年2月27日清晨，化学家马丁·卡门坐在寒冷黑暗的警察局里。警方在加州大学伯克利分校的实验室外逮捕了这位衣冠不整的科学家，把他拖到警察局接受审问。他们指控他犯了前一天晚上发生的一系列谋杀案。

但警方无法确定卡门犯了什么罪，因为这位科学家过去三天一直被关在实验室里，和他的同事化学家塞缪尔·鲁本一起，把氘粒子投射到一小块石墨样品上。在他被释放后，卡门回家小睡了一会儿，然后回到实验室，做出了20世纪最重要的发现之一：碳-14同位素。

不可否认的化学

卡门是个神童，年出生于多伦多。他是一位非常有才华的音乐家，很容易在小提琴和中提琴之间切换，并且很早就高中毕业了。为了支撑他在芝加哥大学的化学学习，他在芝加哥的许多地下酒吧里兼职演奏音乐。在获得博士学位之后他并渴望换个环境，卡门在加州大学伯克利分校找到了一份工作，在著名物理学家E.O.劳伦斯实验室工作。

在劳伦斯的实验室里，他遇到了塞缪尔·鲁本，一位才华横溢的化学家和拳击手。鲁本一心想解决一个生化难题。科学家知道，植物通过光合作用产生氧气。但源头是什么？是碳吗？

卡门和鲁本使用回旋加速器进行实验。通过照射回旋加速器中的大块石墨，他们能够分离出同位素，并永远改变我们对生命及其基本组成部分的理解。不过他们不得不把实验安排在深夜，因为这是机器可用的唯一时间，白天它被用于更高优先级的项目。

原子的爱

科学家们对一种元素的同位素特别感兴趣：原子核中质子数相同，中子数不同的孪生原子。碳有三种天然的同位素。每种同位素的质量略有不同，因此是唯一可识别的。碳-12的原子核里有6个质子和6个中子，碳-13多了一个中子。碳-12是最常见的同位素，和碳-13一样，是完全稳定的。

然而，碳-14是碳族同位素的“害群之马”。它是碳原子中最稀有的同位素，每一万亿个碳原子中就有一个。它有6个质子和8个中子，这使得它具有放射性，并导致它以一种罕见但可测量的速度衰变为氮-14。

碳-14的半衰期为年，这意味着几乎每年，一个有机材料样本（比如骨头或木头）中碳-14原子的数量就会减少一半。因为碳-14的姊妹同位素碳-12在大气中非常丰富，因此几乎在所有生物中都能找到。科学家能够采集材料样本，分析稳定的碳-12粒子与衰变的碳-14粒子的比例。

追踪这一比例对于揭开人类学、考古学和古生物学等众多领域的神秘面纱至关重要。但卡门和鲁本的发现直到年才成为主流，当时芝加哥大学的化学教授威拉德·弗兰克·利比想出了一种利用碳-14测定有机物年代的方法。

利比于年获得诺贝尔化学奖。

考古学家的梦中情人

以前，考古学家和人类学家依靠一种叫做相对年代测定法的方法来解释标本的年龄。他们测定地质记录：埋得更深的物体可能比埋得更近的物体更古老。

但利用这种珍贵的同位素，科学家们估算了刻在黄蜂巢穴中的古代洞穴壁画的年代，确定了神秘的铜器时代冰人奥茨（奥茨的冰冻木乃伊尸体是从奥地利阿尔卑斯山拉来的）的生活时间，并追踪了古代文明的运动。

一般的规则是，如果你想用一个放射性时钟来测量一个过程，（同位素）的半衰期必须在你所测量的时间范围内。这也说明了碳测年法唯一的弱点之一：它只适用于年龄小于年的样本。任何比这更古老的东西都没有足够的可量化的碳-14。如果你要寻找的是5万年以下的有机遗迹，这是一种黄金标准。

现代测年技术

大多数研究实验室现在使用一种叫做加速器质谱仪的仪器来确定给定样本中有多少个碳-14原子。这些高度专业化的机器只需要更少的样品材料就能进行准确的读数——仅仅是一毫克，而之前的放射性碳年代测定法需要50毫克。

地球大气化学的巨大变化可以帮助科学家更好地限制碳同位素测年法提供的数据。大气中的碳含量并不总是一样的，科学家们已经学会了用其他年代测定技术的信息来校准他们的读数。树木年代学是利用树木年轮来测量时间的方法，最早可以用来限定年的日期。

当美国和其他国家开始试验原子武器时，大气的成分发生了永久性的变化。爆炸的核武器向大气中引入了新的同位素，包括碳-14。科学家们使用碳14年代测定法来鉴别假冒苏格兰威士忌的瓶子，与标签上所说的相反，这些瓶子是在核试验后生产的。

因为我们向大气中释放的二氧化碳比以往任何时候都要多，科学家们将不得不对未来的测量进行校准，以将这种排放量的流入考虑在内。

其它应用

碳同位素在其他领域也有意义。例如，在气候科学中，它的价值是难以置信的。科学家通过观察古代冰层中的气泡来更好地了解古代的环境。由于它们的稳定性和更长的半衰期，碳的稳定同位素特别为科学家们提供了数百万年前地球气候的线索。

当岩石暴露在地球的大气中时，无论是通过风化作用、冰川衰退还是火山熔岩喷发，它们也暴露在宇宙辐射中，进而暴露在碳-14中。科学家可以研究在一个特定样本中发现了多少碳-14，以了解冰川消退的速度。

由于碳14的存在，研究人员能够跟踪碳循环的轨迹。科学家们可以把一株植物放在一个小房间里，让它充满一定量的二氧化碳，然后观察植物吸收了多少二氧化碳。这些实验帮助科学家更好地了解植物如何从大气中吸收碳——这是一个关键的测量方法，用来模拟气候变化在未来几年的进展。

创造者的悲惨命运

碳-14在发现80年后的重要性很难被低估。虽然同位素将从根本上改变整个科学领域和我们对过去的理解，但它的创造者却没有那么成功。

不幸的是，塞缪尔·鲁本在他著名的发现三年后被杀。他在科学研究与发展办公室工作的第二天，在一个装有有毒烟雾的小玻璃瓶被打碎后，他暴露在了致命的磷化氢气体中。

几年后，在与一位俄罗斯外交官共进晚餐后，卡门又被指控犯有另一项他没有犯的罪行——这次是间谍罪。卡门花了几十年的时间来洗刷自己的名声。