从诺奖到维C神话：一位天才科学家的荣与辱（上）

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1927年，匈牙利生物化学家森特哲尔吉 （Albert Szent-Györgyi） 正在伦敦的剑桥大学研究生物体内的氧化还原反应。他从动物肾上腺里发现一种具有很强的抗氧化功能的有机酸性物质，将它提纯后得到晶体，把它命名为己糖醛酸，对它的化学性质进行了研究，并加以发表。至于己糖醛酸的生物学功能，他猜测有可能是维生素C，但直到四年以后，才利用豚鼠模型进行实验，得到证实。森特哲尔吉因此获得1937年的诺贝尔生理学或医学奖。

1933年，波兰出生的瑞士化学家莱克斯坦 （Tadeusz Reichstein） 以葡萄糖为原料，利用微生物发酵产生山梨糖，然后通过一系列化学反应将山梨糖转化成维生素C，从而实现了维生素C的工业化生产。这种方法称为莱氏化学法，被沿用了三十多年。到了1960年代末，中国科学院微生物研究所和北京制药厂的科研人员对莱氏法加以改进，采用第二次微生物发酵代替了莱氏化学法所用的部分化学反应步骤，从而简化了生产工艺流程，降低了成本。这种新的两步发酵法已经成为当代大规模生产维生素C的主要方法。

维生素C的故事说到这里，该轮到本文的主角——20世纪最著名的化学家，两次诺贝尔奖得主莱纳斯·鲍林 （Linus Pauling，1901-1994） ，闪亮登场了。

用量子力学点亮化学的第一人

1901年2月28日，鲍林出生在美国俄勒冈州波特兰。九岁时他的父亲，一个药店老板，不幸病逝，留下母亲带着小鲍林和他的两个妹妹在贫困的边缘艰难度日。14岁时，鲍林在朋友家中看到一套化学实验玩具，对那些化学物质发生的颜色、烟雾、气味等等奇妙的变化极为着迷。回家之后，他从附近一家被废弃的钢铁厂找来一些废旧器材，拼凑成自己的“化学实验室”，从此开始了他对化学的毕生追求。天资聪颖的鲍林引起了一个富于同情心的中学化学老师的注意，对他加意进行了辅导。为了帮助母亲挣钱，补贴家用，鲍林和一个名叫塞蒙的朋友在塞蒙家的地下室设立了一个“鲍蒙实验室”，打算为附近的奶牛养殖户提供廉价的乳脂含量测定服务，但奶场主们对这两个乳臭未干的毛头小伙根本不信任，“鲍蒙实验室”终于无疾而终。

鲍林15岁升入高中毕业班后，已经修够学分，满足俄勒冈农学院 （俄勒冈州立大学的前身） 的入学要求。但是他还需要两门美国历史课程的成绩，才能从高中毕业。鲍林请求校长破例允许他在最后一个学期同时修这两门必修课，但被校长拒绝。结果他只能算高中肄业，以同等学力进入俄勒冈农学院，学习化学工程。直到45年以后，鲍林已经两次获得诺贝尔奖，才得到他的高中母校为他颁发的荣誉毕业证书。

在大学里，鲍林的化学知识突飞猛进。他半工半读，每周在教室和实验室工作40小时，不仅解决自己的学费，还要帮助家庭。由于化学系的教师不足，鲍林自己还没毕业就开始给本科生上课。有些课程他刚刚修完，下一学期就上台讲授。这一经历对鲍林的自信心与演讲能力帮助极大，并且使他有机会接触各种化学期刊，了解化学领域最新的研究进展。化学里关于分子结构的一个基本问题是原子怎样相互结合，形成分子。依照当时课堂上所传授的观念，每个原子带有若干个“钩”和若干个“眼”，一个原子的钩搭到另一个原子的眼里，就形成一个“化学键”，通过它把两个原子结合到一起，成为分子。至于这些“钩”和“眼”究竟是什么，完全没有说明，鲍林对此很不满意，下决心要为这个最基本的化学问题寻找答案。

1922年鲍林大学毕业，获得化学工程学位，但他已经决定从化学工程转向化学理论，投身研究事业。他选择了位于南加州洛杉矶附近年轻的加州理工学院，成为该校招收的第一届研究生之一。在加州理工，鲍林学习了以X射线衍射研究晶体结构，利用这种新技术来探测晶体和分子中原子间的相对排列位置。仅仅用了三年，他就以最优异的成绩顺利毕业。

1925年，24岁的鲍林获得物理化学与数学物理博士学位，随即得到一份奖学金，到欧洲留学15个月。20世纪初的欧洲，以玻尔、海森堡、泡利、玻恩、薛定谔为代表的一批物理学家正在发动一场物理学的革命，以一套全新的理论——量子力学，来解释原子的结构。传统的原子结构模型——若干个电子像行星环绕太阳一样在原子核周围运转，被否定了，因为它不符合一系列新的实验数据。恰在此时到来的鲍林如鱼得水，遨游于慕尼黑、哥本哈根与苏黎世这些量子力学的摇篮，如饥似渴地吸收最新的量子力学观念以及有关的数学方法，成为最早掌握这些新知识的少数美国人之一。他被量子力学揭示的微观物理世界之美深深吸引，甚至一度考虑转行专攻理论物理。不过最后，他还是决定继续专注于化学，但不是传统的化学， 而是 被新的物理学理论所转化的化学 ，这种转化将始于对化学键的全新认识。

