生命编码背后的故事（十六）
1924年5月，索末菲另一位得意门生、泡利的师弟海森堡（Werner Heisenberg）提出一套新颖的数学架构，为原先只是由一连串无根据的假设堆砌而成的玻尔-索末菲原子模型提供严谨的数学基础。一年半后，奥地利出生的薛定谔（Erwin Schrodinger）又以更为简洁易懂的方式获得同样的成功。以“薛定谔方程”为标志的量子力学随之诞生，取代玻尔和索末菲的“旧量子理论”1。
当泡利在1926年夏天听鲍林兴奋地介绍基于玻尔-索末菲模型的演算时，他知道这位美国小伙子已经落后时代两年。不仅如此，泡利还鼓励鲍林用新理论重新计算，肯定他会得出相反的结果。鲍林大为惊讶。回慕尼黑后，他又得知最新的实验没有证实他原先的预测。于是他急忙临时抱佛脚，发现果然不出泡利所料：新理论的结论与旧理论相反，但与实验观测一致。鲍林如梦初醒。
从中学、俄勒冈农学院到加州理工学院一路鹤立鸡群的鲍林也第一次发现自己不再出类拔萃。泡利早已名声显赫。他两年前发现电子互相之间“不相容”，为玻尔的壳层模型提供逻辑基础。2而论年龄，泡利只比鲍林大十个月。风头正健的海森堡则比鲍林还小十个月。那俩师兄弟和其他几位同龄人已经成为新量子理论的代表人物。鲍林却还处于盲目的摸索之中。
海森堡和薛定谔的量子力学也不再像路易斯的立方原子和玻尔的电子轨道那么直观。新理论要求严谨而繁琐的数学推导，绝非化学实验室出身的鲍林之强项。慕尼黑那群聚集在索末菲身边的物理、数学天才让他相形见绌，不得不重返课堂旁听索末菲讲授的微分方程和量子力学课程。但他的努力也颇有成效，很快完成两篇论文，得到索末菲的嘉许。
从路易斯的立方原子到玻尔的电子轨道再到新量子理论，鲍林终于抵达确实的科学前沿。结束在慕尼黑短暂但收获甚丰的进修后，他踏上那个年代物理青年在欧洲游学的既定轨道，前往哥本哈根、哥廷根和苏黎士朝圣。
哥本哈根的玻尔研究所已经成为量子力学圣地中的圣地。尽管玻尔从来没有回复过鲍林的询问信件，鲍林也不愿错过机会。他不请自到，在那自由讨论科学的殿堂里徜徉了几个星期。在结识更多埋头于量子力学计算的年轻人同时，他只得到一次面见玻尔的机会。玻尔打着瞌睡听他解释正在进行的工作，与当年的索末菲同样慈祥地不置可否。
在哥廷根，鲍林终于有机会与那里的掌门人玻恩（Max Born）教授和比他更年轻的海森堡、狄拉克（Paul Dirac）等新一代切磋。海森堡那时又发表了新观点，即后来也成为量子力学象征的“不确定原理”（uncertainty principle）。3它即刻成为还处于萌芽中量子理论的热门话题，引发思想混乱。
鲍林最大的收获还是在他旅途的最后一站：瑞士的苏黎士。相比于在量子力学中三足鼎立的哥本哈根、哥廷根和慕尼黑，苏黎士稍逊一筹。薛定谔在苏黎士大学担任教授，却也正积极寻求机会另谋高就。鲍林到来时，薛定谔正在美国巡回讲学。他因而也没能见到这位迫使他学习求解微分方程的大教授。但那里还有鲍林夫妇在慕尼黑时已经熟识的两个年轻人海特勒（Walter Heitler）和伦敦（Fritz London）。他们都是索末菲的学生，获得博士学位后一起到苏黎士跟随薛定谔进修。在鲍林到来之前，他们也刚刚获得一项重大突破，求解出氢分子的结构。
