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卷一、念家山破 九、抱琴于野有知音

重生之大科学家?|?作者:何事公?|?更新时间:2019-08-19 04:52:44
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  公元1898年12月31日,农历光绪二十四年十一月十九日,京师大学堂开学。第一批原计划招生500人,因为戊戌变法失败,许多人都噤若寒蝉,所以招生工作进行得并不顺利,据之后一两年的文献记载,实际上仕学院学生27人,中学生151人,小学生17人,又附课学生43人,合仕学、中学、小学、附课生只有230余人。比崇实中学的学生多不了多少。但它却是中国近现代第一所国立大学,是当代北京大学、北京师范大学等着名学府的前身。

  在开学那一天,孙元起作为学校第一批教习,有幸随着中文总教习许景澄、西文总教习丁韪良等参加典礼。之后,大学堂并没有立即开课,毕竟各省选送的学生还没有到齐,相关的准备工作还在缓慢的进行。不过这些都不是孙元起所关心的。孙元起给了老佟几十两银子,嘱咐他准备好送给卢瑟福、Thomas的礼物。剩余的钱,每日里买点食物送来。这段时间,孙元起一直躲在屋里写稿子。

  那天,卢瑟福的建议确实打动了他,回来权衡良久,决定先写一本简单的小册子,交由卢瑟福带至加拿大,看看能不能有结果。因为卢瑟福打算1月6日动身赴McGill,以便赶上麦吉尔下学期的开学。所以,孙元起的时间就有些紧,只好每日呆在屋里写文稿。

  小册子的名字已经拟好,就叫《从原子、原子结构到元素、元素周期表、分子及化学反应本质》。虽然名字都是与化学有关,其实核心还是原子物理学。事实上,在十九世纪末、二十世纪初,物理和化学并没有太分开,比如作为物理学大牛的卢瑟福,在1908年因对放射化学的研究荣获诺贝尔化学奖。再比如提出电离学说的瑞典天才阿伦尼乌斯,该获物理学奖还是化学奖,也曾让诺贝尔奖评委们产生分歧。在1901年首届诺贝尔奖评选时,他被提名物理学奖,但最终落选。1902年,声名鹊起的他又被提名化学奖,但仍然落选。可作为物理化学的创始人,阿伦尼乌斯的电离学说,在物理和化学两个学科里都具有很重要的作用。无奈之下,化学委员会提出给他“一半物理奖、一半化学奖”,甚至又提出“他获奖问题延期至第二年”。最后,委员会还是把1903年的诺贝尔化学奖给了他。

  1869年,俄国科学家门捷列夫(DmitriMendeleev)发现了元素周期律和元素周期表,他将当时已知的63种元素依原子量大小并以表的形式排列,把有相似化学性质的元素放在同一行,就是元素周期表的雏形。门捷列夫在排列元素周期表的过程中,又大胆指出,当时一些公认的原子量不准确。如那时金的原子量公认为169.2,按此在元素表中,金应排在锇、铱、铂的前面,因为它们被公认的原子量分别为198.6、196.7、196.7,而门捷列夫坚定地认为金应排列在这三种元素的后面,原子量都应重新测定。大家重测的结果,锇为190.9、铱为193.1、铂为195.2,而金是197.2。实践证实了门捷列夫的论断,也证明了周期律的正确性。

  在门捷列夫编制的周期表中,还留有很多空格,这些空格应由尚未发现的元素来填满。门捷列夫从理论上计算出这些尚未发现的元素的最重要性质,断定它们介于邻近元素的性质之间。例如,在锌与砷之间的两个空格中,他预言这两个未知元素的性质分别为类铝和类硅。就在他预言后的四年,法国化学家布阿勃朗用光谱分析法,从门锌矿中发现了镓。实验证明,镓的性质非常象铝,也就是门捷列夫预言的类铝。镓的发现,具有重大的意义,它充分说明元素周期律是自然界的一条客观规律;为以后元素的研究,新元素的探索,新物资、新材料的寻找,提供了一个可遵循的规律。

  门捷列夫排列元素周期表是按照原子量大小来排列,并把相似化学性质的元素放在同一列。这些都是从元素的物理属性(质量)和化学属性(化学性质)来排布,并没有揭露元素之间最本质的差异。孙元起的论文就从这个角度着手。

  论文从孙元起前两篇论文的结论写起,认为原子有原子核和核外电子层组成,因为电子带负电,所以原子核里应该有带正电的其他粒子,它们非常小,却拥有几乎整个原子的质量;它们结构非常稳定,拥有的正电荷数和质量几乎不变;原子核所带正电荷数,决定了该种原子属于何种元素,而原子核所带正电荷数也与原子核的质量——即原子量——存在正关联。

  因为孙元起身边并没有实验器材,只好“设计”了1913年英国物理学家莫塞莱的实验:利用阴极射线撞击金属产生X射线。认为实验结果“应该”是金属的原子序数越大,X射线的频率就越高。因此可以从一个方面证明原子核的正电荷决定了元素的化学性质,原子序数在数量上等于原子核所带的正电荷,进而明确作为周期律的基础不是原子量,而是原子序数。

