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鲍林很快就决定不去哈佛。但是在回绝哈佛的提议之前，他利用这个机会得到了另一样东西：和路易斯密切合作的机会。几天后他东巡归来，在他的请求之下，理工学院校务委员会批准他每学年至少有一个月的时间可以离校，“以便在加利福尼亚大学或其他地方举办讲座或者研讨会”，而且每隔一年可延长到一个学期——另外每年可以报销500美元的差旅费。第二天，鲍林拒绝了哈佛的提议，然后给路易斯写了一封信：“在作出留在理工学院的决定中，时常到伯克利来的可能性也起了一定的作用，您对于此事的观点也许同样如此。不管怎样，我的内心已经恢复了平静。”
鲍林并不是唯一一位受到垂青的青年教授。另一位是奥本海默，鲍林在慕尼黑遇到过的年轻的美国物理学家。1928年，密立根说服奥本海默一年中用一部分时间在加州理工学院教授物理，其余的时间在伯克利，和鲍林的做法差不多。
奥本海默立刻给帕萨迪纳的人们留下了美好的印象。他身材瘦长，看上去简直弱不经风，大大的眼睛分得很开，一头浓密的黑发。他外表迷人，天资聪慧。尽管在纽约长大，他却像一个来自欧洲的波希米亚人，充满诗情，酷爱抽烟，喜欢引用晦涩的文学和哲学。他唯一的缺点是上不好课，吐字含糊，烟灰乱飞，讲课内容艰深难懂，黑板上写满歪歪斜斜、难以辨认的公式。尽管如此，他很快就吸引了一批虔诚的信徒，一些西海岸最出色的学生。他们透过外在的晦涩看到了新物理的真谛，开始年复一年地在帕萨迪纳和伯克利之间追随他的足迹。他也被恶意的传闻追逐着，而他看来懒得申辩。这些谣言暗示他很放纵——可能是同性恋——而且政治观点偏激。
鲍林和爱娃发现他诙谐、有趣，在沉闷的理工学院教师中令人精神一振。年龄相仿，年轻有为，又前途无量，鲍林和这位青年物理学家很快就成了至交。他们一起吃晚饭，一起说笑话，谈论欧洲的物理，还对加州理工学院和伯克利的教授们品头论足。奥本海默请教鲍林如何讲好课，而鲍林找他谈论量子力学。两人开始考虑联手攻克化学键的问题，由奥本海默负责数学，鲍林提供化学背景知识。
也许他们的交往发展得过快，过于亲密了，鲍林渐渐觉得有些不大对劲。奥本海默不光彩用了一些鲍林的授课风格；他开始在校园中戴起一顶老式呢帽，与鲍林的那顶几乎一模一样。他开始向鲍林赠送礼物，有时候是一样小礼物，诸如一枚漂亮的戒指，有时候是很奢侈的礼物，如奥本海默少年时收集的大量矿物，这是最早激发奥本海默科学兴趣的晶体宝藏，其中有一千种精致的样品，包括鲍林特别感兴趣的方解石。还有就是奥本海默赠给鲍林的诗词，鲍林发现这些诗作晦涩难懂，令人心烦，字里行间夹杂着矿物学、但丁和鸡奸的典故。鲍林从未经历过这样的友谊。
爱娃也同样如此。她非常喜欢奥本海默，乐于和他交谈，向他抛抛媚眼，就像她在社交场合对每个人做的那样。大概是她有些过分了，弄得奥本海默有些神魂颠倒。也许他觉得爱娃对他的兴趣已经超出了普通的友谊。不管是什么原因，事情变得有些出格。1929年的一天，当鲍林在学校的时候，奥本海默突然来到爱娃家，笨拙地邀请她到墨西哥去幽会。爱娃目瞪口呆之余感到一丝窃喜。她对奥本海默说，不行，当然不行，她已经结婚了，而且相当严肃认真。那天晚上，她一五一十地告诉了鲍林。“我觉得她对自己的诱惑力有些洋洋自得，”鲍林说。看见爱娃如此得意，鲍林立即断绝了与奥本海默的来往，结束了两人在化学键问题上的合作。从此，两人之间一直保持着一种冷淡的对立。
