《20世纪的科学怪杰鲍林》第14章

授化学的入门课程。解决办法相当简单：系里请18岁的鲍林上定量化学课，而他在一年前刚学完这一门课程。
尽管每个月上课的收入只有100美金——比检测高速公路的活少了20美金——鲍林并没有丝毫的犹豫。他已经意识到自己更适合于做学问，而非搞实业，而且也认识到了获得一些实际教学经验的重要性。作为一个学生，他对教学艺术已经有相当深入的认识，知道如何在课堂上抓住学生的心，而且他在二年级时的化学知识已经与大多数教授们不相上下了。在克服了最初的紧张之后，他喜欢上了教学，学生们对他也相当满意。第一个学期结束之后，矿产系的学生联名向系里提出让鲍林上定量化学课，而系领导乐得把其他几门课也一起交给他，包括家政系的化学课。一位鲍林农学院时代的同学回忆说：“那时，学生们常常七嘴八舌地议论说，‘嗬，真棒！他知道得比教授们还多，课也比他们上得好。’反正那时他就被看作是一个了不起的人才了。”
这一年的教书生涯使鲍林获得了急需的金钱、上课的自信，并让他有时间赶上化学领域内最新的研究进展。系里在化学系小图书馆秘书旁边给他安排了一张桌子，在那儿他学会了打字的指法，并在课间埋头翻阅各种各样的化学期刊。
阅读期刊非常重要。在俄勒冈农学院，化学教授们不光自己极少搞科研，也很少向学生们介绍本领域内最新的研究成果。他们并不把化学课程放在一个历史的背景之下，讲授领域内最新的研究趋势，因而无法激发起学生们追求知识的热情。鲍林只有靠自己阅读期刊来满足自己求知的欲望了。
有一篇论文引起了他特别的兴趣。论文的作者是朗缪尔①，通用电器实验室的一位化学家。朗缪尔为自己带来了显赫声名——同时也为通用电器公司创造了一大笔财富——他发现了一种能够大大延长灯泡寿命的方法。他思维活跃，又有一家实力超群的大公司作后盾，日后他将成为历史上第一位获得诺贝尔奖的工业化学家。
①朗缪尔（Irving　Langmuir，1881—1957），美国物理化学家，研究固体、液体表面分子膜，获1932年诺贝尔化学奖，提出原子结构和化学键理论，引用共价这一术语发展了真空泵，原子氢喷灯等。
朗缪尔对电以及电对金属的作用进行了深入的研究，他开始思考作为电的基本单位，电子在原子和分子结构中所起的作用。鲍林阅读的这篇论文长达66页，题目是“原子和分子中电子的排列”。朗缪尔谦让地提到，他的论文是对另一位美国化学家——加利福尼亚大学化学系主任路易斯①——战前提出的思考所作的进一步发挥。鲍林阅读了朗缪尔的文章，又查阅了路易斯的论文。此时，他开始用一种全新的眼光来看待化学了。
①路易斯（Gilbert　Newton　Lewis，1875—1946），美国物理学家，研究热力学、原子结构、光化学、酸碱理论等，首次分离氢的同位素氛，并制备重水的纯样品。
路易斯和朗缪尔的论文试图在化学家与物理学家在原子结构中所发现的一些令人困惑的现象之间建立一种联系。而原子结构正是当时的热点问题。两千年来，原子被认为是自然界最基本的单位，至微至小的物质。（原子这一名称本身的原意即为“不可分”。）约翰·道尔顿在1808年以“化学哲学的新制度”一文将19世纪的化学牢固地建立在原子理论的基石之上。在文中，他令人信服地辩称，不可分的原子以整数倍的关系与别的原子结合成化合物：一个碳原子与两个氧原子构成二氧化碳；一个碳原子与一个氧原子构成一氧化碳；一个氧原子与一个氢原子构成水（这里他犯了一个小小的错误）。到19世纪80年代和90年代，道尔顿的理论开始出现了问题，无法解释新发现的一些奇怪现象，比如互射线和放射性等。1897年，原子不可分的理论被汤姆逊①底推翻。这位英国物理学家，著名的剑桥大学卡文迪什实验室主任，发现了比最小的原子还要小一千倍的粒子，从而震惊了整个科学界。汤姆逊称这种粒子为“微粒”。不久之后，这种微粒被发现是电的基本单位，从而被命名为“电子”。
