重生之大科学家 (何事公)

早在1887年，德国物理学家赫兹第一个观察到用紫光照射的尖端放电特别容易发生，这实际上是光电效应导致的。由于当时还没有电子的概念，所以对其机制不是很清楚。直到1897年，汤姆逊发现了电子，人们才注意到一定频率的光照射在金属表面上时，有大量电子从表面逸出，人们称之为光电效应。1902年，法国物理学家林纳发现了光电效应的四个主要特征：（1）当光照到金属表面时，电子几乎同时发射出来；（2）单位时间逸出的电子数目正比于光的强度；（3）光电子的最大能量和光强无关；（4）对特定金属表面，都分别有非常确定的截止频率（也称为阈频率），入射光的频率必须超过这个截止频率，才能产生电子，否则，不论光强多大，都无电子逸出。

孙元起的论文就从剽窃林纳的发现开始，首先用实验表明光电效应的四个主要特征，并测出几种金属的截止频率。然后说明光电效应的实验规律不能用已有的波动说理论加以解释。经典物理认为，电磁波是一种横波，其能量连续分布在波上。当它照在金属上时，横向电场作用到金属表面的电子上，电子就得到能量。当电子集聚的能量达到一定程度时，电子就能脱离原子的束缚而逸出。电磁波的强度和电场强度的平方成正比，因此，给予电子的能量肯定应当取决于电场强度，所以我们应当期望出射电子的最大能量取决于光强（每秒入射到单位面积的能量），而和频率无关。但从实验观察中可知，绝非如此。这是论文的第一部分。

论文第二部分起，开始发展在之前《辐射强度与光波长之间的函数关系》中提及的量子学说，提出了光的粒子说“光量子假说”，用来解决光电效应问题。认为应当把光当成是由一个个的能量包所组成的，每一个能量包的能量是E，且每一个包都以某种方式保持其本体，以致使其全部能量可以集中在一个单一电子上。光在空间的传播像粒子那样运动，当光射到金属表面时，能量为E的光子被电子吸收，电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的束缚，另外一部分就是电子离开金属表面后的动能。并得出著名的光电方程。即光子能量小于金属表面对电子的束缚时，电子不能脱出金属表面，因而没有光电子产生；当光子能量大于金属表面对电子的束缚时，电子会立即脱出金属表面，以剩余能量作为动能运动；光子的频率决定了光子的能量，也就决定了电子的能量；光子的强度只是决定光子的数目，光子多，产生的光电子也多。这样，经典理论不能解释的光电效应就被解释了。

同时也指出，根据光量子说可以立刻解释光电效应，但是用来解释光的干涉和衍射现象时又会遇到困难。从而认为光具有“波粒二象性”。

紧接着，是论文的第三部分，则是包括密立根、康普顿、威尔逊所做的实验——因为孙元起手中没有实验器材，只能设计实验方案，并“预计”实验结果。比如，仔细测量了光的频率和逸出电子能量之间的关系，“可以”验证了光电效应量子公式。把X射线投射到石墨上，以观测被散射后的X射线，可以发现其中有两种不同的频率成分：一种与入射射线相同，另一种则会低于入射射线。使用“设想”中的云室，可以观测到带电粒子的轨迹。这表明起作用的不仅是光子的能量，还有它的动量……因为现在，伟大的爱因斯坦还没有提出狭义相对论，所以很多东西需要、曲折地隐晦地指出。这比直接指出还麻烦。

1922年，爱因斯坦因光电效应获诺贝尔物理奖。而康普顿因发现康普顿效应、威尔逊因发现用蒸汽凝聚观测带电粒子轨迹的方法，分享了1927年的诺贝尔物理学奖。由此可以想见这些发现与发明的巨大影响。

这篇论文花了孙元起两个月的时间，写了九十多页。写完之后，才有些犹豫，这么个大小的篇幅有点儿不上不下：作为一本专著，嫌小；作为一篇论文，太大。

“算了，不考虑了，还是让《science》的编辑烦恼去吧！”孙元起心想。至于能不能发表，这从不在孙元起关注的范围内。试想能写进《物理学史》的东西，能不重要么？这么重要的东西，能不发表么？然后便把论文装进信封，寄给了美国。

在忙乱中，日子过得飞快。

等孙元起论文投寄出去的时候，已经是1899年的九月了。京师大学堂、崇实中学都已经结束暑假，开始了新学期。孙元起又开始了每天的奔波。至于孙元起的那四个学生，每天脚不沾地，字典才编了一半儿。那两个班的小学生，也一切照旧。孙元起已经开始考虑给他们是不是要给补上一门“思想品德”课。嗯！招聘老师也是必须的。