多年以后，爱娃对自己的丈夫说：“你知道，我并不觉得奥本海默爱上的是我。我认为他爱上的是你。”低头沉思了一会儿，鲍林想她可能是对的。
失去了奥本海默，鲍林只有靠自己来寻求碳四面体化学键的数学表达式了。解决这一问题的途径——所有运用量子力学来解决多原子系统的必由之路——是在波动方程中找到一些捷径，简化一些条件，以降低数学的复杂程度，这样才能将研究工作继续下去而又不至于使结果产生太大的失真。鲍林一次又一次地试图在数学迷宫中杀出一条道路，却毫无进展。
1929年末，由于在化学键问题上一筹莫展，鲍林决定回到欧洲，拜访在慕尼黑的老朋友们，参观晶体学实验室，并在化学键研究上听取一些建议。在他的古根海姆研究基金的申请被拒绝之后，他从加州理工学院获得了必要的旅行费用。
1930年5月，他和爱娃踏上了英国的土地。这回他们带上了5岁的小莱纳斯，出发前往他们科学访问的第一站，X射线晶体学的世界最著名的中心，劳伦斯·布拉格的曼彻斯特实验室。
鲍林对他与布拉格的初次会面寄予了极大的希望。在鲍林规则发表之后，他们之间的书信往来十分诚恳，甚至充满了热忱。布拉格写道：“你的方法显然引导你找到了理想的结构！……我确实非常欣赏你研究这类配位化合物的方法。”而鲍林也一反常态，信中的口气非常谦恭：“我的夫人和我经常念及您。我们最大的一个梦想是来曼彻斯特拜访您。”
然而他们到达曼彻斯特之后，这一梦想变了味。尽管布拉格在招待上尽心尽力——专门为他们准备了一个单元，找了一个女佣，并安排照料小莱纳斯——但保持着学术上的距离。令鲍林惊讶的是，在曼彻斯特的几个星期中，布拉格从不与他谈论研究的事情，他也没有受邀请就他的工作举办一个研讨会，而在加州理工学院对任何来访的教授这已经成了一个常规。“我和布拉格毫无接触，”鲍林说，同时还把他的曼彻斯特之行归结为“大失所望”。尽管对受到冷落大惑不解，鲍林仍试图摆脱自己的不快，把这主要归咎为布拉格繁忙的日程安排。
但是，后来他从别的科学家那里听说，尽管布拉格在信中对他非常客气，他把这个美国年轻人视为自己科学领地内不受欢迎的偷猎者。布拉格在自认为是自己的游戏中被打败了，他对此耿耿于怀。鲍林后来写道：“我当时并不知晓，实际上在以后的很多年里都没有想到布拉格把我看作是他的竞争对手。”而且实际情况还不止于此。布拉格的个人忧虑和巨大的工作压力使他濒临一个临界点。鲍林走后几个月，他就经受了一次精神崩溃。如果他疏远了鲍林的话，那部分原因是由于他正和自己进行着激烈的竞争。
不管是何种原因，初次见面给他俩今后的关系蒙上了一层阴影。在鲍林回到美国之后，两人的通信急剧减少。在余下的时间里，鲍林和布拉格之间的关系与其说是亲密的同行，不如说是互相仰慕的对手。
然而并不是所有的英国科学家都是像布拉格一样接待鲍林的。天性活泼的英国晶体学家约翰·戴斯蒙得·伯纳尔请他到剑桥就晶体中分子的旋转运动举行一个研讨会，这多少给鲍林受伤的感情一点慰藉。接着鲍林夫妇来到了德国，鲍林高兴地拜访了朋友们，并了解了最新的研究进展情况。他在慕尼黑停留了差不多三个月，试图要简化量子力学来解释化学键。他从索末菲那里得到了一些帮助，但是没有什么大的突破。