  这是论文的第一部分,主要讨论原子核与元素之间的关系。

  而论文的第二部分,孙元起则开始讨论原子核外层的电子及其与元素化合物之间的关系。这些主要“剽窃”自物理学界另一位大牛尼尔斯·玻尔(NielsHenrikDavidBohr)的研究成果。

  玻尔(1885—1962)是丹麦着名物理学家,家境良好。1903年进入哥本哈根大数学与自然科学系读书。1906年,还是大学生的玻尔就因对水的表面张力的出色研究工作,荣获丹麦皇家科学院金质奖章。其后,于1909年和1911年以金属电子论方面的论文,分别获得哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位。1911年赴英国剑桥大学,在J·J·汤姆逊的指导下,跟卢瑟福搞科研。1913年,写出了《原子构造和分子构造》(1)(2)(3)三篇论文,提出了定态跃迁的原子模型,即着名的玻尔原子理论。1922年,因对原子结构及原子辐射的研究而获得诺贝尔物理学奖。当然,玻尔关于电子的“跃迁假设”论述,孙元起并不准备在这个小册子中讲明——因为现在普朗克还没有提出能量子假说,或许这是下一篇论文“剽窃”的对象——他只准备说一些粗浅的,就像二十一世纪中学物理、化学课本中所叙述的那样,只有这样,才能吸引全世界科学家和科学爱好者的注意力。

  在这一部分中,主要是论述电子层的“定态假设”:原子核外层电子数应该和原子核正电荷数相符合,但是他们如何排列呢?“根据”门捷列夫的元素周期表,可以“设想”第一层稳态为2个电子,第二层为8个,第三层也是8个,第四、第五层则是18个……原子为了达到稳态,会失去或捕获电子。失去或捕获电子能力的大小,决定元素的化学属性。所谓分子,就是数种元素的原子按照一定方式排布,达到稳态所形成的化合物。而化学反应的本质,也可据此原理来推衍,就是不同的离子组成更稳定的化合物。其后,又并就化学反应方程式、元素化合价等进行讨论和总结。

  阿伦尼乌斯在1883年开始创立电离学说,解释溶液中的元素是如何被电解分离的现象。并在1884年以《电解质的导电性研究》论文申请博士,但他宣读完论文后,教授们“个个怒不可遏”,难以容忍这种“荒谬绝伦”甚至“纯粹是空想”的理论。在同克莱夫“激烈辩论”后,他的论文被评为3级,需要再次答辩。后来,他的电离学说才渐渐被学界所接受,但其只解释了这个现象,并不知道为什么会这样。在孙元起的论文中,给出了最根本的解释。

  论文内容在现代人看来,是非常浅显的,因为这些已经被写入中学课本,被认为是理所当然的。但对于十九世纪末的科学界,却不亚于是晴天霹雳,绝对有振聋发聩的效果。

  孙元起在写的时候,主要精力是放在如何表述得明白却又有理有据,又如何用英文表述。写完之后,自我感觉是:它不像是科学论文,也不像科幻小说,更像是侦探笔录。即便如此,孙元起已经感觉非常满意了。

  就在这时候,卢瑟福已经打点好行李,准备搭乘客轮,穿越太平洋,先到三藩市,然后跨过美国,进入加拿大。孙元起从老佟那里取了礼物,打开一看,却是瓷器、刺绣、红茶之类,也不知道这样的礼物合不合适。旁边的老佟则满脸得意:

  “虽然这是咱第一次给洋鬼子买礼物,我可特意去问了丁韪良丁大人,这些都是他推荐的,一准儿行!瞧着瓷器没?正宗的景德镇官窑,个顶个的精美,绝对不掉咱大清的份儿!洋鬼子拿了,没准儿当做传家宝呢!再瞧瞧这红茶,上品祁红!……”

  孙元起只好赞扬了老佟几句,夸他对大清的“土特产”了如指掌。

  1月5日早上,洗漱完毕之后拿上礼物和写好的小册子,直奔东交民巷的美国公使馆。两份礼物还是很大分量的,所以雇了辆大车。这段日子隔三差五的过来,使馆作为的两国兵丁都混了个面熟,没有为难,就进去了。康格一家和卢瑟福都在,只是Thomas明日就要随着卢瑟福一起到美国,然后回剑桥,康格一家颇为黯然。

  瓷器怕碎,孙元起嘱咐车夫把礼物小心的搬下来。外国人向来有先看礼物的习俗,康格先生和卢瑟福也不例外,在边上观赏礼物,不停地说“Wonderful”“Great”,至于有几分是真心的,那就不知道了。

  等礼物搬完了,到客厅里一起喝咖啡。这时候,孙元起拿出那本新鲜出炉的小册子,递给卢瑟福:“您的建议,使我有动力写出它来,希望您能给出一些建议和批评。”

  卢瑟福接过来,先看封面,题目很长。Thomas也侧过头来看,轻轻的念道:“从原子、原子结构到元素、元素周期表、分子及化学反应本质。”

  卢瑟福笑着说:“从名字上看,它就是一本深奥而有趣的书,不是么?”

