路易斯(G. N. Lewis)：44次被提名诺贝尔奖的伟大化学家

途次早行客

1. 前言

再过几天，就是自己入职两年的纪念日。这学期第一次上本科生的《有机化学》和研究生的《现代有机合成》, 课堂上的每个化合物，每步化学反应，几乎都离不开Lewis的理论。翻开每本《有机化学》的教科书，第一章都绕不开Lewis电子结构。学生们也似乎开始慢慢习惯了元素符号上头的两个小黑点和碳的四个价键……回想起来，自己学习有机化学也十六年头了，只是至今依然觉得还未入门。Lewis(路易斯)这个名字，对于每个学习化学的学生，大概就像初学经典物理的学生眼里的牛顿吧。读博士的时候(2010年附近)，记得在《Angew. Chem. Int. Ed.》上的一篇assay里读到了Lewis传奇故事，后来又陆续读了一些关于Lewis本人的传记和评论文章，而且也引发了自己对人生和世事的思考。一直都想为此写点什么，十年快要过去了，希望可以如愿。

2. Lewis的生平与学术经历

1875年, 路易斯(Lewis)生于美国马萨诸塞州的一个律师家庭。三岁时，他已经在智力上有非凡表现，在家跟随父母学习。9岁那年，他随家人搬到了内布拉斯加州的林肯市；14岁在大学预科学校接受了正式学校教育。在内布拉斯加大学(Universityof Nebraska)呆了两年后， Lewis转到哈佛大学，18岁那年获得哈佛大学学士学位。
Lewis少年时代才华横溢，后面的博士和博士后老板也都是化学圈里响当当的炸药奖得主。例如，他在哈佛大学的博士导师T. W.Richards就是1914年诺贝尔化学奖得主，测定了大量化学元素的原子量。Lewis在德国博士后期间，先在哥廷根跟随1920年诺贝尔化学奖得主Walther Nernst (此人提出了著名的热力学第三定律)。后来在莱比锡又跟随1909年诺贝尔化学奖得主Wilhelm Ostwald(在研究催化、化学平衡和化学反应率领域功绩卓著)。这样显赫的名门背景，应该为今后的光辉路途铺平了道路吧。
有些遗憾的是，Lewis在Nernst的实验室做博后时，与Nernst建立了终生的“仇恨”，我们无法知道太多的细节。事实却是，在随后的几年中Lewis多次批评甚至谴责他的导师Nernst，称其有关热定理的工作是“化学史上令人遗憾的一幕”。离开Nernst实验室后，26岁的Lewis回到哈佛大学，担任热力学和电化学讲师。 几年之后，Lewis加入麻省理工学院(MIT), 四年内完成了助理教授→副教授→正教授的跃迁，释放出了超出常人的能量。
1912年，37岁的Lewis离开了麻省理工学院，受聘为加州大学伯克利分校物理化学教授、化学系主任。在此期间，Lewis指导并影响了许多后来的诺贝尔奖获得者，包括哈Harold Urey(1934年诺贝尔奖，因发现重氢)， William F. Giauque (1949年诺贝尔奖，对物质在接近绝对零度时表现出的性质的研究)， Glenn T. Seaborg (1951年诺贝尔奖，超铀元素方面的杰出贡献)，Willard Libby (1960年诺贝尔奖，发明了放射性碳定年法)， Melvin (1961年诺贝尔奖，阐明光合作用机理)等。在他的努力下，伯克利化学系成为了世界上最顶尖的化学研究中心。1913年，他当选为美国国家科学院院士。
1946年3月23日午后，71岁的Lewis 被发现死在自己的实验室里，死因众说纷纭。不管怎样，化学界的一颗巨星就这样陨落了，令无数人挽额嘘唏。很多人认为，Lewis在化学领域任何一方面的贡献可以让他问鼎诺奖，包括: (1) 化学热力学的定量化; (2) 共价键理论；(3) 酸碱电子理论；(4) 同位素氘的分离及研究；(5) 磷光和三线态的研究。此外，Lewis还最早发明了光子(photon)这一术语及概念、最早合成了高纯度的重水(D2O)、最早发现了四原子的氧(O4)、他在1908年还用不同于爱因斯坦的方法推导出了质能方程，在狭义相对论中做出了重要贡献。