十多年前，玻尔在提出最初的原子模型同时也试图解决分子的结构。但他的尝试不得要领。那之后，分子成为物理学家望而却步的大难题。作为索末菲最聪明的学生，泡利也束手无策，以一个“证明”此路不通的论文获得他的博士学位。玻尔和索末菲的原子模型固然成绩斐然，却也只能对付只有一颗原子核、一颗价电子的最简单原子。
当然物理学家也没有放弃过各种尝试。尤其是在具有严格数学形式的新量子力学出现后，他们再度跃跃欲试。
海森堡发明的新量子理论在数学形式上并不实用。他不得不应用起自己深恶痛绝的薛定谔方程求解出有着两颗电子的氦原子。虽然他也没能同样地求解出氢分子，海森堡提出两颗氢原子能够克服它们外在电子排斥力而结合，是因为量子力学中的粒子“不可分辨”。两颗电子邻近时，它们可以交换位置，不分彼此。这个“交换”（exchange）效应相当于一种额外的吸引力，让两个原子相互结合。那正是氢分子中共价键的来源。依照海森堡的这个思路，海特勒和伦敦终于求解出氢分子的薛定谔方程，获得符合实验数据的分子结构。
在薛定谔的量子力学里，电子不再是沿某种轨道运动的粒子。与光类似，电子也具有波动性，在原子核附近以一定的几率弥散分布。这样描绘出的电子分布看起来有如云雾，故也叫做“电子云”（electron cloud）。氢原子那单独一颗电子便是以原子核为中心的圆球状电子云。海特勒和伦敦计算出的氢分子电子云主体也同样以球形分布于两颗原子核周围，但在二者之间也存在着稍厚的“云”。4这说明分子中的两颗电子在两颗原子核之间逗留的可能性比其它地方略大。它们在那里的“交换”将两颗原子核捆绑在一起。这个图像中也依稀有着路易斯共有一条边的两个立方块和玻尔两个原子核之间电子轨道的影子。
这是一个物理学界期盼已久的成果。化学键不再是德谟克利特臆想的钩子、路易斯立方的边或面或玻尔的共用电子轨道。它是原子核和电子之间的经典电磁相互作用与量子力学效应的结合，在薛定谔方程中自然地出现。这是康德未曾预料的，作为严谨、精确、货真价实“真正科学”的化学。一年多以后，同为量子力学弄潮儿的狄拉克自信地总结道，“理解物理学大部和化学全部所需要的物理定律现在已然完全知悉。剩余的困难只在于应用时会遭遇过于复杂的方程，无法准确求解。”
物理学家如释重负，身为化学家的鲍林也从中找到了自己的角色。
鲍林在哥廷根花了很多时间学习海特勒和伦敦的计算方法，对狄拉克所言“复杂的方程”深有体会。作为量子力学根基的薛定谔方程只有在最简单的情形下可以严格求解。氢分子是最简单的分子，也已经让众多年轻物理学家铩羽而归。唯一可行的求解方式是寻找合适的方式“抄近道”，简化原有的方程而找出近似解。海特勒和伦敦便是在海森堡“交换”作用的基础上找到了合理的近似途径5。
在分享朋友成功的同时，鲍林也看到身边的物理学家都与狄拉克一致地为解决氢分子问题志得意满，不再对“剩余的困难”感兴趣。因为化学键的原理已经被理解，剩下的不过是技术性的细枝末节。在那个激动人心的年代，他们有着太多更值得求解的问题。当然，在鲍林看来，这些物理学家也缺乏基本的化学知识，无力应付比氢分子更为复杂的分子结构。那却也正是他独具的长处。
当鲍林在1928年秋天学成归国时，诺伊斯早已为他安排好了在加州理工学院的职位。综合鲍林的特长，诺伊斯还专门为他发明了一个“理论化学和数学物理助理教授”的冗长头衔。导师迪金森的科研兴趣已经转移，鲍林因而正式接管系里的X射线衍射实验室。他开设的第一门课程是量子力学在化学中的应用，传授自己在欧洲游历之所得。
