第6章 4 加州理工學院-1

正在實施的規劃 甚至帕薩迪納的空氣也截然不同，溫馨柔和，瀰漫著鮮花的芳香。風景如同用蠟筆劃出的一幅色彩絢麗的圖畫：天空呈銀灰色，大地上遍布橙黃、淡紫、乳白和淺棕的色澤。小鎮坐落在紫紅色的聖加布里埃爾山腳下，富足。精緻、寧靜，是洛杉磯闊佬們在市郊的一處休閒勝地。它被稱為百萬富翁村，看起來名不虛傳：蜿蜒的街道兩旁點綴著棕櫚樹，帶陽台的平房隨處可見，西班牙式的別墅掩映在林蔭深處，園丁剪子的喀嚓聲和噴淋器的噬噬聲使周圍更顯得安祥靜謐。與波特蘭崎嶇的道路、陰暗的杉木林和刺骨的冬雨比起來，帕薩迪納簡直像是天堂。 鮑林打算和俄勒岡農學院的同班同學埃米特合住一屋，後者住在位於小鎮的母親的房子裡。一放下行囊，鮑林立刻趕往小鎮邊上、玫瑰花壇對面的加州理工學院。校園很小——只有30英畝，隨處可見野草和低矮的橡樹，還有一個很老的橘子園——只有三幢已經建好的大樓：新建的蓋茨化學實驗室和諾曼·布里奇物理實驗室，以及校園裡最早的斯洛普大樓。這是一幢帶有低矮圓頂，具有西班牙教堂風格的建築。正在建造一個禮堂，而教師俱樂部則暫時設置在就近的一間農舍內。

校園雖然不很起眼，然而千萬不能小看聚集在這裡的大批人才。僅僅在二十年之前，它不過是一所默默無聞的手藝培訓學校，既無甚麼資助，也無甚麼知名學者。 1907年，來自芝加哥的天文學家喬治·埃勒利·海耳把該校作為他在聖加布里埃爾山威爾遜天文台的大本營，並在其後的十年中，逐漸營造了一個財政資助的網絡。這所學校真正成為一個科學研究的中心不過是在鮑林到來三年前的事情。那年，海耳設法說服了諾伊斯到帕薩迪納來，許諾為他建造一座漂亮的新研究室，並讓他按照自己的意願開設一個化學系。諾伊斯和海耳設法募集到了大量私人讚助，新造了一幢新的實驗樓，購置了獨一無二的高壓電設施，改善了教師的待遇，添置了新的設備，並重金禮聘學院的校長——慷慨的許諾引來了芝加哥大學的密立根①，全國最負盛名的物理學家。這發生在鮑林到校的前一年。

①密立根（Robert Andrews Milliken，1868—1953），美國物理學家，因研究電子電荷及光電效應獲1923年諾貝爾物理學獎。 鮑林初次看見的加州理工學院仍是一個正在實施的規劃。教師隊伍由18位博士組成；只有29位研究生，其中10人主攻化學。但是這所學院即將走向輝煌。以下幾個因素成全了它：南加利福尼亞州的經濟正在騰飛，海耳和密立根籌措資金頗有成效，“企業式”管理模式賦予了研究人員最大限度的自由，學校規模較小，有利於師生保持密切聯繫。不過，也許最關鍵的因素是加州理工學院的三位奠基人都信奉一種較新的觀念，即科學研究應該打破並超越舊的學科界限。在帕薩迪納，化學家定期參加物理研討會；物理學家通過觀察宇宙來檢驗化學演化的理論；天文學家和物理學家、化學家一起破解星球的奧秘。跨學科的研究表現為一種新的教育方式，這主要是由諾伊斯設計的。在他的領導下，加州理工學院在很短時間裡就成為全美國最好的——也許有一些領域尚稱不上是頂尖的——接受自然科學培訓的地方。

本科的四年令鮑林非常失望，因為他提出的化學問題在俄勒岡農學院的教授那裡得不到答案。現在他發現自已被答案的海洋所包圍——還有數不清的新問題——都是由全世界最優秀的科學家提出的。在加州理工學院，每天大家都會就最激動人心的想法、最新的發現和最重要的問題公開、熱烈地進行辯論。鮑林的思想將在那裡開出艷麗的花朵，而這很大一部分應該歸功於燦爛的陽光。 海耳熱愛燦爛的陽光。正是這陽光在1903年把這位芝加哥的天文學家吸引到了帕薩迪納：他需要這陽光來醫治女兒的支氣管炎，他也需要這片萬里無雲的晴空來建設他的太陽觀察站。海耳雄心勃勃，想造一座世界上最大、最先進的天文台。在一次加利福尼亞之行中，他在聖加布里埃爾山威爾遜峰上找到了夢寐以求的晴朗天空、乾淨空氣和合適的建築——天文學家稱為“便於觀察”的地方。他沒有錢蓋新的天文台，也沒有能力僱研究人員。不過，他有雄心壯志，他的座右銘是“幹，就得有個樣子”。他具有實現大目標的非凡能力。

