理论物理研究院的明亮的书房，窗外是一个漂亮的园子。索末菲身材矮小，微微有些谢顶。但是他不怒自威。一方面出身名门，一方面为了弥补身材的不足，他浑身带着一股普鲁士贵族的派头，穿着一丝不苟，站得笔挺，长长的鬈须用蜡精心擦拭过，脸上还带着决斗留下的伤疤。“他看上去多像轻骑兵老军官，”索末菲的一位学生回忆起他第一次走进教室时给人的印象。 当鲍林来到慕尼黑时，索末菲58岁，正处于个人权力和威望的最高点。他是慕尼黑理论物理研究院的院长，几代年轻原子物理学家心目中的圣人。他对玻尔原子的贡献以及所着光谱学方面深具影响的教科书牢固地确立了他作为量子论专家的声誉，但他从来没有被认为是一流的理论家。他是一名出色的数学家——“如果你想成为物理学家，你必须做三件事情，”他说，“第一，学习数学；第二，学习更多的数学；第三，坚持这样做。”——但是，他的才能在于整理和阐述别人的重大突破，而不是提出自己的新颖见解。对玻尔的原子理论他就是这样做的：顺着别人总的思路，从数学上加以完善。在他早期的学术生涯中，他就已经对电子波的物理特性和旋转陀螺的理论进行过类似的尝试。在量子力学的发展史上，索末菲不过是一个重要的配角；他没能赢得诺贝尔奖。至少有一个历史学家把他贬为“数学雇佣军”。 然而，索末菲远非如此无能。和诺伊斯一样，他有把毛头小伙子精雕细琢成杰出科学家的神奇本领。他思想极其开放，乐于追踪新思想，在和同事们一起评价其重要性之后，就会立即把其中最重要的介绍给自己的学生。他认识理论物理学界的所有要人，与许多人进行过合作，并与其他人保持着经常性的书信往来；在慕尼黑，不停流动的信息使这座城市成为这一新领域的神经中枢。他把来自爱因斯坦。玻尔、薛定谔、泡利和海森伯的书信和文章校样稿带到讨论会和讲座上供学生们阅读。这样，学生们早在这些文章正式发表之前就能了解学科的最新进展。 索末菲的讲座富有传奇性。与将来的鲍林不同，在课堂上他不是一个魔术师，而是组织规范和条理明晰的楷模。他的演讲风格足以引起学生们的兴趣，语速中等可以让他们仔细做笔记，思维条理清楚，引导他们理顺量子物理学的主要论点，使他们不致于在这一新兴领域遍布矛盾的荆棘丛中迷失方向。每一步他都要仔细地把物理发现同数学解释联系起来，在黑板上表明如何用数字来解释并揭示真实世界中的现象。在20年代中期，索末菲六个学期一轮的量子物理学讲座是那些对这一领域真正有兴趣的学生的必修入门课。他在慕尼黑的研究院，与哥本哈根的玻尔研究院和哥廷根的玻恩研究院一起，被认为是世界上学习量子物理的三大中心。 然而，同他的讲座风格同等重要的是，索默菲乐于与每个学生保持密切的联系。在普鲁士贵族拒人于千里之外的表象下，是一位热心、诚恳并善于鼓励学生的慈父般的老师。他邀请学生到家里去举行业余演奏会（索末菲的钢琴弹得相当出色），他喜欢在一家小咖啡馆里谈论物理，边讲边用铅笔在桌上写下算式，他还每星期抽出很长的时间与每个学生进行交谈。在这些研究讨论中，他会询问他们工作的进展，提出指导意见，并给予鼓励。索末菲具有一种独特的德国式的乐观精神：他坚信德国科学和德国音乐与哲学一样，代表了人类的最高成就，而且德国思想的理性发展必将最终破解原子的秘密。这只是时间和方法的问题。他让学生们把精力集中在较小的、力所能及的问题上，而不允许他们把时间浪费在复杂的大理论问题上，从而帮助他们建立起信心。他常说：“当国王建造宫殿的时候，马车夫更忙。”