第9章 6 化學鍵

四面體 當鮑林回來的時候，加州理工學院呈現出一派欣欣向榮的景象。在密立根生氣勃勃的領導下，學生人數在1927年秋天增加到600多，其中包括100名研究生。加州理工學院物理系一年發表的論文數超過全國任何別的學院。海耳正在洽談一筆巨大的捐款，打算在威爾遜山頂上建造一架世界上最大的望遠鏡。地質學系剛剛成立，航空實驗室也處於圖紙設計的階段。更為重要的是，據剛透露的消息稱，全國最著名的遺傳學家摩爾根①來此建立一個生物學系。生物學與物理學和化學一起，將成為加州理工學院的三駕馬車，而摩爾根——他確定基因的位置在染色體上，同時也使他的實驗對象果蠅風光了起來——正是再恰當不過的領導。他是一位頂尖高手，具有良好的社會關係，享有大筆的資助。他是在哥倫比亞大學被加州理工學院典型的做法吸引過來的。他將有自己的實驗樓，有充足的研究基金。他在1928年的到來立刻使加州理工學院成為全國生物學領域的重要力量。

①摩爾根（Thomas Hunt Morgan，1866—1945），美國遺傳學家、胚胎學家，因創立遺傳的染色體學說獲1933年諾貝爾醫學獎。 鮑林、愛娃和小萊納斯租了南威爾遜大街320號的一所小房子，離校園兩條街，在那裡他準備開始自己作為教授的第一年正式的教學生涯。但是他並沒有保留在慕尼黑時諾伊斯寫信告訴他的理論化學和數學物理學助理教授這一豪華的封號。 “數學物理學”這一部分被刪掉了。鮑林回憶說：“我不知道物理出了什麼事。也許密立根反對我腳踩兩條船，也許諾伊斯……決定不讓我和物理係發生任何關係，惟恐我會改行。我無所謂。”可能並不是巧合，他最終的頭銜，理論化學助理教授，和諾伊斯在麻省理工學院多年裡的頭銜一樣。

由於這金森已經轉到別的領域，鮑林接管了理工學院Ｘ射線實驗室。他的第一個辦公室設在Ｘ射線實驗室一角，只有一張桌子，在那裡他可以直接監督他的第一個正式研究生的活動。他是一個來自得克薩斯的勤奮的青年化學家，名叫霍爾姆斯·斯特迪文特。鮑林開始準備他作為助理教授的第一門課程——“波動力學及其在化學上的應用”——他自己動手寫了250頁筆記。後來他把這些筆記改寫成了一本書。 他把剩餘的精力投入了自己的科研工作。和他通常的做法一樣，他的大腦同時思考著幾個問題。在離開歐洲前，鮑林和戈爾德施米特商議好，把他的德語博士論文翻譯並擴充成一本關於光譜學的專著。這兩位青年理論家通過書信完成了這本書，戈爾德施米特寫了一些章節；鮑林寫了另一些章節並負責最後的編輯工作。 《線狀譜的構造》一書在1930年出版。這是鮑林的第一本專著，但是已經明顯地帶有他無法遏制的自信：至少有一個評論家抱怨說，著者斬釘截鐵的語氣使人覺得在線狀譜方面已經沒有什麼新的東西可以學習了。其他的評論都持肯定的態度，這本書取得了一定程度的成功。

不過，與戈爾德施米特的合作純粹是物理學上的研究，這使人對鮑林在加州理工學院的位置產生了疑問。在書出版之後，鮑林在化學系開設了基於這本書的一門課，但是只上了一次就被諾伊斯取消了。他告訴鮑林，密立根對在不對口的院系中開設物理課程很不滿意，但是鮑林後來猜測是諾伊斯自己作出了決定，目的是讓他專攻化學。 這一事件表明了諾伊斯內心的憂慮。鮑林的興趣廣泛，也許過於廣泛了，包括理論物理。這沒有什麼不對——諾伊斯送他去歐洲的本意就是讓他去學習新物理——但是現在他的計劃是讓鮑林把學到的知識運用到化學上去，而不是改行去研究物理。 在從歐洲回來的前幾個月中，鮑林一門心思鑽研純理論物理。量子力學令他著迷，而索末菲教給他的工具足以讓他在這一領域內出人頭地，特別是在美國，量子物理學家寥若晨星。另一方面，他看著諸如海森伯、泡利和狄拉克之類的科學家，用他們令人眩目的數學和哲學才華作出了重大的科學發現，令他望塵莫及。實際上，鮑林對這一競爭感到畏懼，這也許是他一生中唯一的一次。

他需要獲得突破，而他意識到突破口在新物理和化學的交界地帶。如果說美國的量子物理學家還只是鳳毛麟角的話，那麼在20年代末在美國能夠把量子力學應用到化學上的科學家更是屈指可數了，而且他們之間的多數人是對化學抱有興趣的物理學家。而鮑林是獨樹一幟的，他受的訓練和世界觀是化學家的，而同時又有淵博的數學和物理學知識。量子力學開闢了一個新天地，其在化學領域的應用也展現了一個巨大的新空間，特別是有關化學鍵的問題。這兒的大門敞開著，全部的寶藏等待有識之士來發掘，來揚名。鮑林回憶說：“我認為有可能把工作做得更為出色一些，但是不知從何下手。我預感到我可能在這一領域作出一番事業，而且可能性相當大，值得我為之去奮鬥。”在回到加州理工學院幾個月後，鮑林在給一個同事的信中寫道：“我確信我不該被理論物理學的鬼火所迷惑。”化學才是屬於他的，但這是一種被新的物理學改造過的新化學。

一旦確定了重點，鮑林的工作進展神速。例如，在化學鍵的問題上，他認為還有很多工作沒有做。鮑林覺得海特勒和倫敦在氫分子共振上的突破只是邁出了第一步，而他倆關於更為複雜的分子的嘗試尚不能令人滿意。他們畢竟都是物理學家，而不是化學家，所以不能指望他們把能量交換的概念與他們一無所知的浩如煙海的化學現象聯繫起來。儘管他倆先於鮑林成功地運用量子力學來解決化學鍵的問題，但是鮑林仍然有很大的餘地來充實和修飾他們的創新思想。 他做的第一件事情是為《化學評論》準備一篇長文。該文介紹了海特勒和倫敦在單電子氫分子離子化學鍵問題上的研究工作，並加入了自己的一些觀點。對大多數化學家而言，這是他們首次看到量子力學在自己領域中的應用，也標誌著鮑林以量子化學家這一新的角色登上了美國科學舞台。