  孙元起耸耸肩:“给人感觉,多少类似于《一千零一夜》什么的吧。”

  其实孙元起自己也没有想好到底给小册子起个什么名字,只是内容如此,便有了这书名。西方科学界的论文,往往题目从很小角度入手,比如爱因斯坦在1905年发表的划时代论文,第一篇叫做《关于光的产生和转化的一个启发性观点》。

  小册子中有一百四十页,其中还有大量的论证和图示。在孙元起看来很明白的地方,卢瑟福往往会停下来思考很久。Thomas也在看,偶尔会提出问题两人一起讨论。一个小时过去了,他们还没有看完第一部分。孙元起见他们很专注,也就不再打扰,礼貌地和他们告辞:“我明天早上过来送你们。如果有疑问的话,不妨那时候讨论。”

  第二天,孙元起赶往美国公使馆的时候,康格一家和卢瑟福已经行李绑在车上,卢瑟福见到孙元起,便伸开双臂,大声地说:“York,Congratulations!”

  大清早的,祝贺我什么?孙元起一头雾水。再一想,那肯定是小册子的事情了。无论如何,不能失礼,答了一句:“Thankyou!”

  拥抱之后,卢瑟福介绍说,昨天他和Thomas一起阅读了论文,至少觉得第一部分关于元素周期律的论述是“令人着迷的”。如果实验证明是正确的话,它将改变现在的物理、化学等自然科学的体系。因为它不仅赋予元素周期律以新的说明,并且进一步阐明了周期律的本质,把周期律这一自然法则放在更严格更科学的基础上,是“具有划时代意义的”。

  这时候已经是数九天气,外面天寒地冻的。孙元起裹着棉袍,趿拉着棉鞋,带着瓜皮帽,站在寒风里和卢瑟福、Thomas讨论物理,这个时候才能回忆起自己原来是个物理学的研究生。偶尔看看四周巡逻的鬼佬,远处低矮破败的房屋,再说起十九世纪末最先进的物理,有种变身卡夫卡作品中那只大甲虫的感觉。

  来自西伯利亚的寒风,冻得卢瑟福和Thomas都直跺脚。说了一会儿,看时间也差不多了,连忙把孙元起拉到马车上,放下门帘,直奔火车站。

  清末的时候,北京火车站就在前门,和后世的北京站离得不是很远。从东交民巷到前门,不过半个时辰的时间。这段时间里,三个人一直讨论原子结构与元素之间的关系。这个问题,在二十一世纪是众所周知的。可眼下,少不得要用各种方法来解释。

  本来,孙元起打算把卢瑟福送上火车就可以了。这在二十一世纪,算是完全合乎规范的礼仪。等到了车站,自有佣人看着力夫将行李搬到火车上。然后就见康格一家和卢瑟福都往车上走,然后坐定。孙元起不知道怎么回事,只好跟着往上走。这是,却有站务人员把他拦下来。

  孙元起心想:哦,看来大清国送人,也要买站台票。

  站务却说:“这是洋人专用的车厢,等闲人等不得入内。”

  在新世纪,见惯了“凭证入内,外来人员请登记”那一套,也见识过门口站一圈保安或者武警,不让人进出的场所。眼下,孙元起并没有太生气,打量一下这个站务,是个中国人,年龄不大,估计不到三十岁,黄白面皮,袖着双手,脸上多少有些冷淡。便问道:“这是谁规定的?”

  “这你管不着!”站务一脸爱理不理的样子。

  这时候,卢瑟福见孙元起没有跟上,回过头,却看到他与一个站务在说话,站务一脸的不耐烦。虽然不懂中文,也大致猜到个七**。当下,伸手拉过孙元起就往里走。

  站务一看洋人把孙元起拉进去,忙伸出手,似乎要拉住孙元起,又或者阻止洋人来拉,张大嘴巴“欸——欸……”。但终究没有说话,伸出的手也垂了下去。

  孙元起心想:这是洋人看不起我们,还是我们看不起自己呢?但孙元起终究不愿意在外国人面前说中国人的不是,只好编了个理由说:“我还没有买票呢……”

  “买票?”卢瑟福疑惑地问,“康格知道你要来送我们,早就买好了大家的票。”

  “已经买好了?”

  “是啊,你送我们嘛,一起到天……天津的。”卢瑟福道。

  “去天津……”孙元起无语了,摸摸怀里几十个大钱,心想,只好等下再去麻烦康格先生了。

  卢瑟福没有发现孙元起的异常,继续说道:“刚才我们说到哪儿啦?哈——对了,说到原子核应该由数种粒子组成,其中一种带正电荷,一种是中性的,但质量非常大,几乎占原子重量的绝大多数。这些在你的论文中没有写到,为什么没写呢?你刚刚想到的么?那它是一种推理,还是一种假设,或者说是猜想?”

  “……”
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