在尝试制作王冠之前，他要保证学生首先是一个合格的木匠。如果说，尼尔斯·玻尔在20年代中期对围绕在他的原子模型理论周围的疑云日益悲观，日渐成为量子物理学的忧心忡忡的哲学家，那么，索末菲则可以说是量子物理学乐观的工程师。 在培养成功的物理学家方面，他的研究院是无与伦比的。爱因斯坦在1922年写信给他说：“我特别欣赏您培养出了如此众多的青年才俊。”据估计，第二次世界大战前在德国教书的所有物理学家中，有三分之一在索末菲的研究院里做过学生或助教。这些才俊包括劳厄、德拜、沃尔夫冈·泡利、维纳·海森伯、保罗·埃瓦尔德、汉斯·贝特、保罗·爱泼斯坦、格雷戈尔·文策尔、瓦尔特·海特勒、福里茨·伦敦、卡尔·贝歇尔特以及外国学者爱德华德·康顿、埃西多·拉比、爱德华·泰勒、劳伦斯·布拉格和鲍林。他的许多学生在学术上超过了他。他们所有人都从他那里学到，没有什么是不可能的。海森伯说：“我从玻恩那里学到了数学，从玻尔那里学到了物理，而从索末菲那里学到了乐观。” 研究原子时，乐观是不可或缺的。大家越来越清醒地认识到，玻尔—索末菲关于电子沿轨道转动的原子模型不能说明问题。原来的困惑仍旧得不到解释：运动的电子为何不会丧失能量撞向原子核？为何它们只能呆在特定的轨道上运动？电子如何“跃迁”？而且现在又出现了新的不可思议的现象。在20年代初，法国的一位博士生普林斯·路易斯·德布罗意提出，电子表现出波和粒子的双重特性；换句话说，物质，至少在原子水平，具有光的性质。美国贝尔实验室的研究人员在1927年证实，电子在穿过晶体时会发生衍射，就像光波和Ｘ射线那样。1923年，另一位美国科学家阿瑟·霍利·康普顿发现了光具有粒子特性的强有力的证据。接着，两名青年丹麦科学家戈尔德施密特和乌伦贝克发现电子会“自旋”。粒子怎么会是波，而波怎么又会是粒子呢？波怎么能“自旋”呢？ 在加州理工学院，鲍林听说过很多玻尔—索末菲原子模型存在缺陷的议论。但在最后得到证明之前，他仍然信奉这一模型和其他相关的理论。他在1925年12月份还认为，基于玻尔—索末菲量子理论的计算“简洁明快，论据充分”。但仅过了几个月，到了1926年夏天，他已开始用一种新的思路来看待原子了。 这起始于他与索末菲的第一次谈话。对于德语，鲍林从祖父母那儿学了一点，后来又在俄勒冈农学院学过两年；他的这点德语加上索末菲有限的英语，他俩得以进行深入的会谈。鲍林问，也许您还记得在加州理工学院访问时见过我？遗憾的是，院长忘记了。索末菲让鲍林描述一下他的研究兴趣和他希望在慕尼黑取得的成果。鲍林热切地谈起他希望继续在加州理工学院的一项工作，关于氯化氢气体介电常数的研究。然而鲍林吃惊地发现，索末菲“并不怎么在意我的建议”。和多数德国科学家一样，院长认为美国物理学总的来说不登大雅之堂。（他告诫一位准备拿奖学金到伯克利深造的德国青年物理学家说：“不要对此过于认真。在美国的日子会非常好过。那儿任何年轻人都能成为助理教授。”坏管怎样，德国的习惯是教授制定研究课题，而不是学生来定。索末菲让鲍林给他几天时间考虑，然后让鲍林研究一个他并不是十分热心的问题，关于电子自旋的一系列严密的运算。 鲍林对待这项工作的热情好比是完成母亲在他十多岁时给他安排的课余工作：他没有取得什么进展，很快就放弃了努力。他的兴趣在别的事情上。他回忆说：“我思考着几乎每一个悬而未决的理论问题。” 当时他特别感兴趣的是一个氯化氢问题。鲍林试图用一种量子理论来精确地预测电场对极性分子运动的影响。