與多數美國科學家一樣，海耳非常欣慕霍普金斯大學的成功。成立於1876年的霍普金斯大學徹底改變了美國高等教育的面貌。它仿效德國大學的模式，在教師中強調學術研究，提倡加強研究生與導師的聯繫，在教學中引進了研討會的形式，即一小組學生在教授的幫助下就某些問題進行討論。學校的目標是指導研究生如何獨立地開展科學研究活動，在這一點上，德國體製成效卓著。對科學研究進行理性的培養同樣也引起了一些實業家的關注。石油大亨約翰·洛克菲勒有感於霍普金斯大學取得的成就，為新的芝加哥大學提供了資金。只要有錢就能開辦學校，舉國上下日益尊重科學，錢也容易籌集了。海耳也許設想，自己在西海岸能夠創建一種新的科學機構。他運用其他學科的工具來研究天文現象，並且著書立說創立了他所說的新天文學，這使他在科學界聲譽鵲起。他在1899年寫道：“新天文學是一門新的學科，天文學家本身並不能回答所有問題，他們需要和物理學家、化學家通力合作。”他覺得可以在帕薩迪納實現他這一合作研究的理想，並著手開始工作。首先，他說服當地一所職業學校斯洛普理工專科學校校董會，取消了基本技能的培訓課程和藝術課程，轉而強調工程本科課程。在他的提議下，一位與他見解一致的朋友被選為校長。接著，他又四處募集資金建設新的實驗室，同時還開始尋覓科學研究的人才。

海耳深諳其中之道。一些實力雄厚的基金會，如安德魯·卡內基基金會和約翰·洛克菲勒基金會，開始向科研事業注入資金。但是金錢的分配並不是平均的；它們眷顧那些卡內基所稱的“傑出人士”，也就是少數科技精英，這種人能夠確保投資得到回報。如果精英能到帕薩迪納來，那麼金錢也會隨之而來。但是，如果沒有像樣的設施，海耳就無法吸引他們前來。而斯洛普理工專科學校只有一座空空蕩蕩的教學實驗樓。他設法在校董會中煽動起一股擴建學校的熱情，同時加倍努力地遊說卡內基基金會在資助他的威爾遜天文台之外再投入一些金錢。 同時，他把觸角伸向科學界，瞄準了那些最優秀的人物。他最早接觸的一個人是前麻省理工學院教授，現在的朋友，全美知名度最高的化學教師，阿瑟·阿莫斯·諾伊斯。

諾伊斯是個土生土長的美國人，先輩是1630年來到馬薩諸塞州定居的英國清教徒。他的父親是一位律師，一位對歷史和寫作的興趣遠遠超過賺錢的紳士。諾伊斯成長在小鎮紐貝利坡，儘管家境並不富裕，但照樣被認為出生於名門。長大之後，清教徒的傳統在諾伊斯身上日益顯著。他的性格謙和——甚至有些羞怯。他尊重知識，反對炫耀財富，習慣於一天工作16個小時以上。學生們經常發現他在實驗室裡過夜，連吃早飯也不出門。 諾伊斯對母親感情深厚。在她的引導下，諾伊斯熱愛文學。他能夠大段大段地背誦詩歌——鮑林記得不是現代詩歌，而是“優美的古典詩歌”——這令學生和同事們讚歎不已。諾伊斯相信一切美好的事物都是統一的，包括科學和藝術；他可以給朋友寫一封關於熱力學的長信，署名是“一位藝術家”。

諾伊斯早年對化學產生了興趣，但貧窮使他只能等到獲得獎學金之後才進入麻省理工學院深造。獲得碩士學位之後，他選擇了一條19世紀50年代美國許多有志於化學事業的學生所選擇的道路，到德國跟隨大師們學習。他本想當一名有機化學家，但是在萊比錫他被精力旺盛、具有超凡魅力的青年科學家奧斯特瓦爾德①深深吸引。 ①奧斯特瓦爾德（Wilhelm Ostwald，1853—1932），德國化學家，因對催化作用、化學平衡及反應速度等方面的研究獲1909年諾貝爾化學獎。在哲學上提出“唯能論'”。 儘管只有35歲，奧斯特瓦爾德就以他的研究工作和遠見卓識贏得了世界性的聲譽。他外表溫文爾雅，實際卻精力過人，多才多藝（除了在實驗室工作之外，他還會彈琴、譜曲，精通哲學），而且他具有遠見。他竭力鼓吹所有的科學都是一體的，不同的學科之間可以取長補短。他特別希望“用物理的火炬照亮化學的暗室”。在他看來，物理比化學更為進步，更加精確，更富有理論性。化學家收集事實；物理學家解釋事實。他與另外幾位心心相印的學者共同建立了一門新的交叉學科，即後來的物理化學。這門學科借鑒了物理學的技巧和方法，把化學的研究重點從化學物質轉向化學反應，從單純地發現和整理化合物轉向尋找決定化合物性質的一般規律。他在萊比錫的物理化學研究院中孕育了許多新的偉大思想——化學品如何在溶液中反應，電的作用，催化劑的功能。當諾伊斯跟隨他學習時，奧斯特瓦爾德的遠見卓識還沒有收到相應的回報；他的實驗室燈光昏暗，空氣渾濁，操著不同語言的學生濟濟一堂。他獲得諾貝爾獎還是二十年以後的事情。但是在19世紀80年代和90年代，這是一個激動人心的科學聖殿。聚集在此學習的學生又將奧斯特瓦爾德的思想傳向世界各地。