然後，他作了一次勇敢的飛躍。在1928年春天他給《國家科學院學報》寫了一篇註記，文中把海特勒和倫敦關於化學鍵的理論稱作“簡單的理論”，並說它“在簡單的情況下與路易斯共享電子對的成功理論完全等效”，並沒有什麼新鮮內容。在文章的結尾，他用整整一段的篇幅，宣稱自己已經取得很大的進展。他說，他的計算表明，量子力學可以解釋碳的四面體結構。 這一下子引起了讀者的注意。碳是一個被深入研究的元素，也是全部有機化學的關鍵。碳原子串起了蛋白質、脂肪和澱粉的主幹——生命系統的主要組成部分。碳化學就是生命的化學。 但是，物理學家和化學家在碳電子的結構上難以取得一致意見。大家知道，每一個碳原子總共帶有六個電子，而開始的兩個電子與成鍵無關，因為它們結成對，可以重新生成氦的含有兩個電子的內層電子結構。在理論上，剩餘的四個電子應該處在下一能級，也就是所謂的原子第二層。化學家都知道，碳為別的原子提供四個化學鍵，而且在自然界中，這些化學鍵保持幾乎相同的長短和強度，並處在一個三面的金字塔或者說是四面體的四個角上。

但是，物理學家說，這種情況不可能發生。最近的光譜研究顯示，碳的四個成鍵的電子處於兩個不同的能級或亞層中。兩個低層的電子彼此成對，這樣就只有兩個電子能夠與別的原子成鍵。物理學家說，碳的原子價應該是2。而實際上這種情況極少：比如說，一氧化碳，碳與一個氧原子組成了雙鍵。 協調物理學家的碳原子和化學家的碳原子是一巨大的挑戰，而鮑林決心迎接這一挑戰。物理學家的光譜結果不容質疑，而化學家的四面體同樣證據確鑿。兩大陣營都應該是正確的。 在他1928年的註記中，鮑林基於海特勒和倫敦的能量交換說提出了一種解釋。每次形成一個新的化學鍵時，都要涉及新的能量交換。他寫道，形成四個四面體化學鍵所產生的能量交換足以打破物理學家亞層中的四個成對電子，並使它們組成新的形式。

這是一種令人振奮的思想，但是需要有相當的數學來支持。鮑林在那個註記中沒有詳述，只是說：“有關這裡提及的材料的詳細說明將送交《美國化學學會學報》發表。”然後，他把自己的註記複寫了一份送給路易斯，並附上一封信說：“我很高興，新的原子模型重現了路易斯原子和玻爾原子的鮮明特點。” 鮑林的“詳細說明”過了幾乎三年才與讀者見面。 1928年，他進行了許多複雜的運算，至少初步能讓他確信自己的想法是正確的，但是他說：“運算太複雜了，我擔心人們不會相信，而且我也可能不相信。……誰都可以看到，量子力學必將走向四面體碳原子，因為這是我們已經掌握的事實。但是公式太複雜了，我怎麼也不敢肯定自己的論點能夠說服別人。”

今天，通過計算機我們可以得到精確的結果。但是在1930年，想要完全解出任一分子系統的公式都是不可能的。和每一個試圖把波動力學用到復雜的體系上去的理論家一樣，鮑林不得不尋找捷徑，作出種種假設和近似，以進一步簡化數學方程。 同樣的數學障礙也難住了倫敦和其他有志於這一領域的科學家。不同的是，鮑林信心十足地認為，數學障礙最終會掃平，他最初的設想也將可以發表。為了不影響自己的科研重點，他讓自己的研究生斯特迪文特繼續研究四面體波動方程問題。斯特迪文特本人是一個相當能幹的數學家，然而他在苦幹幾個星期後毫無進展。鮑林因為已經專注於其他問題，就把碳的問題擱置了起來。 鮑林法則 加州理工學院繼續吸引著世界上最傑出的理論物理學家來加利福尼亞訪問。 20年代末，在鮑林的協助下，學院先後迎來了海森伯、索末菲和狄拉克。鮑林對他們的研究課題繼續保持著強烈的興趣，並發表了幾篇物理學方面的論文，如電子的動量分配以及光和Ｘ射線對電子的影響等。

不過，在大部分時間裡，他試圖通過Ｘ射線晶體學來解決分子結構的問題。在這一方面，他一籌莫展。如果他感興趣的一個結構涉及的原子數目稍微多一些，就幾乎無法解決了。問題的部分癥結又是數學，涉及到把衍射的Ｘ射線在照相底版上形成的圖譜換算成一個三維結構所需的令人望而卻步的計算。分子中的原子數量越多，圖譜就越複雜，理論上可能的結構就越多。每一個新增的原子都大大地增加了難度。 此外，還存在一個更加根本的問題：Ｘ射線晶體學家的工作方式。為了保證結果的準確性，研究者——在20年代幾乎都是物理學家——通常假定，所有能夠滿足化合物分子式的原子排列都是可能的結構。找到正確結構的過程是一個排除不能精確符合Ｘ射線和密度數據的結構的過程。這一嚴密的方法能夠得出確定的結果——你能夠肯定你找到了正確的結構，因為你一個一個地把所有其他的可能性都排除了——但是這也如同在一堆乾草中尋找一根針，你每次揀起一根草，將它同針的圖片對照，如果不匹配就將它扔到一邊。晶體的結構越複雜，草堆就越大。 Ｘ射線晶體學家的目標越來越大，這一工作的難度也越來越大，越來越耗費時間，越來越機械重複，需要雇傭一支“人腦計算機”隊伍來進行數學計算。這不配鮑林的胃口，他開始尋找捷徑。在先前大量閱讀和思考的基礎上，他開始綜合他的化學和Ｘ射線晶體學知識來形成一種結構的世界觀，一種對於原子互相組合傾向的認識。