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地下发现洞穴的消息传出，三个工人手持蜡烛相继由大洞进入刚发现的小洞，极富远见的裴文中当然不会错过眼前的机会，他很快找来绳子拴在腰上，点燃一根蜡烛攥在手中，对后面的人说：“将绳子这一头坠住，我下去看看。”
裴文中坠绳而下，由大洞钻入小洞中。
蜡烛的火苗忽明忽暗地跳动，使人辨不清洞的长度，阴森恐怖的气氛笼罩着裴文中的全身。他摸着洞壁大约在前行五六米的地方，看到了前面几个晃动的人影，遂凑上前来慢慢将弓着的身子蹲下仔细察看。裴文中惊奇地发现，无数远古动物的化石都安详地躺在洞底的尘土碎屑之中，只要用手一扒，化石便清晰地显露出来。面对眼前一切，裴文中那颗扑扑跳动的心被极度的兴奋所替代，这种兴奋使他忘记了是在窄小的洞穴之中，以致当他猛地起身站立时，头撞在洞顶坚硬的石壁上，一声闷响和剧烈的疼痛，使他差点昏倒。
像当年的安特生博士一样，裴文中对洞穴内存在人类祖先的预感，再一次被验证。只是，它的验证要快得多，就在第二天。
这是一个世界考古学史和古人类学史都无法绕开的日子——1929年12月2日。
从新发现的小洞洞口开始的发掘已向里延伸至十米，尽管裴文中和其他四名工人手持的四支蜡烛仍在不住地燃烧，火苗不规则地跳动，但越往前行愈发昏暗，惨淡的光亮使四名发掘者几乎看不清对方的脸。在幽暗中夹着一丝光亮的环境中，含有大量化石的堆积物被一铲铲小心地挖出，又一筐筐拉出洞口。山野中寒风呼号，零星的雪花在风的裹挟下漫无边际地飘荡，惨白的太阳在西方的山顶悄悄从云雾中钻出，向世界做了最后的告别。天就要黑了。
发现“北京人”头盖骨时的场景。左为刘义山。（裴文中摄）
黑黝黝的洞穴深处没有人讲话，沉寂中只有锤镐、探铲发出的冰凉的碰撞声。似乎只有这样的响动，才显示着这阴暗的深处拥有高级生命的活动。
就在这时，洞中发掘的工人刘义山一声喊：“这里有一个家伙！”
裴文中一惊，忙问：“是什么？！”
“大概是犀牛大腿头。”有人回答，裴文中凑上前来。
一豆烛光照耀着洞底，映射着一个凸露的圆圆的东西。
“像是人头？是人头！”裴文中猛地喊叫起来。
奇迹出现了。匿藏了50万年的人类祖先，终于露出了他的面庞。这一刻，裴文中感到“从未有过的身心的战栗和激动，面对这辉煌夺目的伟大发现，我竟一时不知所措”。
发现的头骨化石，一半埋在松软的土层，一半在硬土之中，要想取出，首先应把周围的杂土清理干净。裴文中与几个技工将这一切做完后，找来撬棍轻轻插于头骨底部，然后慢慢撬动。由于头骨已演变成化石，撬动中骨盖破裂，无法完整地抱出洞穴。来不及找合适的包裹物将头骨盛下，因为这个发现太突然、太出乎意料了，即使最伟大、最有远见的科学家，也断然不会想到这一人类研究史上照耀千古的发现就在今天。
工人们收工后在刘珍店前搬运发掘物品
裴文中急中生智，迅速脱下身上的棉袄，将头盖骨轻轻地包藏起来，小心地抱住弓腰走出洞穴。
“挖到宝贝了，这回是真正的宝贝儿……”和裴文中一道走出来的技工，情不自禁地向等在外边的工人争相传播着这一振奋人心的消息。众人听罢，目光“唰”地投向裴文中怀中的棉袄。
“挖出了啥子宝贝儿？快让咱看看。”民工们围住裴文中七嘴八舌地叫喊着，眼睛放出奇特的光，如同一场夺宝大战的前奏。
“是人，我们挖出了一个人……”未等裴文中说话，一起从洞穴走上来的技工乔德瑞做了极富悬念并深具诱惑力的回答。
“还活不活？快拿到村下扎一扎！”众人在诱惑力的驱使下，纷纷涌上来，用手扒裴文中怀中的棉袄，欲对挖出的“人”进行抢救。
裴文中急忙转了个身，声音颤抖地说：“不要抢，人已经不活了，咱回去好好看，好好看……”
“走，快回去，快收拾东西回去。”民工们吆喝着纷纷收拾发掘工具，跟随裴文中呼呼隆隆地向山下的驻地骆驼店涌去。