在德國獲得博士學位之後，諾伊斯回到麻省理工學院教書。他尊崇德國在科學界的無上地位（他的許多論文首先都是在德國的雜誌上發表的，他相信只有這樣才能獲得國際社會應有的重視），同時希望在美國重塑一個奧斯特瓦爾德式的研究院。他要求麻省理工學院成立一個物理化學實驗室，但是學校的財政無能為力。在美國化學史上令人感到幸運的是，諾伊斯在1898年同他人一起發現了一種很有價值的回收攝影業廢料的工藝。當這一工藝商業化之後，每個月能夠為他帶來一千美元的收入——大約是他作為麻省理工學院專職教授收入的五倍。他無妻無子，無牽無掛，除了航海，沒有別的奢侈和愛好，所以，他把這筆錢投資用於興建夢想中的實驗室。他與麻省理工學院達成一個協議，由他負擔新實驗室一半的費用。作為回報，他得到了很大程度的自主權，其中包括用人、調派研究生和製定研究重點的最終決定權。

1903年在後灣成立的麻省理工學院物理化學研究實驗室帶有一點德國式風格。像奧斯特瓦爾德創建的那種德國研究院之所似獲得成功，原因是他們認識到了基礎研究本身及其對教育過程的重要性。這些研究院的核心一般是一位聲名卓著的學者，其名聲可以吸引學生和資金。這種研究院在其母校校園之外的地方，往往有自己的圖書館、教室和實驗室。脫離了學術壓力和院系之爭，學者們得以專心致志地進行獨立的研究工作，並向優秀的學生介紹最新的發現。教學成了強化訓練，多數採取小型研討會的形式。學生和教師在一起評判最新的科研成果。當然，最重要的教育還是在實驗室裡完成的：研究生被要求在實驗室中花大量的時間創造性地進行研究工作。今天，人們都會異口同聲地說，高等教育必須和研究工作聯繫在一起，學生們必須通曉本學科最新的進展和方法，以便為未來的研究作好準備。不過，深受德國影響的諾伊斯是最早使這一觀念成為現實的美國科學教育家之一。

儘管在形式上是照搬德國的做法，但諾伊斯很快就在實驗室打上了自己的印記。對於他許多當年的想法，現在的人們早已習以為常了，但在近一個世紀之前，這些想法近乎於一場革命：他強凋思維的方式，而非思維的內容；他強調化學應當牢固建立在物理學和數學之上；他對學生滿懷熱忱（在某種意義上，學生就是他的家庭成員）；他創造了一種學生和教師可以不斷進行交流的輕鬆氣氛。許多比他晚一輩的物理化學家都記得乘坐諾伊斯的遊艇“研究號”駛出波士頓港的情景。一路上，大家談論著最新的化學理論，對他即興吟誦的詩句報以陣陣的喝彩聲。諾伊斯本人研究的功底很深，但他最大的貢獻還在於改變了化學系學生教育的方式。鮑林回憶說，諾伊斯是一位“偉大的化學教師”。 “物理化學研究實驗室在美國科學發展史上的重要性，是值得大書一筆的，”鮑林後來寫道。物理化學的影響不斷擴大，而諾伊斯實驗室一馬當先，就化學反應的機制和過程，在熱力學和自由能等方面不斷地作出了重要的發現。物理化學成功地建立起一整套基礎理論，發現了化學的基本規律。諾貝爾獎開始垂青物理化學家；範托夫由於發現了化學力學定律和滲透壓贏得了1901年的諾貝爾化學獎，阿雷尼烏斯由於建立了電解質的電離理論而獲得1903年的諾貝爾化學獎，奧斯特瓦爾德本人也由於其在催化作用、化學平衡和反應速度上的傑出貢獻而在1903年獲得諾貝爾化學獎。金錢追逐著成功。在美國，卡內基基金會在第一次世界大戰前給予化學的資助有85％授予了物理化學家，諾伊斯更是其中的佼佼者。麻省理工學院開始吸引來自世界各地的優秀教師和物理化學博士後學者——有些學者甚至破天荒地來自德國。諾伊斯實驗室成為化學界的“卡米洛”①，他則當之無愧地被學生們稱為“亞瑟王”。 ①卡米洛（Camilot），傳說中英國亞瑟王宮廷所在地，後來則用來比喻繁榮昌盛的樂園。 諾伊斯的物理化學實驗室資金是自籌的，他又親自負責實驗室的日常管理，因此，實驗室得以沿著一條不同於麻省理工學院注重應用教育的道路發展。當然，諾伊斯深信，他對應用培訓所持的這種新態度對整個研究室都是有益的。在他擔任麻省理工學院代理校長的兩年時間裡，如同他後來在一篇講話中提到的，他曾試圖說服工程師們，“工業研究並不是教育機構最主要的研究機遇……教育機構的主戰場在純科學領域——研究基本的原則和現象，而非急功近利的應用性推廣。”麻省理工學院的工程師們卻不以為然。他們發現諾伊斯的小王國從用於學校主要目的——工程教育——的資金中抽走了不少份額，而且使學生們在學習上變得三心二意了。 同時，研究實驗室本身的成功也開始成為一種破壞性因素。其他學校急於模仿諾伊斯模式，明目張膽地挖他的教師和最好的研究生。最沉重的打擊發生在1912年。伯克利分校——在動諾伊斯腦筋不成之後——向路易斯許諾，讓他開設自己的化學課程，就此挖走了諾伊斯最得力的一位助手。