加州理工学院也已今非昔比，学生人数在急剧增加。与鲍林同时到来的还有大名鼎鼎的摩尔根。他已经临近退休年龄，在加州理工学院无与伦比的优厚待遇召唤下来到这个朝气蓬勃的新学校。随他而来的还有得意门生斯图尔特文和布里奇斯。老牌的哥伦比亚大学不再有苍蝇屋。而南加州终于出现一个在天文、物理、化学、生物领域都有着名闻遐迩领军人物的理工学院。
剑桥的汤姆森在1919年时辞去卡文迪许实验室主任职位专心自己的科研。他过去的学生卢瑟福众望所归，成为那个实验室的第三任主管。他在曼切斯特大学的教授席位则由卡文迪许实验室的新星布拉格接任。虽然还未到而立之年，作为诺贝尔奖获得者的布拉格显然当之无愧。他在曼切斯特建立起自己的实验室，遵从与父亲达成的君子协定集中精力进行无机物的X射线衍射实验。
由于晶体制备和数据分析等技术性困难，X射线衍射实验在初始的轰动之后举步维艰，难以按部就班地解析出更多矿物质的结构。布拉格只好另辟蹊径，将各种元素的已知化学键长度、角度参数列表整理。它们相当于已知大小、形状的路易斯立方块，可以用来搭建更复杂的晶体结构。那本是布拉格的专属自留地，他却发现美国的鲍林竟然在他之前发表更为全面、实用的晶体分析方法。大惊之下，布拉格也将鲍林创立的法则誉之为“矿物化学的基本原则”6。
鲍林当然也是X射线衍射实验的行家。但他能够后来居上超越行业祖师爷却得益于他所积累的化学知识。与布拉格及其他物理学家相比，他更能够熟谙地洞察晶体结构，找出符合化学规律的捷径。
正如碳既可以是坚硬的金刚石也可以是柔软的石墨，鲍林体会到物体的性质不仅来自其成分，还会——甚至更会——取决于其结构。无论是直接由原子堆砌而成的晶体还是原子以化学键相连而成的大分子，它们具体的内在结构至关重要。在海特勒和伦敦证明薛定谔方程可以完整、精确地描述化学键之后，物理学家纷纷转移战场，无意间为鲍林留下一片专属于他的自留地。
鲍林在构造“矿物化学基本原则”的同时也专注于用薛定谔方程推算更为复杂的化学键。不久，他发表论文声称已经能够从量子力学出发完全解释碳的四价性，解决这个困扰化学界多年的老问题。
无论是在金刚石晶体、苯或其它有机分子以及作为简单无机物的二氧化碳（CO₂）分子中，碳原子都表现出清晰的四价性。但碳和氧也能组成稳定的一氧化碳（CO）。其中一颗碳原子与一颗氧原子单独相连，碳和氧一样表现出二价性。继续运用海森堡的“交换”概念，鲍林使用一系列独到的近似手段后发现碳原子薛定谔方程的解中的确同时存在有四价和二价的状态。
以量子力学计算分子结构的“量子化学”（quantum chemistry）由海特勒和伦敦的突破而始，又在鲍林手中开始成为一门专业的学科。鲍林也不再是几年前那位拿着自制的木棍电线模型向索末菲解释碳原子四价性的少不更事研究生。他在短短几年内已经不负诺伊斯的厚望，成为加州理工学院耀眼的新星。
1918年11月11日，第一次世界大战实现全线停火。虽然那时德国左支右绌败像已露，大战的结束依然到来得相当突兀。在那同时，另一个死神正在悄悄地蔓延全球。所谓的“西班牙流感”7已经流行了近两年。在1918年夏天开始的“第二波”尤其凶险，其对军队战斗力的大举削弱可能是促成停火的重要因素之一。那场瘟疫造成几千万人死亡，与同时发生的战争有过之而无不及8。