夜幕降临了，起伏的山峦在夜色包围中格外肃穆空旷。风已停歇，雪下得愈发紧了，看样子一场真正的封山大雪就要到来。裴文中怀抱头盖骨在起伏不平的山间小路上向前走着，走着……
许多年后，裴文中对此情此景仍记忆犹新：
我像一个淘金人突然遇到了狗头金，不，我怀中的头骨比狗头金要贵重得多，意义要大得多。尽管是寒雪飘洒的傍晚，但我只穿了两个褂子的身体，没有感到一点寒意，只觉得心在跳，两腮和耳朵根热辣辣的。怀抱头盖骨，在沉寂的山野中走着，思绪不住地翻腾。多少人的向往、梦幻和追求，今天终于付诸实现了。远古的祖先就躺在我的怀中，实实在在地躺在怀中，这是一件多么有趣和了不起的事情啊！想到这里，我的眼窝开始发热、发烫，最后泪水哗哗地淌了下来……
裴文中来到山下的骆驼店，也是他工作的指挥部兼宿舍，打开包裹着的头盖骨，让蜂拥而上的民工兄弟们一一观瞻。裴在后来撰写的回忆文章中说道：“发现了猿人头骨，晚上我没有吃好饭，因为太高兴了。我高兴了，如何令北平人们知道呢？如何使他们也高兴？我先决定派专人去送信，写好了信，令人次日早晨返平，专呈翁所长。”
裴文中静下心来，奋笔疾书，信中写道：
尊敬的翁所长先生：
今天交了好运，我们在原发掘址第9层下边发现一个洞穴，经发掘，得一猿人头盖骨！一个完整的头盖骨。我在现场就把它取出并安然无恙地带回。待稍作处理，我即携此头盖骨返北京面交。
裴文中 敬上
1929年12月2日晚匆匆
翌日一大早，送信人怀揣这一喜讯向北平奔去。裴文中回忆说：“送信人走后，我又觉得他们到晚上才能看到信，天时晚了，翁所长未必能通知关心周口店事务的几位朋友。于是我于三日早又打了一个电报给步达生先生。文曰：‘（衔略）顷得一头骨，极完整，颇似人（下略）。’因为猿人不是人，故我说他颇似人。”
与裴文中料想的结果大不相同，北平方面接到消息后，在一片哗然中竟没有人相信这位刚走出校门的小伙子会交上如此的好运。“如果说发现了头盖骨，肯定不是人而是其他动物的，就裴文中的知识和才华，他可能还辨不清人与其他动物的差异到底在哪里，确切地说他还不知道什么是‘人’……”为数不少的科学界资深人士做出了如此结论。
即使极富远见并对周口店发掘抱有极大希望的步达生，在接到电报后也懵了。他希望其有，又恐怕其无。希望其真，又怕裴文中走火入魔，谎报军情。这种复杂的心态在他给安特生的信中可以见到：“昨天我接到裴文中从周口店发来的电报，说他明天将把他所说的一个完整的中国猿人头盖骨带回北平。我希望这个结果不是幻想而是真的。”
北平的喧哗与骚动、摇头与嘲讽，裴文中当然不会知道，在周口店那间冷清的屋子里，他正紧张而有序地做着如何把头盖骨安全运送到北平的准备。
几十万年的造化，将头盖骨变成化石的同时，又赋予了它一个婴儿般娇嫩的外表，整个头盖骨既酥软又潮湿，稍一震动就发生爆裂。如此一种状况，显然无法安全无损地带回北平，那怎么办呢？
这是一个令人心动而又让人痛苦的夜晚，窗外雪花纷飞、寒风怒吼，窗内孤灯摇曳、一片清冷，裴文中独自坐在屋里，望着好不容易发现的头盖骨久久犯愁。直到后来，经过反复琢磨，这位天才的年轻地质学家才终于想到了先人们曾经使用过的火。
于是他大胆决定，先用火将头盖骨烤干，然后经过处理，再送往北平。当然，他心里也很清楚，如此的处理方法目前尚无先例，倘若稍有不慎，定将铸成大错！但无与伦比的自信，再加上他那25岁的年龄，促使他终于划亮了手中第一根火柴。
用三个火盆烘烤头盖骨（裴文中摄）
一堆柴禾在泥做的盆中噼里啪啦地爆响、燃烧起来，柴禾越烧越旺，炭火越聚越多，待木柴全部燃尽后，裴文中才将头盖骨捧在手里，在死火的上方细细烘烤起来……少顷，头盖骨在逐渐的干燥中开始硬化。尔后，裴文中又在变硬了的头骨四周糊上五层棉纸，再在棉纸外加一层石膏和麻袋片，经水浸泡十几分钟后，再将头盖骨重新放在火盆上方烘烤，直至包裹着的头盖骨形成一个干燥而坚固的整体。