路易斯為了讓在加利福尼亞大學的化學系盡快上馬，又帶走了另一位諾伊斯最好的教授和一些優秀的研究生。實驗室其他一些教授和學者也擋不住來自私有企業和財大氣粗的其他學院的高薪聘請，紛紛跳槽。由於長期得不到足夠的資助，麻省理工學院已經難以招架來自這些方面的競爭。 與伯克利分校向諾伊斯發出的聘書相比，他從前在麻省理工學院的學生海耳向他發出的邀請就顯得滑稽可笑了。 1913年，海耳請求諾伊斯放棄麻省理工學院的工作，到一所既無名氣、又無資金的叫作斯洛普的學校去。海耳誇下海口說，將來可以得到所有他熟識的富人的支持。不過，到了1915年，諾伊斯越來越不滿於麻省理工學院的工業化傾向，而海耳日漸兌現新建設施的保證也讓他動心。他開始重新考慮海耳的邀請，並同意到斯洛普去看一看。海耳的承諾在1917年成為現實，他說服一個有錢的家族出資建造了蓋茨化學實驗室。那年冬天，諾伊斯在帕薩迪納度過了三個月的時間。但是他還不能完全割斷與東海岸的聯繫，那裡有他的家人、他的遊艇和他創建的實驗室。 他最終是被踢出來的。麻省理工學院校方早已不滿於諾伊斯實驗室有那麼大的自主權，現在，他每年長時間外出更使他們感到不悅。諾伊斯和工程師們不得不最後攤牌了。工程師們獲得了勝利。 1919年，學院院長懇請諾伊斯不要再過多地插手化學系的事務。短短幾個月之後，53歲的諾伊斯辭去了職務，放棄了研究實驗室——他常說的“我的愛和奉獻的象徵”——結束了他在麻省理工學院三十年的生涯，奔向西海岸。 在帕薩迪納，這位“亞瑟王”再次受到了皇室般的歡迎。蓋茨化學實驗室比他在麻省理工學院的實驗室要大得多，而且一位富裕的木材商與斯洛普校董會主席阿瑟·弗萊明為他提供了一筆20萬美金的研究基金。欣喜若狂的海耳甚至把自己的卡迪拉克牌轎車也送給了諾伊斯。這輛車不久就帶上了傳奇的色彩。學生們親切地稱它為老摩西（狄摩西尼的簡稱，為紀念它雄壯的引擎聲），據說老摩西保持著立定跳遠的世界紀錄，因為諾伊斯在駕駛時常常在高速檔啟動。它取代“研究號”成為諾伊斯週末同心愛的學生和同事們出遊的工具，現在的目的地是沙漠營地或他在科羅那德馬海邊的住所，不再是波士頓周圍的港灣和島嶼。 諾伊斯對科學高等教育的思想在麻省理工學院曾遭到冷遇，在這裡他立即付諸行動了。諾伊斯的同事和加州理工學院早期的物理教授歐內斯特·沃森寫道：“諾伊斯不僅一手製定了使加州理工學院獲得巨大成功的教育政策，還推敲了每一個細節，使它們能夠沿用至今，幾乎不用作任何修改。”這些政策包括堅持小規模，精心挑選本科畢業生；注重少而精，而不追求大而全；在所有層次，包括本科層次，提倡創新的研究工作；在科學教育之外，堅持對本科生進行人文學科的教育；強調基礎科學，而非應用科學。諾伊斯並沒有就此止步。他對學生的熱愛促使他培育了一種學生自我管理的體制，幫助他們安排日常生活，並儘量密切學生和導師在學術和社交上的來往。他還贊成把加州理工學院建成哈得孫河以西——除軍事院校以外——第一所男子高等學校；他不希望女生分散那些未來科學之星的注意力。就化學系本身而言，諾伊斯採用了德國科學院所的一些做法——如注重在小型研討會就最新研究成果開展討論，而不是上大課——但摒棄了別的一些方面。他特別不喜歡德國人把學院的聲譽建立在某個魅力無窮的核心學者身上的做法。諾伊斯堅信集體的智慧超過個人；他是一個集體至上的人。 加州理工學院將成為一所新型的學校，一座致力於科研的殿堂，一個檢驗諾伊斯培養科學家理論的實驗室——後來人們把它稱為天才的搖籃。 Ｘ射線 而萊納斯·鮑林正是一個試驗品。 開學前諾伊斯把鮑林叫進了他在蓋茨實驗大樓裡的辦公室。前一年春季和夏季，他倆一直保持著通信聯繫。第一封信是諾伊斯寫的，詢問鮑林的背景，特別是他對物理化學的認識；鮑林在復信中表達了他對俄勒岡農學院課程的失望。諾伊斯認識鮑林正在讀的教材的編者，並不認為這本書有多大價值。他把自己正在合作編著的一本物理化學教科書前九章的校樣寄給鮑林和埃米特，並叫他們在讀完之後解決最後的一些問題。不同於以往讓學生套用現成公式的方法，諾伊斯的問題引導學生自己導出公式。這正是他教育戰略的關鍵，強調讓學生獨立思考而非死記硬背，交給他們獲得答案的工具而不是答案本身。他相信，一旦學生經歷了整個推理過程，他們就再也不會忘記學到的概念。在俄勒岡的海岸線上，鮑林利用周末或是白天檢查完公路鋪設材料之後的閒暇，解答了所有五百道習題。 “在那年夏天的三個月裡，我大大加深了對物理化學的認識，”鮑林回憶說。他寫道，諾伊斯對邏輯和縝密思維的強調，以及他引導學生自己去發現定律和規則的技巧，“對我自己的科學思維方式影響巨大。”諾伊斯呢，也對這位俄勒岡小伙子獨立工作的能力讚許有加。 通過書信往來，諾伊斯了解到鮑林早年對礦物的收集，以及後來對路易斯和朗繆爾化學鍵研究的痴迷。諾伊斯通過這些情況決定讓鮑林在加州理工學院羅斯科·迪金森實驗室作博士研究。迪金森是一位青年教授，正在運用Ｘ射線裝置研究晶體的結構。在諾伊斯的建議下，那年夏天鮑林閱讀了一本介紹這種新技巧的書。這一研究手段被稱為晶體學，通過向一個晶體照射一束Ｘ射線，研究射線散射狀態來確定晶體的結構。在鮑林看來，概念十分簡單，數學也不難，而且通過這一技巧可以確定化學鍵的長度和角度——晶體中原子間的距離以及彼此間的定向。 “我正在閱讀《Ｘ射線和晶體分析》”，鮑林在那年夏天給埃米特的一封信中寫道，“不過並沒有學到什麼新的東西。當然還是挺有趣的……” 那時鮑林並沒有意識到諾伊斯正在給他作特別的安排。 在自然科學教育中，研究生教育同本科教育很大的一個不同之處過去是——現在同樣是——研究生應該在實驗室裡發現一些新的東西。在俄勒岡農學院，鮑林在規定的實驗課程上表現相當出色。但是與大多數本科生一樣，他把在實驗室裡的幾乎所有時間都用來學習基本技能：怎樣對化學品進行測量、稱重、提純和測試，重複著別人的試驗，而不是自己設計試驗。並沒人指望他做什麼創造性的工作，儘管他曾經作過一次不成功的努力：在四年級時，他試圖讓鐵在磁場中結晶，希望通過觀察晶體的定向來研究鐵原子的磁性——想法相當別緻，通過可見的晶體來“透視”看不見的原子世界。在金相學教授的指導下，他成功地在一根鋼條上沉澱了一層鐵晶體。但是當他試圖打磨晶體以便在顯微鏡下觀察時，晶體被擦掉了。 鮑林是一個課堂奇才，但是進行創新的實驗工作需要一套不同的技能。它要求的不是記憶力和智慧的火花，而是耐心、精確和一雙巧手，以及發現實際辦法來解決問題的訣竅。為了培養這種技能，研究生被置於一位導師，一個主要教授的監督之下。在導師的實驗室裡，他們被引入包圍某一問題的未知世界中，並被授予破解這些未知之謎的工具。這是一種類似於師傅與學徒的關係，最終目標是培養另一位師傅，他能夠發現新的東西並帶出新的徒弟。 跟從哪位主要教授的決定是相當關鍵的，羅斯科·迪金森是鮑林的一個很好的選擇。迪金森是諾伊斯在麻省理工學院最賞識的一個學生，他在1917年跟隨導師來到加利福尼亞，並獲得了化學博士學位——加州理工學院授予的第一個博士學位——這僅僅在鮑林到來之前兩年。他只比鮑林年長十歲，完全適合當鮑林的大哥哥，所以不久他們就成了好朋友。當時加州理工學院的小規模也幫了大忙——在第一年裡，鮑林是迪金森唯一的研究生。第一學期開學不到幾個星期，迪金森夫婦就邀請鮑林共進晚餐，並帶他（後來和愛娃一起）到沙漠營地去過夜。 在實驗室裡，他倆正好是互相取長補短的一對：鮑林滿腦子都是新的念頭，對什麼都好奇，恨不得同時干十件事情；而迪金森則仔細專注，有條不紊。鮑林後來寫道：“他是一位思路特別清楚的科學家，對粗枝大葉和一知半解特別反感。”迪金森並不具有洞察一切的理論思維能力，但是對鮑林而言，他是一股不可或缺的平衡力量，一位邏輯嚴密、腳踏實地的領路人，引導他運用Ｘ射線晶體學精密、苛刻、革命的技巧來進行嚴謹的、創造性的實驗工作。 在鮑林進入研究生院前的一個多世紀中，多數物理學家認為光是一種能量波。要驗證這一點很容易。讓一束光射過一個排列緊密的光柵，光束會被分散成許多較小的光波——正如海浪撞上有缺口的海堤那樣。如果光柵的縫隙間距正好的話（與光線的波長相當），光在另一端的屏上將會形成一種明暗相間的條紋。亮處由從縫隙出來的光波疊加而成，暗處是從縫隙出來的光波疊減的結果。這是光的衍射現象。如果光由許多不同波長的光線組合而成，比如陽光，衍射將會呈現異常美麗的色彩：如五彩斑斕的蝴蝶翅膀與奕奕生輝的珍珠母。鮑林儘管不知道這一科學術語，但他早在13歲的時候就對這種光學現象發生了興趣。當他在雨中走在波特蘭街道上的時候，乍一抬頭，發現街燈射過雨傘的布縫，形成一道美麗的彩虹。幾年之後他才在第一門物理課上了解到他看見的是光的衍射現象。 1895年發現Ｘ射線之後，許多物理學家認為它是一種特殊的光線——你可以用Ｘ射線拍攝木頭里的釘子或是手掌裡的骨頭——其性質應該與波一致。