他的理论预测与实验结果相当接近，这使他确信问题出在实验测量不精确或者是自己的理论尚不完善，而玻尔—索末菲原子模型是正确的。在离开美国赴欧洲之前他正思考着以一定角度给电场加上一个磁场。如果玻尔—索末菲理论是正确的话，磁场将会对分子运动产生可以测得的影响——而经典理论认为不会产生这一种作用。这将为量子理论提供新的证据。鲍林最终说服索末菲让他着手进行这项工作。鲍林在1926年5月22日给诺伊斯的信中写道：“索末菲说，下个月德拜将在苏黎世召集一次有关磁场的会议，会上将宣讲我的成果，因而我必须在此之前搞出些名堂来。” 鲍林废寝忘食地开始工作，在书桌前一坐就是几个小时，在笔记本上写满了公式、草图和心得。爱娃在6月2日写道：“莱纳斯忙着解决他的氯化氢问题，一会儿兴高采烈，一会儿闷闷不乐。”到6月10日，鲍林能从理论上证明，如果玻尔—索末菲理论是正确的话，磁场应该会有相当大的作用。他一面等待帕萨迪纳实验室证实他的结论，一面用德语写就了一篇论文。索末菲在6月21日把这篇论文带到了苏黎世的会议上。几天之后，鲍林收到索末菲的一份电报，叫他到瑞士去阐述他的观点。 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·马克在慕尼黑碰到过鲍林，他当时对鲍林的印象是，“一个瘦长的年轻人，见多识广，讲课十分精彩。” 鲍林在慕尼黑的第一个学期听了索末菲上的微分方程，这是解决原子问题十分重要的一种数学工具。在听讲过程中，鲍林开始吸取索末菲推崇备至的可以用来揭示原子秘密的数学方法。院长采取了一种实际、灵活的数学风格，找到能够反映和揭示现实世界实验结果的数学公式——实用的数学模型——比纯粹形式上的严密更为重要。他并不怎么在乎内在一致性；他玩弄了一些数学技巧。他不是简单地传授旧知识或是对问题提出某种解决办法，而是指出现存理论的漏洞，并提供给学生一个数学工具箱以创造新的理论模型。对日新月异的量子物理而言，这不失为一种理想的方法。这特别适合鲍林的口味，因为他对数学的运用原则也是实用优先于严密。 尽管如此，鲍林的高超数学技巧仍足以确立他这个美国神童的声誉。1926年夏末的一天，他带着一个问题走进了索末菲的办公室。这个问题关系到索末菲的一个助手，编外讲师格雷戈尔·文策尔。他几年前在索末菲指导下获得了博士学位，在此之后的理论工作确立了他物理界新星的地位。鲍林在寻找有关多电子原子的量子力学论文的时候，发现了文策尔的一篇文章。他阅读了这篇题为“自族电子理论的困境”的论文，发现问题不是出在电子的自旋上，而是出在文策尔的数学上。在计算中，这位编外讲师犯了一个错误。鲍林说：“如果你计算正确的话，难题就会消失。”鲍林重新对文策尔的公式进行了计算，得出了与实验十分接近的结果。索末菲把鲍林的计算拿给文策尔看，最后大家一致同意这位美国人是正确的。鲍林用生硬的德语就他的改正写了一篇小论文；索末菲把它扔到一边。他叫鲍林用英语重写，然后让一名助手把文章翻译成德语，发表在《物理学杂志》上。这篇论文的发表标志着鲍林运用量子力学的转折点：现在他已经从新物理中找到了一种适合自己的工具，这种工具可以帮助他解释原子的性质。这件事也标志着他与索末菲之间关系的一个转折点：索末菲意识到这个美国青年人是值得认真看待的。 1926秋天新学期开始时，鲍林听了索末菲关于波动力学的第一门正式课程——历史上首次关于这一课题的一学期课程——在课上，索末菲系统地解释了薛定谔关于原子波动图像的强有力的数学模型。