如果他讀到一篇關於晶體結構的文章，而結論又是合理的話，他就將它存人自己的大腦庫中。但是如果結論有些不大對勁——鍵角歪斜，或者原子錯位——鮑林就會進行仔細檢查，有時候參照已發表的Ｘ射線照片來重建結構，有時候重新進行Ｘ射線衍射分析。他經常發現，自己感覺是錯誤的結構，實際上的確是錯誤的。當然，偶爾更令他激動的是，他感覺是錯誤的結構被證實是正確的。那樣，他就得修正自己的世界觀，以便包容這一新知識。這就是他學習的過程。經過多年的訓練，他已獲得對結構的一種神奇的感覺；他甚至可以在轉眼之間想像出合理的結構，否定不合理的結構。後來，觀察家們將此稱作鮑林的“化學直覺”。然而這一稱呼並不完全正確，因為這過於強調了感情用事和非理性的一面。鮑林的能力完全是理性的，建立在長時間的認真閱讀和對浩瀚的化學事實進行整理和甄別的基礎上。 這種對化學結構的深刻理解使鮑林得以擺脫Ｘ射線晶體學舊方法的侄桔。 “我的態度是，我為什麼不能從自己在研究無機物晶體本質時得到的知識出發，進而去預測它們的結構呢？”他問道。物理學家在做Ｘ射線衍射實驗時得考慮含有正確原子數的所有結構，因為除此之外他們就一無所知了。而鮑林卻知道，由於這樣或那樣的化學因素，多數假設的結構是不存在的。原子的位置相當有限。在開始之前，他就能去除多數無用的假設，只剩下少數幾個可能性。 預測是跳出晶體學家泥潭的絕好方法，但如要讓別的研究人員也能作出精確預測的話，就需要規則，一套能夠運用到各類情況下的原則，以說明為什麼某些結構是可能的或是不可能的。在20年代末，鮑林認識到某些基本的結構形式常常在不同的晶體中重複出現。這些結構形式重複出現總有一定的道理；它們一定受到某種規則的製約。如果他能夠發現這些規則，那麼他就能預測未知晶體的結構。 在英國曼徹斯特的實驗室中，英國物理學家威廉·勞倫斯·“威利”·布拉格也在沿著這一思路進行著思考。 布拉格的性格十分複雜。他生性靦腆，具有一種維多利亞的老派紳士風度，愛好養鳥和園藝，在許多方面更像一個鄉紳，而不是一個大科學家。他的一個同事說，甚至“他的外表和行為也像是一個富裕農場主，穿著不很入時”。 他是英國最出色的物理學家之一，在他保守的外表之下是一顆爭強好勝的心。而且他面臨著巨大的壓力。他很早就在國際上成名，也許過早了一些。當時他和父親，也叫威廉，在勞厄最初的發現之後共同發展了Ｘ射線晶體學。 Ｘ射線晶體衍射的布拉格方程是這門學科的基石；布拉格父子的教材是這一領域的聖經。與父親的合作，使威廉·布拉格在25歲時就獲得了諾貝爾獎，使他成為最年輕的獲獎者。接踵而來的是國際名譽和享有盛名的曼徹斯特實驗室主任一職。 他並不喜歡行政管理工作，而對科研痴心不改。布拉格具有一種去蕪存精、一針見血的科學本領，他正運用這一本領著手解決一個重大問題。在20年代末，布拉格的興趣集中在矽酸鹽上。這是一族數量眾多、重要的礦物，由矽、氧和各種金屬原子組成的複雜的離子晶體。矽酸鹽是地球上最普通的礦物——包括從滑石到黃玉的各種物質——同時也是最為複雜的礦物。弄清楚它們各種各樣的結構將是晶體學家的非凡成就。和鮑林一樣，布拉格也在尋找捷徑，並對自己發明的一種方法十分自豪。他把矽酸鹽視作由不同大小的離子組成的球體，就像是在一個罐頭中堆放彈子。布拉格的研究表明，離子晶體一般總會使原子盡可能緊密地結合在一起，他稱為“緊密排列”。在他的設想中，像氧這樣的大個離子彼此之間的排列將決定晶體的基本結構，而較小的離子則被塞進留下的空隙中。他相信，使用這一方法將會弄清楚所有的矽酸鹽結構。 照鮑林的說法，“布拉格認為這是他的領地。”但是鮑林闖了進來，粗暴地喚醒了主人。鮑林同樣對矽酸鹽深感興趣，並決心給布拉格製造一些競爭壓力。儘管這位英國科學家只比他大11歲，鮑林仍認為布拉格“屬於老一輩物理學家，他在前面披荊斬棘，而我則設法跟上。”布拉格的緊密排列法是一個良好的開端，然而鮑林覺得有另外的方法可以使人得到更佳的結果。 和布拉格一樣，鮑林把這一類型的晶體中的離子設想為一定大小的球體，而且他透徹地知道這些球體的大小——畢竟鮑林是運用量子力學方法來確定離子半徑的第一人。但是在對這些球體性質的認識上，他倆的觀點不盡相同。布拉格認為離子晶體沒有更小的分子形式的結構——他將它們看作是單獨離子的延伸，就如他和父親在食鹽中發現的那樣——而鮑林認為矽酸鹽含有基本單位。比如說，矽的性質和碳十分相似；它與四個氧原子成鍵時也形成一個四面體。布拉格認為，氧原子在離子晶體中常常六個一組構成一個八面體。四面體和八面體：鮑林就是從這些基本的構造形式開始入手的。 對此進行了深入思考之後，鮑林取得了突破。他將自己在量子力學、離子大小、已發表的晶體結構和化學規則方面的知識天才地綜合起來，提出了一套關於最有可能的結構形式的簡單規則。其中最重要的一條稱為靜電價規則，以已知原子和其他原子成鍵的能力，即原子價為基礎，來確定在某一角上有多少原子會彼此聯結。這裡的關鍵是，在這些礦物質中，一個中心原子的原子價會被周圍帶相反電荷的離子按比例分配。其他的規則涉及到對面和棱的共用。把這些規則組合在一起，同時也考慮到布拉格的緊密組合思想，鮑林概括出一種相對簡單的程序，通過這一程序就可以一步一步地排除不可能的晶體結構並預測最有可能的形式。 