但是沒有人能夠肯定，因為尚無人能夠確鑿無疑地證實Ｘ射線具有衍射等波特有的性質。關鍵問題是，在進行衍射試驗時，光柵縫隙的大小應該與試驗對象的波長相當。每英寸兩萬線的光柵適用於可見光。但是Ｘ射線比可見光能量大得多，這按照經典物理學的解釋，意味著其波長要短得多——可能只有可見光波長的千分之一。製作如此精細的光柵完全是不可能的。 德國物理學家馬克思·馮·勞厄認為，如果人工做不出這樣的光柵，自然造化也許能行。自然界中的晶體被認為是由原子按一定規律排列而成的，每層只有幾個原子厚。勞厄覺得這些原子層的間隙可能合適，可以作為Ｘ射線衍射光柵。不過由於原子是由原子層組成的一個立體，在另一端形成的圖案將會十分複雜，就像把幾個光柵疊放在一起那樣。勞厄的老闆、慕尼黑大學教授阿諾德·索末菲認為這一想法荒誕不經，勸說他不要在這上面浪費時間。但到了1912年，兩個學生證實了勞厄的預言。他們把一束Ｘ光射向硫化鋅晶體，在感光版上捕捉到了散射現象，即後來所稱的勞厄相片。感光版沖洗出來之後，他們發現了圓形排列的亮點和暗點——衍射圖。勞厄證明了Ｘ光具有波的性質。 《自然》雜誌把這一發現稱為“我們時代最偉大、意義最深遠的發現”。兩年後，這一發現為勞厄贏得了諾貝爾獎。 這一發現有兩個重大意義。首先，它表明了Ｘ射線是一種波，這樣科學家就可以確定它們的波長，並製作儀器對不同的波長加以分辨。 （和可見光一樣，Ｘ射線具有不同的波長。）但是勞厄倡導的第二個領域結出了更為豐碩的成果。一旦獲得了波長一定的光束，研究人員就能利用Ｘ光來研究晶體光柵的空間排列：Ｘ射線晶體學成為在原子水平研究三維物質結構的首枚探測器。 現代化學奠基人之一的漢弗萊·戴維在鮑林進入加州理工學院一個世紀前就曾說過：“在人類獲取知識的過程中，新工具的運用具有超越一切的重要性。人們在各個時代取得的不同成就，其關鍵因素並非是他們的自然智力水平，而是他們所掌握的各種手段和人工資源。”Ｘ射線晶體學將成為一種威力無窮的人工資源。 背後的理論相當簡單。研究人員面對著三個因素：波長一定的Ｘ光，結構一定的晶體光柵和衍射圖譜——三者之間存在著一種簡單的數學關係。知道了圖譜以及另一個因素，就可以推導出第三個因素。最初的許多數學和實踐技巧是由一對英國父子搭檔，亨利·布拉格和勞倫斯·布拉格①開發的。他們在劍橋與曼徹斯特的實驗室成為世界上進行Ｘ射線晶體學研究最著名的中心。 ①亨利·布拉格（Henry Bragg，1862—1942），英國物理學家，現代團體物理學創始者之一。其子勞倫斯·布拉格（Lawrence Bragg，1890—1971）也是物理學家。父子倆一起用X線衍射儀確定晶體結構，共獲1915年諾貝爾物理學獎。 理論並不復雜，但在實踐中，由於衍射圖譜相當複雜，因此把晶體結構拼湊起來的過程相當耗費時間和精力。早期的儀器是自製的，質量很不穩定。晶體通常要非常大，需要經過精心的提煉，按一定角度切割，並通過精確的放置才能獲得滿意的衍射圖譜。如果成功地獲得了勞厄相片，還要一絲不苟地測量各點的位置和分佈。然後才是數學計算。即使是簡單的晶體，在沒有計算機的時代，對每一個晶體結構的計算都需要花費幾個月的時間。如果晶體過於復雜，基本晶體結構單位晶胞中包含的原子數目超過十個，那麼Ｘ光的衍射圖譜將異常複雜，難以破解。整個過程有點像用自製的獵槍射擊一塊裝飾用的熟鐵，然後通過分析跳彈的軌跡來推測熟鐵的形狀。 出於這些原因，研究對像只能局限於很簡單的晶體。然而，對這些簡單晶體的研究得出了令人驚訝的成果。研究人員第一次可以通過工具了解晶體中單個原子的排列，精確測量原子間的距離和角度。布拉格父子解決的第一個晶體結構是岩鹽，結果出人意料。整個晶體形成了一個巨大的柵格，每個銷離子被六個等距離的氯離子包圍，每個氯離子被六個等距離的鈉離子包圍。沒有單獨的氯化鈉“分子”。這一發現震驚了理論化學界，立即引發了人們對鹽在溶液中行為的新思索。布拉格實驗室早期的另一個成功是發現了鑽石的結構，驗證了早先化學家的理論，它純粹是由碳原子組成的四面體。布拉格父子接著又解決了其他幾個晶體的結構（他們在勞厄之後一年分享了諾貝爾獎）。 諾伊斯深信Ｘ射線晶體學將會有更深入的發展。晶體學是由歐洲物理學家發明的，但諾伊斯後來把它帶到美國，使它成為化學家的日常工具。在布拉格發表成果之後僅過了三年，諾伊斯已把它稱為“當今物理化學界最重要的工具”。 