这天孙元起拖着疲惫的身子回到院子。刚进院子，就看见韩蘧、顾之麟他们陪着陈骥德还有一个陌生的年轻人在“物理传习所”的牌子旁聊天。这个牌子已经摆放在那儿已经有一两个月了，虽然房子只是一般的平房，不是很好，可摆上了这么一个白底黑漆的牌子，多少有一些庄严的气象在。孙元起在《光电效应：从现象到本质》的署名上，就恶作剧地署上了“InstituteofPhysicalResearchandTeaching”的名字。

傍晚的阳光把孙元起的影子拉得老长。那个陌生的年轻人好像被隔在陈骥德、韩蘧的圈子外面，插不上话，只在一旁倾听，时不时四下打量着这所奇怪的院落：有给小孩上课的地方、有给中学生上课的地方、还有署名“物理传习所”即给大学生上课的地方……所以他最早看见孙元起走进院子，便悄悄地捅了捅身边的陈骥德。

陈骥德一回头，看见刚迈进院子的孙元起，便迎上去：“先生回来了……”韩蘧、周宗武他们也跟在后面，脸上带着笑意。

孙元起向他们挥挥手，等近了，问道：“以德，你不是去西学学堂么，怎么有空过来？……西学学堂还没开学？”

陈骥德有些尴尬地笑了笑。倒是旁边的张纯心直口快：“他从西学学堂叛逃了！”

叛逃？孙元起一时没反应过来：难道是逃课？不过，从天津卫到北京城确实不是很远。没有细问，只是说：“以德，刚开学就逃课，这可不好。你身边的这位，是你同学？”

陈骥德答道：“先生，这是我的发小刘斌，字吉甫。他和我本来都是想去西学学堂的，去了几天，发觉没意思，就怂恿他和我一起，来投奔先生了！”说完，嘿嘿一笑。

那个叫刘斌的少年连忙上前见礼。两下行了礼。孙元起才开始教训陈骥德：“以德，大学里面的精髓，需要很长时间才能发现的。如果浮光掠影的看一眼，就说这个不好、那个不行，是接触不到本质的。西学学堂是很好的，毕竟是早期成立的大学堂嘛……”孙元起心里想：这西学学堂乃是天津大学的前身，肯定是很不错的。

韩蘧和陈骥德关系不错，在一旁说：“先生，以德过来也是很好的。那西学学堂的教习实在不行，尤其是物理教习——他们叫格致——水平真不行，上课说不明白，问他问题，还爱理不理的，只叫人回去自己看书。以德在那儿，一天能跟他吵三回。所以，就回咱这儿了。……先生，照您以前说的，一只羊是放，一群羊也是放。反正先生也在教我们，多两个人，也没有任何影响。况且，咱们现在编字典，不是人手不够么？”

陈骥德也凑上来，涎着脸说：“先生的学问，在大清国可是数一数二的，要想学学问，还得到你这儿！吉甫看了先生之前的教材，佩服得五体投地，所以哭着喊着要来，我迫不得已，只好把他也捎上！”

听了陈骥德的马屁，孙元起哭笑不得：“你们家里人知道这事儿呢？”

“没事没事！”陈骥德笃定地说：“我不在家，他们高兴还来不及呢。对了，你别看刘吉甫现在这么规矩，从小家里就是花果山，他便是那没尾巴的猴儿。哎呦——吉甫，你捅我干什么？我说错了么？”

孙元起无奈了，只好说：“你们要来就来吧……不过，我这儿顶多算是个大一点的私塾，和那些大学堂没法比，你们可得想好了！”孙元起觉得，把这些都明明白白地说出来，要让他们知道这是周瑜打黄盖——一个愿打、一个愿挨，这才是对学生负责任的态度，不是欺骗消费者。

韩蘧可不乐意了：“孙先生，我们这儿就是大学堂！你看，有小学生、有中学生，我们几个，便是大学生。有老师、有学生，不就是大学堂么？”

周宗武、张纯、顾之麟他们一个劲儿的点头。

孙元起叹了口气：“你见过只有一个老师、几个学生，没有任何专业系科的大学堂么？”

“有啊，我们现在不就是么？”韩蘧说道。

事实上，孙元起倒不用如此妄自菲薄。在中国大学的早期发展阶段，学生人数一直比较稀少，而学科专业也不是很齐全。比如1909年创立的京师大学堂（北京大学前身）格致科地质学门，那是中国最早的高等地质教育机构，但是直到1913年，只有2个学生毕业。此后因学生太少而停办，直到1917年方才恢复，并改称北京大学地质学系，由曾留学美国的何杰任系主任，留学德国的王烈任教授，到1920年才有孙云铸等8人毕业。此后该系一直是中国最重要的地质教育机构之一。