3. 多次错失诺奖

Lewis被公认为是20世纪美国乃至全世界最伟大的科学家之一、获得了许多重要荣誉。遗憾的是，44次被提名诺奖之后，依然未能如愿。 Jensen在《Lewis错失诺奖之谜》一文中披露了Lewis先后在上述几个方面无缘诺奖的一些细节。
1899—1920年间，Lewis和许多合作者一起成功地获得了大量可靠的热力学自由能和熵的数据，他研究了理想稀溶液的依数性(colligativeproperties), 引入了活度(activity)和逸度(fugacity)的概念，特别是最早通过引入离子强度的概念解释了强电解质溶液的一些反常行为。在热力学方面的研究是Lewis最引以为豪的工作。最终没能因此获奖，Lewis当然忿忿不平、耿耿于怀。
1924年，物理化学领域大牛、1903年诺奖得主Arrhenius（那个著名的阿伦尼乌斯方程的发明人）赞扬Lewis在热力学方面的工作“仔细、系统”，但他认为它不涉及任何“新发现或发明”，只是“引用了长期以来该领域的工作人员都知道的原理”……这让Lewis情何以堪？
Theodor Svedberg与Arrhenius不同，他完全承认Lewis离子强度概念的重要性，指出其对阐明能斯特热力学第三定律含义中的作用。不过，他（富有策略性地？）指出：“Lewis在化学亲和力方面的研究工作非常重要，值得荣获诺贝尔化学奖”，但是他感到“仍然有一些未回答，未来的工作需要澄清的问题后才能得出结论”，“建议推迟几年再给Lewis颁奖。”当然了，Lewis再也没有完成“未来的工作”——1923年，随着Lewis的专著出版，他再也没有从事热力学方面的研究。值得注意的是，在Svedberg提交报告建议推迟Lewis诺奖的同一年，他正在与Lewis竞争诺贝尔化学奖；也正是这一年，Svedberg因其在胶体化学方面的工作而获奖！！！Lewis的心灵应该又一次受到了巨大的创伤。
1932–1934年间，瑞典电化学家Wilhelm Palmaer (据说，他本人只是对Lewis的工作做了一些修补)的负面评价对剥夺Lewis的诺奖也很关键, 作为Nernst的密友，见到Lewis这样挑战自己的博后老板，能不乘机报复或者教训一下Lewis吗？
上面的评价今天看起来是极不公正的，但是Lewis的最重要的一次机会却十分遗憾地丢失了。
1924—1934年间，Lewis的电子对价键理论也被考虑过授予诺奖。Lewis在1916年的一篇论文中提出：原子之间共用电子对形成了化学键，在描述烃类及其衍生物化学中比极性离子键要合理的多。他还指出离子键是原子之间极性共价键“共享电子对”不均衡性逐渐升级的结果，共享电子深刻影响着分子的活性和磁性……这些常识，均已写入了现代化学教科书。只可惜，Lewis的第二个诺奖愿望还是垂空。
1924年，Arrhenius，没错，又是阿伦尼乌斯，在向诺贝尔委员会提交的报告中说:“Lewis的电子对键理论是无关紧要的；而且大部分是由Langmuir完成的，它与Bohr理论相悖，而后者可能是正确的”。1919—1921年期间, Langmuir就Lewis的理论作了广泛的论述，他一直非常谨慎地将基本概念归功于Lewis。不幸的是其他人可没那么谨慎，许多人开始称之为Lewis-Langmuir理论，尤其是在英国，甚至直接称之为Langmuir理论！那段时间，Lewis正在军中服役参加第一次世界大战，哪来时间详细来阐述他的理论啊！！显然，他对Langmuir的入侵他认为是个人的领域十分不满，也因此造就了自己半辈子的学术宿敌。至于Bohr的原子理论，用来解释光谱还可以，但对于化学键的模型，真是毫无价值啊！！看来，这位Arrhenius显然是要不遗余力地置Lewis于死地。至于其良苦用心，已无证可考。
1932年，诺贝尔委员会又让Theodor Svedberg准备报告推荐 Lewis的价键理论，虽然他没有重复Arrhenius的早期评论中的错误和曲解，他还是得出这样的结论：“Lewis的价键理论还没有、也不会产生诺贝尔奖应该产生的对化学发展的驱动力……”，Svedberg认为，未来会在光谱学和量子力学领域。诺贝尔委员会还委托Ludwig Ramberg教授准备另一份评价报告，这位化学家就更有意思了:“从教学的角度讲，Lewis的理论无可否认地拥有很多优势，也许主要是在初级水平上。”也不知道Lewis本人该如何面对这样的评论，但学术界的傲慢与偏见从来也就是这样。
同一种元素的原子核有相同数目的质子数，但质量数会因为中子数的不同而不同，就是同位素。虽然同位素(isotope)的概念是放射性衰变定律的必然结果，而且对于非放射性元素，Aston的研究在一战快结束的时候已经提供了实验证据。直到1932年， Lewis的早期的博士生Harold Urey在哥伦比亚大学宣布发现氢同位素氘，质量数为2。Urey通过液态氢的分馏富集，最终通过质谱发现了重氢(氘)。
几个月后，Lewis设计了通过分级电解水的实验，制备了大量同位素氘样品。在接下来的16个月中，他将发表了26篇描述同位素氘的化学、物理和生物学特性的通讯论文。他还慷慨地将氘的样品提供给其他人研究人员用以各种研究。几乎一夜之间，这些行动使Lewis一下成为了同位素氘的权威。这是不是很像今天的学术竞赛：一旦A有某重大发现，然后很快就会被动作极快的B甚至C、D迅速跟进，并最终占领该领域。
这次Svedberg的推荐报告写道：“在发现氘的可能奖项上，Lewis应该与Urey分享”，看来Lewis机会来了！！可是，但是，几个月之后，不知发生了什么诡异，Svedberg倒戈：他又改变了自己的观点。那时候，其他实验室已经开始分离大量氘同位素，包括Urey在哥伦比亚的实验室。这样一来，Lewis的工作慢慢开始看起来更像基于发表速度的东西而不是具有技术的独特性。再一次，这是一个奇怪的评价，因为同样可以说几乎所有的实验化学研究——如果一项工作A今天还没有完成，那么B最终将在明天完成！！
基于这一重新评价，1934年的诺贝尔奖被单独授了Urey，表彰他发现重氢。有传闻说当时Lewis正信心满满地准备庆祝分享获奖的喜悦呢，只是天不遂人愿。旁人见到的事实却是：Lewis跟他之前的博士Urey的私人关系开始变得冰冷、糟糕。
Lewis的最后研究涉及到有机化合物中的颜色，尤其是与磷光(Phosphorescence) 和三线态(triplet tate)的本质。 1944年，诺贝尔委员会成员、瑞典Uppsala大学有机化学教授Arne Fredga就此撰写推荐报告。尽管Fredga认为：Lewis的使用 刚性玻璃以捕获反应中间体并激发的确非常巧妙，但他仍然感到 “具有决定性意义的的结果似乎尚未获得……”。导致委员会得出结论：“希望等待该领域的进一步发展，暂不考虑准备将诺奖授予Lewis”。 这个评价在当时，也许是公平的。 Lewis的最后一个研究生Kasha参与了这项工作， Lewis的解释在磷光中的作用最初遭到几位知名人士包括JamesFranck、 Edward Teller在内的物理学家的反对，直到1958年才被电子顺磁共振(ESR)完全证实。只可惜此时，Lewis已经去世十多年。
1946年3月23日下午， Lewis的学生Michael Kasha在实验室的地板上发现了Lewis的尸体，71岁的老人躺在充满剧毒HCN气体的实验室里。 谣言迅速传播到化学系，伯克利认为Lewis自杀了。然而， 验尸表明他死于冠心病，并没有吸入氰化物的迹象。 Lewis一直在真空线旁边使用HCN，旨在研究高介电常数对染料的吸收光谱的影响。Kasha认为，Lewis刚好在将杜瓦瓶从盛有液态HCN容器外围撤出时心脏病发作。无人看管的液态HCN挥发并产生压力将密封管吹离真空管管线，从而使实验室充满HCN气体。 据Kasha回忆，那天早上，Lewis还一直很乐观地谈论关于未来研究的想法 。从午餐回来后的下午，他似乎退缩了，心情显得很郁闷。 很久以后，Kasha才回想起那天的午餐嘉宾是Erving Langmuir……他相信，这次二人的相遇，开始让Lewis沉迷于他的想象失败。毕竟，Langmuir——这位自己竞争了N年的学术宿敌，在1932年因为胶体和表面化学研究获得诺贝尔化学奖，并且由此产生的压力可能反过来导致了他致命的心脏病发作。