1916年，他建議自己一位在德國學習的麻省理工學院研究生拉勒·伯迪克在回國途中到英國布拉格實驗室稍作停留，以學習他們的Ｘ射線技巧。伯迪克回國後，在麻省理工學院建造了美國第一座Ｘ射線光譜儀。之後的1917年，諾伊斯讓他在帕薩迪納建造了第二座改進的光譜儀——伯迪克回憶說：“這是當時最好的一座。”研究成果很快就噴湧而出。當鮑林入校的時候，Ｘ射線晶體學已成為加州理工學院最重要的化學研究工具，在化學系最初發表的二十篇論文中就有十五篇以此為論題。 諾伊斯對這一技術抱有很大的期望。化學研究的是分子的行為。諾伊斯日益相信，分子的行為取決於分子的結構。現在終於有可能“看見”分子的結構了。諾伊斯把鮑林分配到迪金森實驗室，正是要指點這位天資聰穎的學生沿著一條他深信的未來化學之路前進。 鮑林一頭扎進了實驗室，但不久就陷入困境。諾伊斯建議他首先嘗試找出氫化鋰的結構，但10月份在經過三個星期的努力之後，鮑林發現荷蘭的一個小組已經先於他解決了問題。在接下來的一段時間裡，他又嘗試了其他幾種化合物。首先他在電爐中把化合物融化並逐漸冷卻以獲得晶體，然後把晶體切割，並在顯微鏡下對好的切片進行初步分析，以確定其結構是否很簡單。結果一無所獲。 （他嘗試的一種化合物是二鎘化鈉，後來被發現是人類所知的最複雜的無機分子之一，直到35年之後其結構才被鮑林的一個同事解決。）鮑林越來越感到沮喪。 在經過兩個月對十五種不同物質進行了一無所獲的試驗之後，導師迪金森拯救了他。迪金森把他帶進化學品陳列室，從架子上抓起一塊輝鉬礦礦石——一種由鉬和硫組成的帶有黑色光澤的礦物。他向鮑林演示了在顯微鏡載片上放置晶體薄片的新方法，並和他一同進行拍攝勞厄相片的準備工作。迪金森為何選擇輝鉬礦是一個謎。也許他認為其相對簡單的分子式，MoS2，代表了一種簡單的晶體結構。也許只不過是運氣好。不管是何種原因，晶體薄片的形狀相當好，晶胞很小，不出一個月，迪金森和鮑林已經確定了其結構——相當有趣，在一個金屬原子鉬的周圍圍繞著六個非金屬原子硫，組成了一個等邊棱柱，此類結構是首次被發現。 鮑林欣喜萬分。後來他寫道：“這一成果使我終身難忘。確定結構的過程涉及一系列一絲不苟的。精密的邏輯推理，迪金森幫助我認識到了這一點。世界的本質可以通過精心籌劃和熟練的試驗來了解，這一認識讓我非常高興。”伴隨興奮而來的是一種深深的滿足——通過人類的智慧和技巧可以發現大自然隱藏的規律。他作出了一項發現。 現在他是一位名副其實的科學家了。 迪金森當然在以前也分析過晶體，現在他很高興自己的學生已經入門，便埋頭於別的工作了。鮑林認為下一步應該發表自己的第一篇學術論文了。但是，“我等了足足一個月，仍杳無音訊，”他回憶說。所以他以個人名義撰寫了供發表的輝鑰礦研究成果，把論文交給了迪金森。 不久之後，諾伊斯把鮑林叫到了辦公室。在讓年輕人坐下之後，他巧妙地把話題轉到了科學成果歸屬的問題。諾伊斯說，這篇輝鉬礦論文只署了鮑林的名字；恐怕鮑林忘記了迪金森教授也參與了這一工作。鮑林說：“當然這對我的震動很大，我意識到自己完全忘記了他（迪金森）的工作以及他對我的指導。”“輝鉬礦的晶體結構”一文經過修改於1923年4月在《美國化學學會學報》上發表。著者按次序為，羅斯科·迪金森和萊納斯·鮑林。 “我認為這是一次很好的經歷，”鮑林說，“它使我認識到一個人很容易低估別人作出的貢獻。” 在蹣跚起步之後，鮑林成了一名晶體學高手。不久迪金森就完全信賴了這位學生。在1924年他獲研究基金赴歐洲訪學的一年裡，他讓鮑林負責Ｘ射線實驗室的工作，這進一步加強了鮑林獨立開展研究工作的能力。鮑林還擔負起了教師的責任，向其他學生介紹試驗技術並指導他們的工作。回國之後，迪金森逐漸對其他研究領域產生了興趣，鮑林就接任了加州理工學院住校Ｘ射線專家的職務。在獲得博士學位之前，鮑林還獨立地或者與別人合作發表了6篇晶體結構的論文，數量之多令人矚目。 鮑林早期的研究工作，確立了他作為美國一名出色的青年晶體學學者的聲譽，同時也使他以一種全新的眼光來看待世界。他花了大量時間，分析晶體單位的長寬高，了解原子的大小和化學鍵的長度，從那之後他將從結構的角度來看待一切化學現象。他本能地意識到，分子是由原子構成的，正如樓房是由磚瓦和橫梁構成的一樣。它們的結構並不是隨意的，而會以一定角度構成一定的形狀；這種架構的度量單位是幾億分之一厘米。 發現並描述這些結構，可以給人帶來一種純粹的審美快感，然而意義還遠遠不止這些。