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，把他拖到警察局接受審問。他們指控他犯了前一天晚上發(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)家過去三天一直被關(guān)在實驗室里，和他的同事化學(xué)家塞繆爾·魯本一起，把氘粒子投射到一小塊石墨樣品上。在他被釋放后，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。
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，很容易在小提琴和中提琴之間切換，并且很早就高中畢業(yè)了。為了支撐他在芝加哥大學(xué)的化學(xué)學(xué)習(xí)，他在芝加哥的許多地下酒吧里兼職演奏音樂。在獲得博士學(xué)位之后他并渴望換個環(huán)境，卡門在加州大學(xué)伯克利分校找到了一份工作，在著名物理學(xué)家E.O.勞倫斯實驗室工作。
在勞倫斯的實驗室里，他遇到了塞繆爾·魯本，一位才華橫溢的化學(xué)家和拳擊手。魯本一心想解決一個生化難題?？茖W(xué)家知道，植物通過光合作用產(chǎn)生氧氣。但源頭是什么？是碳嗎？
卡門和魯本使用回旋加速器進(jìn)行實驗。通過照射回旋加速器中的大塊石墨，他們能夠分離出同位素，并永遠(yuǎn)改變我們對生命及其基本組成部分的理解。不過他們不得不把實驗安排在深夜，因為這是機(jī)器可用的唯一時間，白天它被用于更高優(yōu)先級的項目。
科學(xué)家們對一種元素的同位素特別感興趣：原子核中質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的孿生原子。碳有三種天然的同位素。每種同位素的質(zhì)量略有不同，因此是唯一可識別的。碳-12的原子核里有6個質(zhì)子和6個中子，碳-13多了一個中子。碳-12是最常見的同位素，和碳-13一樣，是完全穩(wěn)定的。
然而，碳-14是碳族同位素的“害群之馬”。它是碳原子中最稀有的同位素，每一萬億個碳原子中就有一個。它有6個質(zhì)子和8個中子，這使得它具有放射性，并導(dǎo)致它以一種罕見但可測量的速度衰變?yōu)榈?14。
碳-14的半衰期為5730年，這意味著幾乎每6000年，一個有機(jī)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。因為碳-14的姊妹同位素碳-12在大氣中非常豐富，因此幾乎在所有生物中都能找到?？茖W(xué)家能夠采集材料樣本，分析穩(wěn)定的碳-12粒子與衰變的碳-14粒子的比例。
追蹤這一比例對于揭開人類學(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(jī)物年代的方法。
利比于1960年獲得諾貝爾化學(xué)獎。
以前，考古學(xué)家和人類學(xué)家依靠一種叫做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)記錄：埋得更深的物體可能比埋得更近的物體更古老。
但利用這種珍貴的同位素，科學(xué)家們估算了刻在黃蜂巢穴中的古代洞穴壁畫的年代，確定了神秘的銅器時代冰人奧茨（奧茨的冰凍木乃伊尸體是從奧地利阿爾卑斯山拉來的）的生活時間，并追蹤了古代文明的運(yùn)動。
一般的規(guī)則是，如果你想用一個放射性時鐘來測量一個過程，（同位素）的半衰期必須在你所測量的時間范圍內(nèi)。這也說明了碳測年法唯一的弱點(diǎn)之一：它只適用于年齡小于55000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。如果你要尋找的是5萬年以下的有機(jī)遺跡，這是一種黃金標(biāo)準(zhǔn)。
大多數(shù)研究實驗室現(xiàn)在使用一種叫做加速器質(zhì)譜儀的儀器來確定給定樣本中有多少個碳-14原子。這些高度專業(yè)化的機(jī)器只需要更少的樣品材料就能進(jìn)行準(zhǔn)確的讀數(shù)——僅僅是一毫克，而之前的放射性碳年代測定法需要50毫克。
地球大氣化學(xué)的巨大變化可以幫助科學(xué)家更好地限制碳同位素測年法提供的數(shù)據(jù)。大氣中的碳含量并不總是一樣的，科學(xué)家們已經(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)。樹木年代學(xué)是利用樹木年輪來測量時間的方法，最早可以用來限定11000年的日期。
當(dāng)美國和其他國家開始試驗原子武器時，大氣的成分發(fā)生了永久性的變化。爆炸的核武器向大氣中引入了新的同位素，包括碳-14?？茖W(xué)家們使用碳14年代測定法來鑒別假冒蘇格蘭威士忌的瓶子，與標(biāo)簽上所說的相反，這些瓶子是在核試驗后生產(chǎn)的。
因為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(jìn)行校準(zhǔn)，以將這種排放量的流入考慮在內(nèi)。
碳同位素在其他領(lǐng)域也有意義。例如，在氣候科學(xué)中，它的價值是難以置信的?？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。由于它們的穩(wěn)定性和更長的半衰期，碳的穩(wěn)定同位素特別為科學(xué)家們提供了數(shù)百萬年前地球氣候的線索。
當(dāng)巖石暴露在地球的大氣中時，無論是通過風(fēng)化作用、冰川衰退還是火山熔巖噴發(fā)，它們也暴露在宇宙輻射中，進(jìn)而暴露在碳-14中?？茖W(xué)家可以研究在一個特定樣本中發(fā)現(xiàn)了多少碳-14，以了解冰川消退的速度。
由于碳14的存在，研究人員能夠跟蹤碳循環(huán)的軌跡?？茖W(xué)家們可以把一株植物放在一個小房間里，讓它充滿一定量的二氧化碳，然后觀察植物吸收了多少二氧化碳。這些實驗幫助科學(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進(jìn)展。
碳-14在發(fā)現(xiàn)80年后的重要性很難被低估。雖然同位素將從根本上改變整個科學(xué)領(lǐng)域和我們對過去的理解，但它的創(chuàng)造者卻沒有那么成功。
不幸的是，塞繆爾·魯本在他著名的發(fā)現(xiàn)三年后被殺。他在科學(xué)研究與發(fā)展辦公室工作的第二天，在一個裝有有毒煙霧的小玻璃瓶被打碎后，他暴露在了致命的磷化氫氣體中。
幾年后，在與一位俄羅斯外交官共進(jìn)晚餐后，卡門又被指控犯有另一項他沒有犯的罪行——這次是間諜罪?？ㄩT花了幾十年的時間來洗刷自己的名聲。
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