他在1928年下半年最先在一系列論文上發表了自己的規則，作為對索末菲60歲生日的獻禮。對於一位教會他動用一切工具以得到解決方案的老師來說，這是一份最恰當不過的壽禮了。第二年，他在《美國化學學會學報》上更加詳盡地闡述了自己的理論。很快，他的理論在晶體學家中被稱作為“鮑林規則”。這些規則十分管用。在他最初的一些論文中，鮑林運用自己的規則解決了兩個複雜的矽酸鹽晶體結構，就是板鈦礦和黃玉。鮑林規則使Ｘ射線晶體學得以解決以前不可能解決的複雜構造。 但是，鮑林所做的並不僅僅是提出了這些規則。在對矽酸鹽的研究中，鮑林設計了一種解決複雜的Ｘ射線晶體構造的完整程序，在後來的幾十年中，他將不斷地求助於這種方法。首先，他利用已知的化學原則，建立了一套結構的規則。如果規則是嚴謹的話，單純的化學因素就可以排除許多理論結構，只留下幾個最有可能的構造。接著，鮑林把剩下的幾種可能做成模型，以辨別哪種是最佳的。通過模型，他可以立體地來審視這些結構，看一下哪些合理，哪些不合理，並不斷地擺弄和調整這些模型，直到合適為止。如果模型顯示某一構造的原子組合太緊或是太鬆，那麼也可以將這些結構排除在外。最後只剩下一個最有可能的模型。將這一假設的原子結構的特性，包括它可能產生的Ｘ射線衍射圖譜，與實際的物質作比較，如果符合的話，就可以認為這一結構是正確的。 綜合自己的化學和物理知識，加上自己對模型的新興趣，鮑林已能輕鬆自如地得到有關的結果，而別人仍陷在令人困惑的Ｘ射線數據的泥潭中不能自拔。幾年以後，鮑林向他的一位朋友卡爾·達羅闡述了自己的方法，因為後者告訴他，這種方法已經有一個稱謂：隨機法。達羅請鮑林看一本1909年出版的化學教科書，其中作者談到了這個早已不用的希臘詞，翻譯過來的意思就是“通過猜測來領悟真理”。簡單地看來，隨機法不過是基於一定經驗的猜想，就和任何別的科學猜想一樣。每個人都可以對分子結構作出猜想，而且儘管你可以將分子的性質與假想結構的計算結果加以比較，從而排除哪些錯誤的猜想，你也很難說最終的假想結構是嚴格正確的，因為猜想和現實比較的基礎幾乎總是有限的實驗數據。但是鮑林使用的隨機法並不是單純的猜謎遊戲。借助於對化學和晶體學的深刻了解，你得到的最終結構將是唯一的。就像鮑林所說的，“有限的幾個方面的一致並不能證明猜想是正確的。要使隨機法有意義，作出猜測的原則必須是嚴格的，這樣猜測本身實際上是獨一無二的；換句話說，運用這一方法的研究者只允許作出一種猜測。” 鮑林駕馭著自己的隨機法解決了一個十分棘手的問題，而且在以後的30年中，他將運用這一方法解開更為複雜的謎題。有時候，他的唯一猜測可能是錯誤的；而更多的時候，他是正確的。這種“通過猜測來領悟真理”的能力使他在解決棘手的化學問題的競爭中一馬當先。最終它將為他贏得巨大的成功和美名，人們覺得他能夠神奇地想像出正確的答案，而別人卻無能為力。但是，鮑林成功的根源是他的辛勤工作，深刻的化學知識，和作出那種唯一猜想的願望和膽識。 在發表解決複雜離子晶體規則之前，鮑林被認為是一個前途遠大的青年晶體學家。規則發表之後，他已躋身於一流科學家的行列。勞倫斯·布拉格在讀到鮑林的文章之後大吃一驚。這個美國年輕人從天而降，在他自己的遊戲中打敗了自己。鮑林提出的一些思想也是布拉格在研究矽酸鹽時所運用的，但是很多則是嶄新的。電價規則尤其明確和奏效；幾年後布拉格慷慨地稱之為“礦物化學中的主要原則”。 鮑林在運用自己的規則方面取得了巨大的成就。在1929年和1930年，他解決了雲母的結構問題。雲母會開裂成易碎的透明薄片，鮑林發現這是由於晶體的分層結構在水平方向的化學鍵強度大，而在垂直方向的強度弱。然後他將雲母和矽酸鹽加以比較，發現兩者的化學成分相似，而構造截然不同。他發現滑石同樣具有分層結構，但是在水平方向的化學鍵很弱，這樣容易碎裂，而不是開裂。研究人員還對另一類稱作沸石的矽酸鹽很感興趣，因為它們能夠吸收某些氣體，包括水蒸氣，而不能吸收另一些氣體。鮑林發現沸石具有蜂巢似的小孔，形成了一個分子篩，只有足夠小的分子才可以通過。 一個備受青睞的人物 鮑林規則極其重要，但是這個年輕人渴望取得更多的成就。他閱讀了物理和化學的所有成果，參加了這兩個領域和生物學的每一次研討會，對任何事情都充滿興趣，隨時準備解決任何力所能及的問題。 1930年，他重新抬起了物理，澄清了一個伯克利科研人員提出的難題。在理論上，熱容量——升高一個物體的溫度所需的能量——在絕對零度時應該下降到零。但是伯克利的研究小組驚訝地發現，他們對氫分子所做的實驗顯示了一個高得多的值。鮑林解釋了這一現象：他在一篇發表於《物理評論》的論文中說，你要做的是設想氫分子在組成晶體時會旋轉。他的量子力學解釋不僅是固體熱容量研究上的一大進步，而且還有助於解釋一種晶體形式轉變為另一種晶體形式。 《科學美國人》將這一成果評為1930年基礎化學領域內的兩大“傑出”發現之一。那一年的另一項發現是鮑林和布拉格用於了解矽酸鹽結構的一般方法。 鮑林量子力學的紮實功底和他將其在化學上的運用在學術界漸漸地傳開了，請他任職的邀請也接踵而至。在20年代末，最好的美國大學紛紛攫取那些了解新物理的青年學者，最好是那些在外國學習過的美國學生，如鮑林、約翰·斯萊特、埃德·康頓、約翰·範弗萊克、羅伯特·馬利肯等。