在首次推出新内容的时候，索末菲经常是和学生们一起学习的。他后来回忆说：“莱纳斯·鲍林听了我有关这一理论的最早的课程，他从中和我学到了同样多的东西。” 鲍林面前开始展现出波动力学的一个全新的世界。玻尔—索末菲原子的一大缺陷是它只能够预测最简单的原子的光谱；它不能用来解释原子别的一些特性，如顺磁性、极性、三维构造和化学键。新量子力学最初的应用主要也是预测十分简单的原子的光谱。在这一层次上，新的体系很快就取得了成功，这样一些青年学者，其中包括鲍林，急切地希望把这一技巧运用到较为复杂的原子和更为多变的化学性质上去。 问题是，尽管薛定谔的波动方程在计算一个电子围绕一个原子核运动的能级时，相对来说很简单，然而每增加一个元素都要单独作计算，还要计算它对别的元素的影响。精确的数学解很快就变得不可能了。然而，鲍林运用了在改正文策尔的论文和计算屏蔽常数时学会的技巧，从而简化了运算。他只是把注意力集中在最外层的电子上。这样鲍林就可以运用波动力学来计算光线的折射、抗磁性和较为复杂的大原子的尺寸——这是波动力学第一次被运用到这些问题上，实为这一领域中开创性的一步。 12月底，鲍林在住所的一架老式德文打字机上敲出了一篇长篇论文的草稿，这样可以免掉慕尼黑打字杜对于英文稿件的双重收费。爱娃一边听，一边等，还不时从鲍林背后探过头去。“你肯定这条曲线画得对吗？”她指着一个鲍林用来注释论文的图例问道。“我当然肯定，我自己画的。”鲍林回答说。然后，他又仔细瞧了一眼，想了一会儿，作了修改。 最后，论文可以交给索末菲了。院长十分满意。他利用自己伦敦皇家学会外籍院士的身份，提交论文“多电子原子和离子物理性质的理论预测”在学会的《公报》上发表。在序言中，索末菲写道：“我深信，这些原子结构的基本问题从没有人如此彻底和完整地解决过。” 鲍林也知道自己写了一篇好论文，并准备把自己的屏蔽常数思想更加深入下去。他在给诺伊斯的信中写道：“我相信，这项工作相当重要。这一方法可能的推广和运用机会无穷；比如说。我现在正在研究晶体中离子的大小和不同类型晶体的生成问题。” 把新的量子力学工具重新运用到晶体研究中去，鲍林完成了他研究兴趣中一个重要的轮回。在加州理工学院，他对Ｘ射线衍射只能解决最简单的晶体结构问题感到十分沮丧。为了克服这一局限，布拉格和其他晶体学家在对简单晶体做了大量工作的基础上，一直在致力于建立离子——带电原子，如精制食盐中的钠原子和氯原子——大小的表。他们希望通过这些表可以发现一些通用的规则和结构，并由此来解决难以直接计算的复杂晶体的结果。只要有人能够找到一套实用的规则，就有可能解决成百上千种较为复杂的晶体结构。 运用量子力学和在修改文策尔论文时学会的技巧，鲍林现在能够换一个角度来解决这一问题了。在完成给皇家学会的那篇论文之后的几个星期里，鲍林又写出了另一篇重要论文。他写道，离子的大小是由其最外层的电子决定的；而外层电子的行为在很大程度上是由内层电子把它们从原子核隔开的程度决定的。晶体中离子间的距离受两个带正电的原子核相互排斥的影响，而这又受电子屏蔽的影响。运用新的屏蔽常数，鲍林现在可以在量子力学的基础上牢固地建立起一个离子大小的表，而且他运用自己确定的那些数值开始构造决定原子结构的一套一般性规则。 这两篇发表于1927年年初的论文确立了鲍林的国际地位，并指出了未来研究的方向。