瘟疫是马尔萨斯理论中能够抑制人口数量急剧增长的重大灾难之一。它在历史上时常发生，动辄会夺去几万、几十万甚至上亿人口的性命，留下诸如“黑死病”这样的恐怖名称和传说。因为蔓延速度很快，欧洲人曾经相信瘟疫借助有毒气体9——类似中国传统中的“瘴气”——传播，防不胜防。
直到1854年的夏天。当霍乱又一次在伦敦爆发时，当地医生斯诺细致地调查病例出现的时间地点，用统计手法将病源锁定在一条街口的共用水井。他认为霍乱其实是通过被污染的饮用水传播，说服官员拆除抽水井的手柄使其无法使用，促成疫情的好转。
四年后，年仅45岁的斯诺医生在伦敦的大恶臭之年气温最高的那一天去世。他的观点还没能得到广泛接受。即使有德高望重的法拉第亲自调查、披露泰晤士河污染的严重性，英国议会在治理议案的辩论中仍然陷于无作为的扯皮。医学专家依然普遍相信传染病源于瘴气。
直到整整30年后，德国医生科赫通过解剖病体发现导致霍乱的细菌，并在发病区的饮用水中追溯到这种霍乱弧菌的踪迹。斯诺的科学调查方法才赢得公认，被誉为现代流行病学（epidemiology）创始人。
细菌是列文虎克当年在显微镜下看到的微生物。它们不仅能将淀粉发酵成美酒、让酒衰变为酸，也在19世纪后期被确认为传染病的罪魁祸首。在发现霍乱弧菌之前，科赫已经在1882年发现肺结核病菌，为此获得1905年的诺贝尔生理学或医学奖。他的助手佩特里（Julius Petri）还发明以他命名的培养皿（petri dish），可以在实验室里直接观察细菌在有营养环境中的急剧繁殖过程，寻找对付它们的药品。
但细菌也不是唯一的致病因素。在更早的1798年，英国医生詹纳（Edward Jenner）通过观察和实验发现让人类主动感染奶牛中常见的传染病天花可以增强人的免疫力，避免更为严重的人类天花。他因此发明了疫苗接种的预防传染病方法，成为免疫学（immunology）之父。其后，法国的巴斯德又陆续发现预防炭疽病（anthrax）、狂犬病（rabies）等传染病的疫苗。
炭疽病由细菌引起。巴斯德是用实验室中培育的毒性不高的细菌制作疫苗，激发人体免疫力。但在天花和狂犬病中，他一直没能找到致病的细菌，只能采集病体材料，用实验手段减低其致病能力后作为疫苗使用。巴斯德猜测这些材料中含有比细菌更小而不可见的致病毒物。这个猜测在他去世之后被证实，其中的致病毒物被直接命名为“病毒”（virus）。
当1918年的瘟疫席卷全球时，科学家已经有足够知识和经验了解疫情的性质。源于病毒的流感传播很快，但更为致命的是随流感并发的肺炎。其罪魁祸首是一种叫做“肺炎球菌”（pneumococci）的细菌。科赫的另一位助手纽菲尔德（Fred Neufeld）辨认出肺炎球菌存在着三种不同的类型，为医生对症下药提供有效的指导。在那之后，第四种类型的肺炎球菌又在美国被发现。
对流感、肺炎的监控和研究没有随着那场大流行结束而终止，只是逐渐淡出大众视野。在伦敦一所不起眼的病理实验室里，英国卫生部雇员格里菲斯（Frederick Griffith）的职责就是测试各地源源不断送来的病例标本。他的专长是像斯诺医生那样追踪肺炎、猩红热、肺结核等传染病的发生和传播。格里菲斯个性孤僻，没有社交生活。即使在工作中他也几乎从不发表科学论文、参加学术会议，只是埋头测试样本，寻找传染病的新迹象。