1927年，鲍林回到加州理工，就任助理教授。此时的加州理工，已经成为美国西海岸一个新崛起的学术重镇，聚集了一批最杰出的科学家。以诺贝尔物理奖得主密立根 （ Robert Millikan ） 为首的物理学部，每年发表的物理学论文数目已经位居全美各大学之冠。化学学部在著名化学家诺伊斯 （Arthur Noyes） 领导下，正在进入世界化学研究的最前沿，而鲍林的到来又为它带进了量子力学的最新方法和观念。一年以后，现代实验生物学的奠基人摩尔根 （Thomas Morgan） 加盟加州理工，创建了生物学部，使之成为遗传学、进化生物学和胚胎学研究的大本营。在这样的环境中，自信满满的鲍林开始利用他在欧洲学到的量子力学方法，研究从大学本科时代开始就在他脑海中萦绕的化学键问题。他在攻读博士学位时所做的以X射线研究晶体结构中原子排列位置的工作，为他研究化学键提供了坚实的基础。

鲍林的第一个目标是碳原子。通过X射线晶体学的研究，已经知道每个碳原子能分别通过一个化学键和四个原子结合。这四个原子位于一个正四面体的顶点，碳原子位于中心。为什么碳原子恰好形成这样的结构？为了回答这个问题，鲍林采用量子力学的原理，计算出正四面体中心碳原子与四周每一个原子之间化学键的长度和指向，建立一个模型，与通过X射线测定的观测结果比较，以确定他的理论解释是否正确。这种策略的最困难之处，是量子力学所涉及的计算极为复杂浩大，在没有电子计算机的时代，鲍林和他的研究生们的“人脑计算机”再棒，也根本无法进行。为了克服这个困难，唯一的方法是 做一些假设，抓住主要关键，忽略次要参数，对需要计算的问题进行删繁就简的近似处理 。鲍林凭借着对量子力学和化学的深刻理解，以及不屈不挠的努力，1930年12月的一天夜里，解释碳原子正四面体结构的工作终于得到突破。

1931年2月，鲍林将他的结果写成论文，加上一个宏大的标题“ 化学键的本质 ”，投到《美国化学学报》。鲍林自认为这篇论文是他一生发表的850篇科研论文与专著中最重要的一篇。它的内容是如此新颖，以致于编辑部根本找不到合适的审稿人，最后干脆不经审稿直接发表了事。同一年，爱因斯坦应邀到加州理工当短期访问学者，其间参加了一次鲍林的报告会。得知当代最伟大的物理学家就在听众席中，鲍林格外认真卖力地讲解了他的发现。会后，有记者询问爱因斯坦对这位年轻化学家的报告有何评论，爱因斯坦耸了耸肩，微笑答道，“对我来说太复杂了。”

爱因斯坦的回答也许仅仅是为了打发追逐新闻的记者，但对于当时的大多数化学家来说，鲍林的工作超前了至少十年。他们要么根本不知道量子力学为何物，要么数学水平有限，不理解鲍林的一系列复杂计算。在他们看来，真正的化学是在试管烧瓶里摆弄化学反应做出来的，而不是在纸上用笔算出来的。

第一篇以“化学键的本质”为题的论文发表之后，鲍林一发而不可收拾，平均每五周发表一篇重要论文，包括前后共七篇的“化学键的本质”系列文章，进一步深化、拓展了他对化学键的研究。 他的量子力学方法不仅解释了一个又一个、越来越复杂的已知分子结构，而且可以准确地预测未知的分子结构和性质 。一门全新的学科——量子化学就此诞生，鲍林成为当之无愧的奠基人。到了1935年，鲍林骄傲地写道：“我觉得自己对于化学键的本质已经有了一个基本完整的认识。”

与此同时，鲍林的同行们也慢慢地开始接受他的新思想。鲍林不仅是个优秀的科学家，还是个一流的推销员。他四处旅行出席各种会议，充分发挥自己出众的口才，运用化学家能够理解的语言，不遗余力地宣传他的学说。他频繁地发文写信，发表大胆的理论猜测，有时甚至不惜牺牲严格的数学推导。

鲍林还是个出色的教师。他觉得 化学课应该从单纯描述一大堆互不相关的观测结果，上升到一门统一的学科，具有坚实一致的理论基础，能够涵盖从无机化学到有机化学的各门分支 。他以新的化学键理论来解释各种化学现象，并以此来组织教学内容，在课堂上向学生灌输他的新化学观。

1939年，鲍林发表了集其化学键理论之大成的专著《化学键的本质与分子和晶体的结构：现代结构化学导论》，作为化学系高年级研究生的教材。但这部巨著的影响远远超出课堂之外，成为20世纪最重要的化学经典著作，整整一代化学家案头必备的圣经。 有史以来第一次，化学现象被描述为量子力学原理作用于化学键水平的自然结果 。可观测的化学性质，例如化合物的熔点、沸点，由分子结构决定，分子结构由将原子锁定于一定位置以形成分子的化学键决定，而化学键由物理学家所定义的原子的量子本性决定。

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