在两篇论文中，他都采用了半经验的方法：先计算出理论值，与实验数据作比较，然后修改理论以更接近现实。遵循索末菲的教诲，同时也出于自己的禀性，鲍林采用了一切可以运用的理论——给皇家学会的论文包括了经典理论、老的量子理论的成分和新的量子力学理论。更为重要的是，他把两种强大的科学工具结合了起来，Ｘ射线晶体学和波动理论，并让两者互相检验。“我认为这十分有趣，你可以通过Ｘ射线晶体学看见薛定谔波动力学的函数，”鲍林在给诺伊斯的信中写道。“应该在实验中继续这一工作。我相信从中可以得到有关化学键本质的大量知识。” 海特勒和伦敦 在化学键这一问题上，鲍林没有取得多大进展。他希望在欧洲多呆一些时间，所以在那年冬天申请把他的古根海姆奖学金延长六个月，以进一步研究“从薛定谔波动力学得到的原子模型，特别是运用这一模型来解释分子和晶体中的化学键问题”。他计划2月中旬离开慕尼黑，到哥廷根随玻恩学习两个星期，到柏林学习晶体结构技巧，在哥本哈根玻尔处学习六个星期，到苏黎世参加薛定谔为期三个月的夏季研讨班，最后在9月回国途中顺道访问一下英格兰的布拉格父子。在随鲍林延期申请一同寄去的附信中，索东菲写道：“我的同事和我一致认为，他是一位不同寻常、兴趣广泛、成就卓著的科学家。完全有理由对他抱有最大的期望。”鲍林的请求得到了批准。 鲍林回到美国之后的安排仍是一个悬而未决的问题。1926年圣诞节刚过，他写信给诺伊斯：“我突然意识到，加州理工学院和其他大学很快就要对明年的教职安排作出计划了；也就是说，关于我的职位和薪水的最终安排也要很快落实。至今为止，我还没有收到任何一所学校的邀请，因此我认为，也确信，我将回到理工学院。”一周后，他写信给路易斯，暗示如果待遇合适的话，他有可能到伯克利去：“到目前为止，我尚未确定明年的去向；但是我已经答应诺伊斯博士明年我会回理工学院，除非有人给我更好的待遇（我还不清楚理工学院将给我的待遇）。”过了好几个月路易斯才回信：“我原本希望在我们的物理系给你安排一个位置，但是至少今年的计划已经定了。不管怎样，如果你不回到诺伊斯博士身边的话，恐怕他会十分失望的。” 路易斯提出物理系是相当符合逻辑的。鲍林如此痴迷于理论物理，他还算不算是一个化学家呢？在慕尼黑将近一年的时间里，他从没有去过慕尼黑大学的物理化学研究院，而且除了和化学系主任卡西米尔·法扬闲聊过几回外，他同化学系的教师也没有任何往来。他所有的交际和研究都是在理论物理领域。 但是他自身的禀赋和技能促使他又回到了化学领域。在俄勒冈农学院和加州理工学院，鲍林毋庸置疑是反映最快、最优秀的学生之一。然而在欧洲，他发现自己在一群年龄与自己相仿的杰出年轻人中（包括泡利、海森伯、狄拉克和约尔丹）还是默默无闻的人物。“我在1926年到欧洲时相当震惊，因为我发现我周围的许多人都比我聪明，”他回忆说，特别提到了海森伯、泡利和贝特。他也开始意识到自己数学能力的不足。尽管在运用他的半经验方法来解决化学问题时，他的数学已绰绰有余，但是离数学物理的严格要求还差一些。 另一方面，“我觉得我知道的一些东西——关于化学的丰富知识——别人并不掌握，”他说。在慕尼黑学习一年后，他写信给诺伊斯：“大多数人认为我在研究原子和分子性质上的工作应该归入物理，但是我觉得尽管现在的化学研究已经需要运用相当多的数学知识，化学研究仍属于化学的范畴。这一问题不仅具有学术上的价值，因为对这一问题的答案决定了我是一个物理学家还是一个化学家。”