退而求其次，是像塞繆爾·戈爾德施米特那樣的歐洲移民。鮑林和十幾個同他類似的諳熟量子物理的同輩人突然發現自己身價倍增。 路易斯告訴鮑林，他在1928年曾訪問過加州理工學院——這不同尋常，因為他極少旅行——打算在伯克利給鮑林安排一個位置。但是他遭到了諾伊斯的伏擊，“禁止他這樣做”。諾伊斯在1929年特許鮑林到伯克利擔任一個學期的訪問教授，在那裡鮑林接受了一份更大的榮耀，去哈佛任職。哈佛化學系的主任，第一位獲得諾貝爾化學獎的美國人西奧多·理查茲剛去世不久，化學係正在重組。哈佛邀請路易斯和理查德·托爾曼來填補理查茲的空缺，但是兩人都決定留在西部。邀請信送到鮑林手裡的時候，職位已經下降到了副教授，而且沒有提及主任一職，但是仍舊魅力十足。哈佛是美國歷史最悠久、聲名最顯赫、受資助最多的大學；它的物理系和化學系享有盛譽。鮑林很快回信說：“能夠與哈佛大學化學系聯繫在一起，對我有很大的吸引力。”但是他寫道，他的授課職責使他至少要到5月份才有可能訪問哈佛，他請求延期。 鮑林熟知學術界的升遷遊戲規則。例如，托爾曼利用哈佛的邀請得到了成萬的科研經費，迫使學校招募了一名他想要的研究人員，並要學校答應他不用參加公開活動。鮑林寫信給諾伊斯，坦率地問他加州理工學院有什麼反提議。諾伊斯也不希望失去鮑林。在諾伊斯和密立根的敦促下，加州理工學院校務委員會在3月同意在秋季提升鮑林為副教授（僅僅在助理教授兩年之後），在今後兩年內大幅度加薪，配備一名實驗室助手，增加兩名研究生，以及提供一趟赴歐洲的旅費。 但是，哈佛是認真的。有傳聞說，該校將圍繞鮑林開設晶體結構和化學物理的新課程，甚至按照這位青年科學家的品牌創建一個新的“量子化學”系。鮑林記得（儘管似乎沒有相關的證明文件），哈佛的提議最終升到了正教授，並接任理查茲的職位。 鮑林拜訪了哈佛，在5月初來到了坎布里奇，呆了一個星期。他受到了盛大的歡迎，住在有機化學家詹姆斯·布賴恩特·科南特家中（科南特很快就成了哈佛大學的校長），查看了新建的化學實驗室，舉辦研討會並出席招待會。鮑林只有28歲，對自己受到的關注受寵若驚，同時也發現了一些事情——或大或小——他不怎麼喜歡。在加州理工學院，研究人員可以自由地採取自己獨特的科學研究方法，而鮑林發現，在哈佛大學，像有機化學和物理化學這些分支學科已僵化為互不來往的封地。他不喜歡那裡的背後中傷、幕後政治交易以及對人才的貪婪斂聚。鮑林是美國西部平等思想的產物，他也第一次領教了東部地區的趨炎附勢。他回憶說：“在那裡有許多重要人物，他們只不過因為是出身名門就自命不凡。他們有錢有勢，但毫無才能。我覺得在哈佛我只是一個二等公民。” 鮑林很快就決定不去哈佛。但是在回絕哈佛的提議之前，他利用這個機會得到了另一樣東西：和路易斯密切合作的機會。幾天后他東巡歸來，在他的請求之下，理工學院校務委員會批准他每學年至少有一個月的時間可以離校，“以便在加利福尼亞大學或其他地方舉辦講座或者研討會”，而且每隔一年可延長到一個學期——另外每年可以報銷500美元的差旅費。第二天，鮑林拒絕了哈佛的提議，然後給路易斯寫了一封信：“在作出留在理工學院的決定中，時常到伯克利來的可能性也起了一定的作用，您對於此事的觀點也許同樣如此。不管怎樣，我的內心已經恢復了平靜。” 鮑林並不是唯一一位受到垂青的青年教授。另一位是奧本海默，鮑林在慕尼黑遇到過的年輕的美國物理學家。 1928年，密立根說服奧本海默一年中用一部分時間在加州理工學院教授物理，其餘的時間在伯克利，和鮑林的做法差不多。 奧本海默立刻給帕薩迪納的人們留下了美好的印象。他身材瘦長，看上去簡直弱不經風，大大的眼睛分得很開，一頭濃密的黑髮。他外表迷人，天資聰慧。儘管在紐約長大，他卻像一個來自歐洲的波希米亞人，充滿詩情，酷愛抽煙，喜歡引用晦澀的文學和哲學。他唯一的缺點是上不好課，吐字含糊，煙灰亂飛，講課內容艱深難懂，黑板上寫滿歪歪斜斜、難以辨認的公式。儘管如此，他很快就吸引了一批虔誠的信徒，一些西海岸最出色的學生。他們透過外在的晦澀看到了新物理的真諦，開始年復一年地在帕薩迪納和伯克利之間追隨他的足跡。他也被惡意的傳聞追逐著，而他看來懶得申辯。這些謠言暗示他很放縱——可能是同性戀——而且政治觀點偏激。 鮑林和愛娃發現他詼諧、有趣，在沉悶的理工學院教師中令人精神一振。年齡相仿，年輕有為，又前途無量，鮑林和這位青年物理學家很快就成了至交。他們一起吃晚飯，一起說笑話，談論歐洲的物理，還對加州理工學院和伯克利的教授們品頭論足。奧本海默請教鮑林如何講好課，而鮑林找他談論量子力學。兩人開始考慮聯手攻克化學鍵的問題，由奧本海默負責數學，鮑林提供化學背景知識。 也許他們的交往發展得過快，過於親密了，鮑林漸漸覺得有些不大對勁。奧本海默不光彩用了一些鮑林的授課風格；他開始在校園中戴起一頂老式呢帽，與鮑林的那頂幾乎一模一樣。他開始向鮑林贈送禮物，有時候是一樣小禮物，諸如一枚漂亮的戒指，有時候是很奢侈的禮物，如奧本海默少年時收集的大量礦物，這是最早激發奧本海默科學興趣的晶體寶藏，其中有一千種精緻的樣品，包括鮑林特別感興趣的方解石。還有就是奧本海默贈給鮑林的詩詞，鮑林發現這些詩作晦澀難懂，令人心煩，字裡行間夾雜著礦物學、但丁和雞奸的典故。