①汤姆逊（Sir　Joseph　John　Thomson，1856—1940），英国物理学家，发现电于及同位素，因气体导体研究获1906年诺贝尔物理学奖。
这是人们第一次窥视到亚原子的世界。这一发现把人们对科学的观念一下子颠倒了过来。汤姆逊对电子的发现造成了科学认识的危机，迫使物理学和化学理论作出重大的修改——在世纪之交，这一事件的影响也许比任何别的事件的影响都要大得多。
电子看上去是原子的自然组成部分。既然原子是由更小的粒子组成的，那么原子到底是什么呢？汤姆逊发现，电子带负电。但是在正常情况下，原子并不带任何电荷；因此一定存在一些带正电的物质来中和电子的负电。汤姆逊认为电子也许稳定在一个正电场中，就像布了蛋糕里的葡萄干。不久之后，他从前的一位学生，新西兰人卢瑟福①翻了他的理论。卢瑟福是动手做实验的天才，他在1911年宣布，他发现原子具有完全不同的结构：他设计了一种精密的实验，显示出在原子中央是一个很小、密度很大且带正电的原子核。原子的其余部分除了电子以外空空荡荡。如果把原子放大到足球场大小，卢瑟福的原子核就会像放在五十码线上的一颗米粒，而小得几乎看不见的电子则围绕外层看台在转圈。
①卢瑟福（Emest　Rutherford，1871—1937），英国物理学家，生于新西兰，因对元素衰变的研究获1908年诺贝尔化学奖，通过阿尔法粒子散射试验发现原子核，并据此提出核型原子模型。
这一发现与汤姆逊发现电子同样地令人吃惊。原子不是实心的球，而是一张精巧的丝网。实心的物质实际上几乎是一片空白。卢瑟福的发现引发了另一轮理论探讨。如果原子核真的那么小且带正电，而电子真的高原子核那么远且带负电，那么是什么力量使两者结合在一起呢？异性相吸，为什么电子不会一头栽进原子核中去呢？
物理学家对运动的物体和力的研究是相当深入的；牛顿理论以及后来科学家的研究使他们能够仅仅凭几个地球上的试验就能预测天体的运动。同样，这一套久经考验的自然规律——后来被称之为古典物理学——也可以用来解释原子的运动。卢瑟福自己就提出，原子结构有可能像一个小型的太阳系，电子绕原子核运动就如同行星绕太阳运动。电子运行的速度可能抵消了原子核的吸引力。同大多数物理学家一样，他认为电子是高速运动的；卢瑟福的原子模型是一个动态模型。但他的理论不能成立。一个致命的缺陷是，在传统理论下，任何运动的物体都会失去能量。就拿电子来说，这意味着卢瑟福的原子会像一块上了发条的表，发条松了之后，电子就会盘旋着掉进原子中去。
如果原子不像太阳系，那像什么呢？在20世纪初的几十年内，这个问题的答案像圣杯①一样吸引了几代孜孜以求的物理学家。
①圣杯，传说是耶稣在最后的晚餐所用的餐具之一。
在寻找圣杯的旅途中物理学家并不是独行者。在引起鲍林关注的那篇论文中朗缪尔写道：“原子结构这一问题主要是由物理学家来研究的，而他们很少考虑那些最终必须由原子结构理论来解释的化学特性。有关物质的化学性质和关系，我们已经积累了大量的知识，归纳出了元素周期表。相对于用纯粹物理方法进行试验得到的数据而言，丰富得多的化学资料是建立原子模型的更好基础。”
这儿涉及到一些化学与物理学科之间的竞争。前者是19世纪科学之王，而后者将是20世纪科技的霸主。路易斯和朗缪尔都熟悉并欣赏物理学——两人都在德国与物理化学的先驱们共同学习过，路易斯还是美国最早接受爱因斯坦相对论的一批学者之——但他们打心底里说还是化学家。
朗缪尔指出，化学的核心是元素周期表，这也是化学家破解大自然语言的罗赛塔石碑。①元素周期表在19世纪60年代开始成形。几位化学家发现，当他们按照原子重量从小到大排列各种元素时，某些化学性质——熔点、沸点、化学活性——似乎大致按照一定的周期上升、下降、再上升。从惰性气体氦这种自然界中最不具活性的物质之一开始。在周期表?