对于他自己的工作，他写道：“照一般的认识，你很难把我的工作归入物理化学；也许称其为分子化学更恰当。” 以前从未有过“分子化学家”一说。鲍林似乎在暗示，他开创了一个属于自己的天地。不过，名称对于诺伊斯来说无所谓；他需要鲍林。物理学家希望发现原子现实下蕴藏的规律；鲍林希望运用这些规律使化学更具有理性，体系更严谨。先前驱动奥斯特瓦尔德和诺伊斯的正是同样的梦想：被物理学光芒照亮的化学。只不过现在的物理学发生了翻天覆地的变化。而鲍林将把这新的火炬带回来。 1927年春末，诺伊斯写信给鲍林，给了他一个加州理工学院的教职。名称相当出奇，反映了他的双重兴趣：理论化学和数学物理助理教授。 鲍林在获悉他的古根海姆奖学金得到延期后的几星期，就和爱娃一起来到了哥本哈根的尼尔斯·玻尔研究院。这里是量子革命的中心，已经带上了传奇的色彩。人们谈论着弥漫在玻尔研究院里的哥本哈根精神：一种互助、协作和友谊的精神。人们进行着无休止的讨论，对任何一种新的物理思想无不究其穷尽。鲍林从一个同事那儿听说过，玻尔研究院听课不用作任何安排，所以他没有收到正式邀请就去了。这位同事看来是提了一个糟糕的建议。鲍林发现几乎无法见到这位伟人；玻尔的大脑被更宏大的问题占据了。 1927年春夏之际，量子力学进入了一个新的阶段。上一年年末，薛定谔和英国神童保罗·狄拉克着手弥补波动力学和矩阵力学之间的裂缝。他们的研究表明，这两大体系在数学上是对等的，两者为相同的问题给出了相同的答案。但是数学背后的物理现实是什么呢？在与玻尔进行了一次马拉松式的会谈后，薛定谔放弃了他原先提出的观点，即他的波动方程描述的是实际存在的电子“云”。玻恩和其他一些科学家的研究显示，他的方程式描述的不是实际的波，不是一个物理意义上的“现象”，而是一个统计学意义上的概率，即在一定区域找到一个电子的数学可能性。 薛定谔和海森伯的成功并不在于表述了原子，而是用数学捉住了原子，驯服了原子，这样就可以预测原子的性态。这一预测的能力相当强大，而且至关重要。那些思想开放的物理学家在一瞬间就意识到了新的量子力学是成功的，在旧的体系一筹莫展的地方，新的量子力学指明了前进的方向。但是，海森伯和薛定谔仍将继续就数学背后的现实进行争论。 比如说，电子如何能同时既是波又是粒子呢？这仍是一个悬案。在对这一问题进行了数月的钻研，在和薛定谔，特别是和海森伯进行了无数次精疲力尽的探讨之后，玻尔断定，两种描述都是正确的。原子现实（至少）是两面的：你发现的电子取决于你选择观察它的方式。波和粒子的描述都是正确的，都是必须的，两者是互补的。鲍林在丹麦期间，这一种对量子物理进行修饰的“哥本哈根解释”占据了玻尔大多数的时间。 这一解释似乎是在回避问题。电子是什么？人们越来越清楚地认识到，没有人能够以一种可想见的方式来描述它。波粒两重性以及量子跃迁是人们从未经历过的现象；事物在原子层次的运动规律与在感官层次的运动规律似乎是截然不同的。在与玻尔进行了长时间的讨论之后，海森伯会一个人长时间地散步和苦思冥想：自然界可能像在这些原子实验中显示的那么荒谬吗？ 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。 ------------------ 亦凡公益图书馆扫校(shuku.net) |
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