鮑林從未經歷過這樣的友誼。 愛娃也同樣如此。她非常喜歡奧本海默，樂於和他交談，向他拋拋媚眼，就像她在社交場合對每個人做的那樣。大概是她有些過分了，弄得奧本海默有些神魂顛倒。也許他覺得愛娃對他的興趣已經超出了普通的友誼。不管是什麼原因，事情變得有些出格。 1929年的一天，當鮑林在學校的時候，奧本海默突然來到愛娃家，笨拙地邀請她到墨西哥去幽會。愛娃目瞪口呆之餘感到一絲竊喜。她對奧本海默說，不行，當然不行，她已經結婚了，而且相當嚴肅認真。那天晚上，她一五一十地告訴了鮑林。 “我覺得她對自己的誘惑力有些洋洋自得，”鮑林說。看見愛娃如此得意，鮑林立即斷絕了與奧本海默的來往，結束了兩人在化學鍵問題上的合作。從此，兩人之間一直保持著一種冷淡的對立。 多年以後，愛娃對自己的丈夫說：“你知道，我並不覺得奧本海默愛上的是我。我認為他愛上的是你。”低頭沉思了一會兒，鮑林想她可能是對的。 失去了奧本海默，鮑林只有靠自己來尋求碳四面體化學鍵的數學表達式了。解決這一問題的途徑——所有運用量子力學來解決多原子系統的必由之路——是在波動方程中找到一些捷徑，簡化一些條件，以降低數學的複雜程度，這樣才能將研究工作繼續下去而又不至於使結果產生太大的失真。鮑林一次又一次地試圖在數學迷宮中殺出一條道路，卻毫無進展。 1929年末，由於在化學鍵問題上一籌莫展，鮑林決定回到歐洲，拜訪在慕尼黑的老朋友們，參觀晶體學實驗室，並在化學鍵研究上聽取一些建議。在他的古根海姆研究基金的申請被拒絕之後，他從加州理工學院獲得了必要的旅行費用。 1930年5月，他和愛娃踏上了英國的土地。這回他們帶上了5歲的小萊納斯，出發前往他們科學訪問的第一站，Ｘ射線晶體學的世界最著名的中心，勞倫斯·布拉格的曼徹斯特實驗室。 鮑林對他與布拉格的初次會面寄予了極大的希望。在鮑林規則發表之後，他們之間的書信往來十分誠懇，甚至充滿了熱忱。布拉格寫道：“你的方法顯然引導你找到了理想的結構！……我確實非常欣賞你研究這類配位化合物的方法。”而鮑林也一反常態，信中的口氣非常謙恭：“我的夫人和我經常念及您。我們最大的一個夢想是來曼徹斯特拜訪您。” 然而他們到達曼徹斯特之後，這一夢想變了味。儘管布拉格在招待上盡心盡力——專門為他們準備了一個單元，找了一個女傭，並安排照料小萊納斯——但保持著學術上的距離。令鮑林驚訝的是，在曼徹斯特的幾個星期中，布拉格從不與他談論研究的事情，他也沒有受邀請就他的工作舉辦一個研討會，而在加州理工學院對任何來訪的教授這已經成了一個常規。 “我和布拉格毫無接觸，”鮑林說，同時還把他的曼徹斯特之行歸結為“大失所望”。儘管對受到冷落大惑不解，鮑林仍試圖擺脫自己的不快，把這主要歸咎為布拉格繁忙的日程安排。 但是，後來他從別的科學家那裡聽說，儘管布拉格在信中對他非常客氣，他把這個美國年輕人視為自己科學領地內不受歡迎的偷獵者。布拉格在自認為是自己的遊戲中被打敗了，他對此耿耿於懷。鮑林後來寫道：“我當時並不知曉，實際上在以後的很多年裡都沒有想到布拉格把我看作是他的競爭對手。”而且實際情況還不止於此。布拉格的個人憂慮和巨大的工作壓力使他瀕臨一個臨界點。鮑林走後幾個月，他就經受了一次精神崩潰。如果他疏遠了鮑林的話，那部分原因是由於他正和自己進行著激烈的競爭。 不管是何種原因，初次見面給他倆今後的關係蒙上了一層陰影。在鮑林回到美國之後，兩人的通信急劇減少。在餘下的時間裡，鮑林和布拉格之間的關係與其說是親密的同行，不如說是互相仰慕的對手。 然而並不是所有的英國科學家都是像布拉格一樣接待鮑林的。天性活潑的英國晶體學家約翰·戴斯蒙得·伯納爾請他到劍橋就晶體中分子的旋轉運動舉行一個研討會，這多少給鮑林受傷的感情一點慰藉。接著鮑林夫婦來到了德國，鮑林高興地拜訪了朋友們，並了解了最新的研究進展情況。他在慕尼黑停留了差不多三個月，試圖要簡化量子力學來解釋化學鍵。他從索末菲那裡得到了一些幫助，但是沒有什麼大的突破。 然而，他在其他方面作出了一個重大發現。他去路得維希港，一個距慕尼黑幾個小時火車車程的城市，拜訪了赫爾曼·馬克，鮑林在第一次來到慕尼黑時曾經碰到過這位維也納化學家。作為一名晶體學家，馬克贏得了相當的聲譽——他的工作包括一些對有機分子的初步研究——而且他在很年輕的時候就被德國工業巨頭染料化學公司力邀去主持聚合物和膠片領域的研究工作，包括對大有商業前景的塑料製品與合成橡膠的早期研究。染料公司對馬克有求必應。在鮑林來訪時，一塵不染、工作高效的路得維希港實驗室號稱擁有歐洲大陸上最先進Ｘ射線衍射裝置。但是鮑林此番來訪的最大發現卻與Ｘ射線無關。當他們在參觀實驗室設備時，馬克告訴鮑林，他的一位助手，一個叫做維爾的年輕人，創造出一種在真空管內將一束電子射過一股氣體的方法。維爾發現，氣體的分子能夠使電子發生衍射，形成同心圓的圖譜，而圖譜的密度和相對位置與分子中原子的距離有關。這個“電子衍射”儀對馬克而言是一種有趣的娛樂，不過它只能用於那些能在室溫下以氣態形式存在的較小的分子，而他的實驗室目前的重點是巨型聚合物。而且染料公司對電子衍射也毫無興趣，因為照馬克的說法，“這東西賺不了錢。” 然而這一發現令鮑林激動萬分。