然而，他在其他方面作出了一个重大发现。他去路得维希港，一个距慕尼黑几个小时火车车程的城市，拜访了赫尔曼·马克，鲍林在第一次来到慕尼黑时曾经碰到过这位维也纳化学家。作为一名晶体学家，马克赢得了相当的声誉——他的工作包括一些对有机分子的初步研究——而且他在很年轻的时候就被德国工业巨头染料化学公司力邀去主持聚合物和胶片领域的研究工作，包括对大有商业前景的塑料制品与合成橡胶的早期研究。染料公司对马克有求必应。在鲍林来访时，一尘不染、工作高效的路得维希港实验室号称拥有欧洲大陆上最先进X射线衍射装置。但是鲍林此番来访的最大发现却与X射线无关。当他们在参观实验室设备时，马克告诉鲍林，他的一位助手，一个叫做维尔的年轻人，创造出一种在真空管内将一束电子射过一股气体的方法。维尔发现，气体的分子能够使电子发生衍射，形成同心圆的图谱，而图谱的密度和相对位置与分子中原子的距离有关。这个“电子衍射”仪对马克而言是一种有趣的娱乐，不过它只能用于那些能在室温下以气态形式存在的较小的分子，而他的实验室目前的重点是巨型聚合物。而且染料公司对电子衍射也毫无兴趣，因为照马克的说法，“这东西赚不了钱。”
然而这一发现令鲍林激动万分。在很长一段时间里，鲍林一直在寻找一种研究单个分子结构的方法，而无需为它们形成晶体的复杂方式所烦恼。马克和维尔的装置可以对气体中的单个分子进行分析，而不是许多分子聚集在一起的较大的结构单位，这样在计算结构时就去除了一层复杂性。由于电子衍射照片的曝光时间只有零点几秒——而不像X射线晶体学有时所需的几个小时——结构研究的对象可以扩展到不稳定的物质，特别是很难形成晶体形式的小分子有机化合物。鲍林说：“这一发现实在太重要了，我难以抑制自己的激动，我对马克也这样说了——我意识到，在相当短的一段时间里，也许十年，我们可以获得许多不同分子的键长和键角的知识。”马克对这一装置给鲍林造成的印象有些惊讶，他给鲍林提供了一整套有关建造这一装置的计划，并预祝鲍林成功。
鲍林于1930年秋天一回到帕萨迪纳，就让一名新的研究生劳伦斯·布罗克威建造一台电子衍射仪。过了两年，这台机器才开始正常运转，但是后来它成了鲍林实验室的一匹快马，同时也是加州理工学院最重要的一个科研工具。在它启用后的25年中，鲍林和他的学生和同事们用它弄清楚了225种分子的结构。
“飘飘欲仙”
1930年秋天鲍林回到了家，重新开始对四面体碳原子问题进行研究。他的欧洲之行并没有取得很大的成果，但是他回国后却有了重要的发现。
那年，一个名叫约翰·斯莱特的青年美国物理学家发现，对薛定谔波动方程作一巧妙的简化，就可以较好地描述碳原子的四个成键电子。在斯莱特研究的激励之下，鲍林拿起了笔，又一次开始热切地计算。为了符合化学家的碳原子四面体的现实，需要打破物理学家的两个电子亚层，并将其合并成一个新的等价形式。关键问题是找到波函数合适的数学近似，只有通过这一捷径才可能将亚层的波函数结合成可以求解的方程。
然而，鲍林在秋高气爽的环境中苦苦工作了几个星期，却没有找到一条行得通的捷径。然后，在1930年12月的一个夜晚，鲍林坐在书房的书桌前，又尝试了一种近似。这回在试图合并两个电子亚层的波函数时，他忽略了被数学家称为径向函数的部分，斯莱特在论文中曾经提及这种简化可能会奏效。在去除了这一层复杂性之后，鲍林惊奇地发现“从数学上来讲，这一问题变得相当简单”——至少对受过索末菲培训的量子物理学家来说是非常简