分子的構造決定了其行為的方式。就拿輝鉬礦來說，迪金森和鮑林發現硫原子之間的間距比布拉格父子在其他礦物中測量出的間距要大。在他的第一篇論文中，鮑林把輝鉬礦易於開裂的特性歸因於疏原子之間較長的化學鍵。他也開始考察所有已知的晶體結構，試圖找出為什麼布拉格的硫化學鍵比他與迪金森發現的要短。他意識到，類型不同，化學鍵的長度也不同：兩個原子平等地分享電子所形成的化學鍵——朗繆爾在1919年創造了“共價”一詞——一般比離子鍵要短（強）。所謂離子鍵，指的是一個原子離電子的距離比另一個原子要近。路易斯在他的立方體原子模型論文中提出，根據兩個原子分享電子能力的不同，可能產生不同類型的化學鍵。現在當他重新回顧這些文獻，並自己動手解決了一些晶體結構之後，鮑林發現，正如路易斯推斷的那樣，化學鍵類型並不是非此即彼。有些化學鍵處於兩種一般類型的中間狀態。 在過去的四十年裡，物理化學家在研究化學反應時一般都忽略了化學結構；畢竟在晶體學之前他們無法精確地描述結構。但是情況正在改變。現在他們日益認識到物質的性質取決於它們的結構。 諾伊斯逐漸淡出教學，致力於行政管理。鮑林在加州理工學院的第一個學期選修了諾伊斯教授的最後一門課：化學熱力學，一曲19世紀以經典的牛頓物理學來研究物理化學的天鵝之歌。 這門課也是鮑林在研究生階段上的唯一的化學課程。他在俄勒岡農學院已經上了足夠多的化學課，但對物理和數學的知識卻求之若渴。他以後的研究生學習主要集中在這兩個領域。 數學是一種有用的工具，是學習物理必備的技巧。鮑林的數學導師是另一個——也許是最出色的——諾伊斯在麻省理工學院的學生，理查德·切斯·托爾曼。他在1910年獲得博士學位，然後四處遊蕩。他從密歇根大學轉到辛辛那提大學，在伯克利分校與路易斯共事四年，在依利諾伊大學呆了兩年，又在政府中乾了三年，尋找一個能夠滿足他廣泛興趣的職位。托爾曼的興趣沒有邊際：熱力學、統計力學、動力學、理論物理化學，甚至還有天文學。不過，他在化學以外的主要興趣是理論物理學。第一本探討愛因斯坦的狹義相對論的英語書就出自他的手，並且當歐洲在量子物理學方面取得令人激動的最新成果時，他是美國為數不多的認識到這一理論重要性的化學家——在此也應該說是物理學家。諾伊斯在鮑林入學前一年把托爾曼請到了加州理工學院，並給了他一個不同尋常的雙重頭銜以反映他的興趣：物理化學和數學物理學教授。諾伊斯稱他是“一個不可多得的人才……兼有實驗和理論才華……實際上，可能除了伯克利的路易斯，舉國上下沒有一個物理化學家是能夠和他相提並論的”。在諾伊斯創建用現代物理學武裝起來的化學系的計劃中，托爾曼是中堅力量。在鮑林還是學生的時代，他就擔負起了研究生教學的重擔。諾伊斯從20年代起越來越關心加州理工學院的本科教育，而托爾曼則代表了研究生教育的靈魂：明確、嚴謹、領先。 學生們視他為智識過人、聰明博學的學者，他高高的額頭和整齊的髭鬚更加深了這種印象。同諾伊斯一樣，托爾曼是新英格蘭人，出生於一個富裕的馬薩諸塞州家庭，在麻省理工學院接受教育。如果不是因為諾伊斯和其他幾個他覺得志同道合的帕薩迪納私人俱樂部的朋友，他絕不會到加州理工學院來。他同情左派政治觀點——鮑林記得學生們哼唱一首小曲“左派理查德和他的兄弟愛德華”（愛德華·托爾曼是伯克利的教授）——與南加利福尼亞的保守傾向格格不入，而且他的文化品位不能容忍那一地區的粗鄙的商業化習氣。他是一個出身名門頗有教養的貴族，在加州理工學院總顯得有點不合群。 “我覺得，在新英格蘭，沒有自我標榜的狂妄，沒有巧取豪奪的壓力，決策的基礎也不是名聲，”他在20年代考慮是否接受哈佛一個職位時這樣寫道。 “我覺得人一到哈佛，就像回到了自己的家，對於他們的方式和傳統我毫不陌生。”只是加州理工學院無可比擬的工資讓他留了下來。 不管工資多高都是值得的：托爾曼是加州理工學院最出色的教授。他的講座是邏輯和系統的傑作；當著學生的面，他在黑板上寫滿數字，然後條理清晰、令人信服地引導學生穿行在新物理學的迷宮中。他讓學生直接參與講座。他會半途突然停下來，叫一個學生站起來，詢問他對剛才探討問題的理解。這讓學生們保持清醒，並迫使他們的大腦快速運轉。鮑林選修了托爾曼執教的所有課程，包括相對論和統計力學。他給托爾曼和其他教師都留下了深刻印象，不久，他就開始幫助托爾曼準備供出版的論文手稿。 但是托爾曼對於鮑林最大的影響還在於他向這位年輕的化學家介紹了量子理論。