在很長一段時間裡，鮑林一直在尋找一種研究單個分子結構的方法，而無需為它們形成晶體的複雜方式所煩惱。馬克和維爾的裝置可以對氣體中的單個分子進行分析，而不是許多分子聚集在一起的較大的結構單位，這樣在計算結構時就去除了一層複雜性。由於電子衍射照片的曝光時間只有零點幾秒——而不像Ｘ射線晶體學有時所需的幾個小時——結構研究的對象可以擴展到不穩定的物質，特別是很難形成晶體形式的小分子有機化合物。鮑林說：“這一發現實在太重要了，我難以抑制自己的激動，我對馬克也這樣說了——我意識到，在相當短的一段時間裡，也許十年，我們可以獲得許多不同分子的鍵長和鍵角的知識。”馬克對這一裝置給鮑林造成的印像有些驚訝，他給鮑林提供了一整套有關建造這一裝置的計劃，並預祝鮑林成功。 鮑林于1930年秋天一回到帕薩迪納，就讓一名新的研究生勞倫斯·布羅克威建造一台電子衍射儀。過了兩年，這台機器才開始正常運轉，但是後來它成了鮑林實驗室的一匹快馬，同時也是加州理工學院最重要的一個科研工具。在它啟用後的25年中，鮑林和他的學生和同事們用它弄清楚了225種分子的結構。 “飄飄欲仙” 1930年秋天鮑林回到了家，重新開始對四面體碳原子問題進行研究。他的歐洲之行並沒有取得很大的成果，但是他回國後卻有了重要的發現。 那年，一個名叫約翰·斯萊特的青年美國物理學家發現，對薛定諤波動方程作一巧妙的簡化，就可以較好地描述碳原子的四個成鍵電子。在斯萊特研究的激勵之下，鮑林拿起了筆，又一次開始熱切地計算。為了符合化學家的碳原子四面體的現實，需要打破物理學家的兩個電子亞層，並將其合併成一個新的等價形式。關鍵問題是找到波函數合適的數學近似，只有通過這一捷徑才可能將亞層的波函數結合成可以求解的方程。 然而，鮑林在秋高氣爽的環境中苦苦工作了幾個星期，卻沒有找到一條行得通的捷徑。然後，在1930年12月的一個夜晚，鮑林坐在書房的書桌前，又嘗試了一種近似。這回在試圖合併兩個電子亞層的波函數時，他忽略了被數學家稱為徑向函數的部分，斯萊特在論文中曾經提及這種簡化可能會奏效。在去除了這一層複雜性之後，鮑林驚奇地發現“從數學上來講，這一問題變得相當簡單”——至少對受過索末菲培訓的量子物理學家來說是非常簡單的。 現在，他可以用恰當的係數將物理學家的兩個碳原子電子亞層的波函數合併為對一個新的混合形式的數學描述：四個相同的軌道正好以精確的角度組成一個四面體。不僅如此，他的新的混合軌道遠離原子核，因此更加傾向於同別的原子中的電子軌道重疊。這裡有一個基本思想：兩個原子的電子軌道重疊越多，產生的能量交換就越多，化學鍵的強度就越大。 他的精神一下子抖擻了起來。根據量子力學的原則和公式；他建立了一個四面體的碳原子。計算得出的化學鍵之間的角度是正確的；鍵長看上去也合適；電子交換產生的能量也足以解釋改變電子亞層軌道形狀所需的能量。 他廢寢忘食地伏案工作。他發現，運用同樣的基本方法，可以在計算中加入更多的電子，並得出更為複雜的分子的特性。鮑林打破物理學家的電子亞層，將其組合成新的軌道的思想洞開了解釋許多分子結構的大門，比如，某些鑽和鉑化合物的鍵合形式就能得到良好的解釋。在鮑林的筆下，物理學家的新力學證明了化學家一個又一個的思想。他回憶說：“我無比激動和興奮，徹夜不眠，設想、列出並求解許多方程。這些方程十分簡單，花不了我幾分鐘時間。解出了一個方程，得到答案，然後解答另一個八面體配位體化合物結構的方程，比如鐵氫化鉀中的亞鐵氫離子，或者是正方形配位體化合物，如四氯化鉑離子，和各種其他問題。隨著時間的推移，我越來越覺得飄飄欲仙了。” 在接下來的兩個月時間裡，他日以繼夜地不斷完善並擴充自己的發現，有關成果的論文將成為化學史上最為重要的文獻之一。在論文中，他提出了共享電子對成鍵的六條規則。頭三條規則是對路易斯、海特勒、倫敦和自己早期工作的重申——電子對化學鍵是通過兩個原子中孤電子的相互作用形成的；一旦配成對，兩個電子就不能參加新鍵的組成。他的後三條規則是新的。一條提出，化學鍵的電子交換條件只涉及每個原子的一個波函數；另一條規則提出，能級最低的自由電子可以形成最強的化學鍵。鮑林的最後一條規則斷言，在一個原子中的兩個軌道中，能與別的原子的軌道重疊最多的軌道會形成最強的化學鍵，而且化學鍵一般與較為集中的軌道保持同方向。這樣就能對鍵角和分子結構作出預測和計算。 考慮到自己的讀者大多是缺乏數學基礎的化學家，鮑林對自己的規則並沒有給出冗長的數學證明。他在論文中寫道：“即使在最簡單的情況下對電子對化學鍵作出證明……也需要用到大量的符號和方程。”不過，他簡要地概括了對這些規則進行驗證的方式，並列出了幾個推理的例子。從量子力學的原則出發，現在就已能夠推出從化學鍵的長度和排列直到分子和復雜離子磁性的完整理論。鮑林還能夠預測原子新的電子結構和性質。換句話說，量子力學不僅能夠證明已知的事實；它還可以引導人們得到新的認識。在1931年2月中旬，鮑林將自己的論文寄給了《美國化學學會學報》。他給論文起了一個略顯豪華的題目：“化學鍵的本質”。 幾乎與此同時，他的第二個兒子，彼得·傑夫列斯（其中間名是為了紀念鮑林少年時的一個朋友）在2月10日呱呱墜地，真可謂是雙喜臨門。 不料平地又起了風波。 