1927年时，他偶然发现有些肺炎病人体内同时存在不同类型的肺炎球菌，意味着病人同时被不同类型的肺炎传染。那是极其罕见的小几率事件。在看到更多这样的病例后，格里菲斯意识到另一个可能性：肺炎球菌的类型不恒定，可以互相演变。这个想法异乎寻常，因为从来没有发现过细菌改变自身类型的证据。
格里菲斯早先已经发现每种类型的肺炎球菌都有着两个变种，可以在显微镜下辨别。其一表面很光滑，另一种则相当粗糙。具备毒性（virulent）、能导致肺炎和死亡的只是光滑的球菌。表面粗糙的细菌对生物体完全无害（nonvirulent）。根据免疫学，他推测细菌光滑的表面可以抵抗宿主免疫系统的反击而成功致病。
借助这个变种区别，格里菲斯专门设计了一个实验。当他为老鼠注射表面光滑的球菌时，老鼠很快得肺炎死去。而注射表面粗糙的球菌时，老鼠安然无恙。细菌也能被高温杀死。那正是巴斯德为牛奶、果汁保鲜发明的巴斯德消毒法。如果将高温处理过的光滑球菌注射进老鼠体内，老鼠也同样地平安无事。然后，格里菲斯将粗糙球菌和被高温杀死后的光滑球菌混合在一起为老鼠注射。他看到相当一部分老鼠得肺炎死去——尽管他注射的只是两种不具毒性的细菌。
格里菲斯在死去的老鼠体内发现具活性的光滑球菌存在。因为被高温杀死的光滑球菌不可能复活，他认为这些活着的光滑球菌来自粗糙球菌。它们在死去的光滑球菌帮助下摇身一变，长出光滑的表面躲过老鼠的免疫系统而致其于死地。
进一步，格里菲斯将属于II型的粗糙球菌与被高温杀死的I型光滑球菌混合注射，看到老鼠体内存活着的是I型的光滑球菌。这说明原来的II型球菌的确脱胎换骨，转变成了I型。这样出现的I型光滑球菌繁殖的后代也都是同样光滑的I型球菌，说明这一转变不只是一时的“伪装”。与穆勒用X射线照射过的果蝇一样，变型的细菌也能将它们后天获得的性状遗传给自己的后代。
这是一个彻底颠覆细菌学说的结论。格里菲斯破天荒地发表了一篇论文。被杀死后的细节不再有“活力”，只是一堆化学物。但那其中有某种化学成分可以让其它细菌改变“身份”。他还指出如果用更高的温度处理光滑球菌，不仅会杀死细菌也能使其失去这一“转型”能力。显然，细菌其中那能够传递生命信息的化合物被极高温破坏了。格里菲斯无法猜测这神秘的使者会是什么化合物。
没有人相信他这个结果。他的同事们三缄其口，唯恐无意损害这个老好人的声望。只有纽菲尔德在访问格里菲斯实验室后回柏林重复了这个实验，证明格里菲斯所言不虚。纽菲尔德那时担任着科赫研究所的主任，一言九鼎。但他也没能让更多人接受格里菲斯的结论。
一年多后，又一篇学术论文在美国发表，再度证实格里菲斯的不寻常结果。这篇在1929年发表的论文有点不同寻常。因为它来自遥远的中国，作者是一位在北平协和医院工作的美国医生。
（待续）
泡利要等到1945年才因为这一发现获得诺贝尔物理奖。
这里描述的电子云都是能量最低的“基态”情形。
稍后，在美国哥伦比亚大学攻读博士学位的中国留学生王守竞也独立地完成相似的计算。
the cardinal principle of mineral chemistry
Spanish flu；因为欧洲大多数国家在战争中实行新闻管制，只有未参战的西班牙首先报道了疫情，故得名。
无论是瘟疫还是战争，死亡人数的估计有着非常大的不确定性。
miasma