Eugene

1940年2月27日清晨，化學(xué)家馬丁·卡門坐在寒冷黑暗的警察局里。警方在加州大學(xué)伯克利分校的實驗室外逮捕了這位衣冠不整的科學(xué)家，他們指控他涉嫌參與前一天晚上發(fā)生的一系列謀殺案。

但警方無法確定卡門犯了什么罪，因為這位科學(xué)家過去3天一直被關(guān)在實驗室里，和他的同事——化學(xué)家塞繆爾·魯本一起，做一個把氘粒子投射到一小塊石墨樣品上的實驗。被釋放后，卡門回家小睡了一會兒，然后回到實驗室，做出了20世紀(jì)最重要的發(fā)現(xiàn)之一：碳-14同位素。

不可否認的化學(xué)

卡門是個神童，1913年出生于多倫多。他是一位非常有才華的音樂家，能很輕易地在演奏小提琴和中提琴之間自如切換，并且很早就高中畢業(yè)了。為了支撐自己在芝加哥大學(xué)的化學(xué)學(xué)業(yè)，他在芝加哥的許多地下酒吧里兼職演奏音樂。獲得博士學(xué)位后，他渴望換個環(huán)境，于是在加州大學(xué)伯克利分校找到了一份工作，進入了著名物理學(xué)家E.O.勞倫斯的實驗室。

在勞倫斯的實驗室里，他遇到了塞繆爾.魯本，位才華橫溢的化學(xué)家和拳擊手。魯本一心想解決一個生化難題——科學(xué)家們都知道，植物通過光合作用產(chǎn)生氧氣，但化合反應(yīng)的源頭是什么？是碳嗎？

卡門和魯本使用實驗室的回旋加速器來研究他們的難題。不過他們不得不把實驗安排在深夜，因為這是機器唯一的可用時間，白天它被用于優(yōu)先級更高的項目。通過照射回旋加速器中的大塊石墨，他們分離出了碳-14同位素，并永遠改變了我們對生命及其基本組成物的理解。

來自宇宙射線的神奇原子

科學(xué)家們普遍對元素的同位素特別感興趣。同位素是一種原子核中質(zhì)子數(shù)相同、中子數(shù)不同的孿生原子，也就是相同元素的變體。每個元素的同位素都是根據(jù)它的質(zhì)量數(shù)，也就是原子中中子和質(zhì)子數(shù)的總和來命名的。作為地球上構(gòu)成生命的最基本的四大元素（碳、氮、氫、氧）之一，碳有3種天然的同位素，每種同位素的質(zhì)量略有不同，分別是12、13和14，因此碳的同位素標(biāo)示為碳-12、碳-13和碳-14。

碳-12有6個質(zhì)子、6個中子，是最常見的同位素，地球上99%的碳都以碳-12的形式存在，大約1%的碳以碳-13（中子數(shù)為7）的形式存在。它們還有一個共同點，那就是都是完全穩(wěn)定的同位素。

然而，碳-14不同。一方面，它來源于宇宙射線對地球高層大氣的劇烈撞擊，是碳原子中最稀有的同位素，每1萬億個碳原子中只有1個碳-14原子。但因為碳在地球上的含量驚人，基數(shù)極為巨大，所以碳-14的實際數(shù)量也不少。另一方面，碳-14有6個質(zhì)子和8個中子，這使得它無法像碳-12和碳-13那樣穩(wěn)定，而是具有放射性，以一種罕見但可測量的速度衰變?yōu)榈?14。

作為碳基生命，地球上所有的有機體都在以和大氣濃度相同的比例吸收碳的3種同位素原子，參與碳在自然界的循環(huán)。只有當(dāng)有機體死亡時，才會中斷這種循環(huán)吸收。而這時，有機體中殘留的碳-14原子因為停止了與外界的交換，就會表現(xiàn)出衰變痕跡。

碳-14的半衰期為5730年，這意味著幾乎每6000年，一個有機材料樣本（比如骨頭或木頭）中碳-14原子的數(shù)量就會減少一半。因此科學(xué)家能夠通過這一原理，采集材料樣本，分析穩(wěn)定的碳-12與衰變的碳-14在樣本中的比例，得出一些與樣本時間有關(guān)的結(jié)論。

追蹤這一比例，對揭開人類學(xué)、考古學(xué)和古生物學(xué)等眾多領(lǐng)域的神秘面紗至關(guān)重要。但卡門和魯本關(guān)于碳-14的發(fā)現(xiàn)直到1946年才成為主流。當(dāng)時，芝加哥大學(xué)的化學(xué)教授威拉德·弗蘭克.利比想出了一種利用碳-14測定有機物年代的方法，他因此于1960年獲得了諾貝爾化學(xué)獎。

考古學(xué)家的夢中情人

以前，考古學(xué)家和人類學(xué)家依靠一種叫作相對年代測定法的方法來解釋標(biāo)本的年齡。他們測定地質(zhì)年代的依據(jù)是：埋得深的物體可能比埋得淺的物體更古老。