3月1日——在鮑林的論文寄出兩星期後、發表一個月之前——《物理評論》上出現了一篇與鮑林的文章內容極其相近的論文，其中包括：波函數重疊最大能夠形成最穩定的化學鍵的思想；對於離子鍵和共價鍵關係的討論；對化合物成鍵方式的討論，如果化合物與價鍵有幾種組合方式，很可能“真實情況為……對各種可能性的組合，並由於共振原理，能量相對較低”；而且更為重要的是，文章解釋了碳原子中的四面體化學鍵。作者正是啟發了鮑林獲得突破的物理學家約翰·斯萊特。 乍一看來，似乎斯萊特打敗了鮑林。但是在把斯萊特的文章細讀了幾遍之後，鮑林發現了他倆的工作有著很大的不同。就一點而言，在斯萊特的論文中，描述性的內容多於定量分析；它並沒有提供獲得化學鍵長度和強度確切數字的方法。鮑林匆忙地給《物理評論》寫了一封短信，懇請讀者註意他在給《美國化學學會學報》的論文中“對化學鍵強度近似定量分析十分簡單，然而卻非常強大的方法”（黑體字由鮑林標明）。他簡要地闡述了自己的六條規則，並強調是他第一個在1928年運用量子力學手段來解決四面體鍵合問題。 （斯萊特在論文中並沒有提及鮑林的那篇論文。）鮑林然後很快地概括了斯萊特的成果，並指出自己的思想比這些成果更深入。 這一爭名奪譽的手法相當巧妙：鮑林和斯萊特都喜歡對方，而且尊重對方的工作。在那篇論文發表前的幾週，斯萊特還提議鮑林到麻省理工學院任教，給他物理學、化學或者任一種組合的正教授頭銜；在鮑林“萬分感激，實難從命”的回信中（那時加州理工學院已經答應提升他當正教授），鮑林寫道：“除了您之外，沒有別的理論物理學家的工作使我感興趣。”在閱讀鮑林發表在《美國化學學會學報》上的論文之後，斯萊特寫道：“我很高興事情發展到了這一步，我們同時決定把自己的想法寫出來。我還沒有機會細讀您的論文，但是第一眼的印像是我們總的觀點十分一致。”他們的觀點確實非常一致。 1931年夏天，鮑林在帕薩迪納組織了一場關於化學鍵的討論會，斯萊特到會作報告。在演講之前，斯萊特提醒鮑林說：“……我們的觀點基本相同，所以在會議之前我們最好對一下筆記，免得講同樣的內容。” 兩個年輕人不約而同地在同樣的問題上運用了同樣的方法，也將分享這一榮譽。在一段時間裡，這一理論被拗口地稱為海特勒—倫敦—斯萊特—鮑林化學成鍵理論——後來的名稱較為順口，價鍵理論——人們一致認為斯萊特和鮑林幾乎在同時，通過獨立的研究工作，得出了同樣的結論。 正如物理學家維克多·魏斯科普夫後來指出，量子力學最終把物理和化學這兩大領域統一了起來。通過運用新物理的規則來解釋原子鍵合成分子的過程，斯萊特和鮑林促成了這段姻緣。物理學家是正確的：電子在軌道上運動，而不是在乾貨架上傻坐著。但是在一些很重要的方面，化學家，特別是路易斯同樣是正確的。電子軌道有一定朝向，而且化學鍵是由共用電子對形成的。斯萊特和鮑林的成果表明——合乎邏輯而且至少具有近似的數學可信度——物理學家的新的量子原則是如何在化學家的分子中發揮作用的。 《美國化學學會學報》在收到鮑林論文之後的六個星期內就刊登了這篇文章，這充分顯示了鮑林研究成果的重要性和獨創性，因為一般的等待時間要長達幾個月。後來鮑林得知，雜誌的編輯阿瑟·蘭姆想不出有誰能夠鑑定這篇文章，就直接把它發表了。 為了支持和鼓勵青年化學家，A·C·朗繆爾博士（物理化學家歐文·朗繆爾的哥哥）在1931年每年出資一千美元，獎勵全國最優秀的青年化學家。他請這一領域內最權威的專業組織美國化學學會來挑選獲獎者。第一年授予朗繆爾獎的時候，前美國化學學會主席諾伊斯確保自己的得意門生獲得提名。 1931年8月，鮑林欣喜地得知自己獲獎了。這一獎勵承認了鮑林非凡的成就和遠大的前程——僅僅30歲，他已經發表了50多篇論文，涉及廣泛的理論和實驗題目——而且在當時是相當豐厚的一筆收入，大致相當於鮑林年薪的四分之一。同時這也為美國化學學會和加州理工學院提供了一個宣傳自己的絕好機會。很快，鮑林發現自己成了一個小小的名人，接受來自從波特蘭到紐約的記者的採訪，自己的照片和專訪也紛紛出現在報章雜誌上。 《科學美國人》刊登了他的一張大幅照片，看上去若有所思，一副學者風度，並把他稱為“美國科學的神童”。諾伊斯告訴記者，鮑林是“我多年教書生涯中遇見的最有前途的年輕人”。 A·C·朗繆爾更是讚不絕口，說他是“一顆正在升起的新星，將可能獲得諾貝爾獎”。 9月的一個夜晚，在紐約州布法羅市舉行的美國化學學會全會上，鮑林大步走上主席台，從學會主席的手中接過了獎項，台下兩千名全國最優秀的化學家報以熱烈的掌聲。有人為這一盛會的通訊畫了一幅漫畫，畫面上滿頭亂發的青年鮑林急切地把手伸向一個標有“$1，000”的口袋。鮑林後來說，他唯一的遺憾是貝莉沒有能到場看他獲獎。 在開始第一個教職後的第四年，鮑林從一個大有前途的年輕人一躍而成了全國的名人。到1931年底，他已是正教授，《美國化學學會學報》的副主編，晶體學大師，化學鍵這一重大問題的合作攻克者，以及朗繆爾獎獲得者。他的內心永遠充滿著自信；現在這種自信洋溢於他的全身。在1931年，他很少對自己產生懷疑。他回憶說：“我很有可能成為一個狂妄的自我本位者。我覺得早些年我就在科學上對自己充滿自信。但是……我認為我不應該讓這一切沖昏頭腦。而且，儘管我在這一件事情上比別人幹得好，我也不能夠自以為在別的事情上也比別人強。”