4. 后记

化学动力学的先驱者、酵素物理化学领域的权威K. Laidler教授曾经半开玩笑地说：“没有获得诺奖让你获得荣耀的陪伴，门捷列夫、玻尔兹曼，他们都没有获得诺奖……(Not towin a Nobel prize puts one in excellent company. Neither Dmitri Mendeleev nor LudwigBoltzmann won a Prize) ……” 只是，Lewis，在他的内心深处，可能并没有真正感受到这份“荣耀的陪伴”。
七十多年过去了，Lewis的名字跟门捷列夫、玻尔兹曼一起写进了每一本化学教科书。读完Lewis的故事，还有那么多让人充满想象的细节。本来已经是功成名就的伟人，科学的英雄，但他也会忍受不公和"屈辱”，也不能放下嫉妒、愤怒和所谓实现自我的正义感和优越感。想象一下他逝去的那个早春的午后，西风依旧，乍暖还寒。那场景，用纳兰性德的一曲《浣溪沙》来纪念吧：

谁念西风独自凉，
萧萧黄叶闭疏窗，
沉思往事立残阳。
被酒莫惊春睡重，
赌书消得泼茶香，
当时只道是寻常。

何尝不是呢，“当时只道是寻常”，也许早一点感悟到寻常，就不会有内心的某种孤凉。

5.参考文献

1. K. Laidler, “Lessons from the History ofChemistry,” Acc. Chem. Res., 1995, 28, 187-192.
2. P. Coffey, Cathedrals of Science: The Personalitiesand Rivalries that Made Modern Science, Oxford University Press: New York, NY,2008, pp. 192-207, 217-221, 298-304, 322.
3. G. T. Seaborg, “The Research Style of Gilbert N.Lewis: Acids and Bases,” J. Chem. Educ., 1984,
4. William B. Jensen，”The Mystery of G. N. Lewis’s Missing Nobel Prize.”
5. EdwardS. Lewis, A Biography of DistinguishedScientist Gilbert Newton Lewis; TheEdward Mellen Press: Lewiston, NY, 1998.