但利用碳-14這種珍貴的同位素，科學(xué)家得以更準(zhǔn)確地測算出了刻在黃蜂巢穴中的古代壁畫的年代，確定了神秘的銅器時代冰人奧茨的生活時間，并追蹤了古代文明的變化軌跡。

一般的規(guī)則是，如果你想用一個放射性時鐘來測量一個時間過程，這個放射性元素的半衰期就必須在你所測量的時間范圍內(nèi)。這也說明了放射性碳定年法的一個弱點：它只適用于年齡小于5.5萬年的樣本。任何比這更古老的東西都沒有足夠的可量化的碳-14可以用來斷定年代。如果你要尋找的是5萬年以下的有機遺跡，那么采用碳-14測年就是一種黃金標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)代測年技術(shù)

大多數(shù)研究實驗室現(xiàn)在使用一種叫作加速器質(zhì)譜儀的儀器，來確定樣本中有多少個碳-14原子。這些高度專業(yè)化的儀器只需要很少的樣品材料，就能進行準(zhǔn)確讀數(shù)一這些儀器采用放射性元素直接計數(shù)法，僅僅需要1毫克樣品，而之前的放射性元素衰變計數(shù)法，則需要50毫克樣品。

過去的幾千年中，全球碳-14的含量水平基本保持不變。而今天情況發(fā)生了變化，人類活動改變了大氣中的碳含量，科學(xué)家已經(jīng)學(xué)會了用其他年代測定技術(shù)的信息來校準(zhǔn)他們的讀數(shù)一樹木年代學(xué)利用樹木年輪來測量時間的方法，可以測定的時間范圍達到了1.1萬年。

當(dāng)美國和其他國家開始試驗原子武器，大氣中的成分就發(fā)生了永久性的變化。爆炸的核武器向大氣中排放了新的同位素，包括碳-14。一些來自蘇格蘭的科學(xué)家嘗試使用碳-14年代測定法來鑒別假冒的蘇格蘭威士忌。他們考慮到核試驗盛行的那些年，大麥（蘇格蘭威士忌用大麥釀造）中的碳-14含量異常偏高，于是校準(zhǔn)了200多種已知年份的單一麥芽威士忌樣品中碳-14的變異水平，以此來對照市面上那些酒的碳-14測定結(jié)果，卻發(fā)現(xiàn)，試驗測定的酒的年代與酒瓶標(biāo)簽上所標(biāo)注的時間根本不同，說明那些聲稱來自19世紀(jì)釀造的純正威士忌，其實都是在20世紀(jì)50年代的核試驗后生產(chǎn)的。

因為今天我們向大氣中釋放的二氧化碳比以往任何時候都要多，科學(xué)家們將不得不對未來的測量進行校準(zhǔn)，以將這種排放量的流入考慮在內(nèi)。

其他應(yīng)用

碳同位素在其他領(lǐng)域也有意義。例如，在氣候科學(xué)中，它的巨大價值是令人難以置信的?？茖W(xué)家通過觀察古代冰層中的氣泡來更好地了解古代的環(huán)境。由于極好的穩(wěn)定性和更長的半衰期，碳的穩(wěn)定同位素也為科學(xué)家們提供了數(shù)百萬年前地球氣候的線索。

冰川消融會令其覆蓋的巖石暴露在地球的大氣中，同時也使它們也暴露在宇宙輻射中，進而附著一些由宇宙射線作用產(chǎn)生的碳-14原子。科學(xué)家可以通過研究一個特定樣本中發(fā)現(xiàn)的碳-14的數(shù)量，從而了解更長時間尺度下，地球上冰川消退的速度。

由于碳-14的存在，研究人員能夠跟蹤碳循環(huán)的軌跡。科學(xué)家們可以把一株植物放在一個充滿一定量二氧化碳的小房間里，然后觀察植物吸收了多少二氧化碳。這能夠幫助科學(xué)家更好地了解植物如何從大氣中吸收碳——這是一個關(guān)鍵的測量方法，用來模擬氣候變化在未來幾年的發(fā)展情況。

發(fā)現(xiàn)者的悲慘命運

碳-14的發(fā)現(xiàn)距今已經(jīng)過去了80年，它的重要性表現(xiàn)在科學(xué)研究的眾多領(lǐng)域，并且從根本上改變著我們對過去的理解，但它的發(fā)現(xiàn)者卻沒有那么成功和幸運。

碳-14的發(fā)現(xiàn)者之一塞繆爾·魯本，在取得這一著名發(fā)現(xiàn)的3年后被殺。他在科學(xué)研究與發(fā)展辦公室工作的第二天，一個裝有有毒煙霧的小玻璃瓶被打碎，他暴露在了致命的磷化氫氣體中。

幾年后的一個晚上，另一位碳-14的發(fā)現(xiàn)者馬丁·卡門，與一位俄羅斯外交官共進了晚餐，結(jié)果再次被指控犯下了另一項莫須有的罪行——這次是間諜罪?？ㄩT此后不得不花了幾十年的時間來洗刷自己的屈辱。