引言

在充满奇迹的宇宙中，碳确实是一种奇妙的元素。碳可以很硬，也可以很软；它可以是乌黑的，也可以比水晶更清澈。它是在炽热的恒星内部炼就的。当它以纯净的钻石形式存在时，你摸上去会感觉冷，但实际上它是最好的热导体。碳燃烧时会产生热量，正是这种热量使人类数千年来得以取暖，并为工业革命提供动力。我们一生中会吃掉大量的碳，而被我们吞下的这种碳元素组成的物质，形态犹如一把“瑞士军刀”，化学功能独特，使得它构成了我们生命的实质性支柱。正如乔尼·米切尔在她的歌曲《伍德斯托克》中所唱的那样：“我们是几十亿年前碳的……星尘。”

本书只介绍一种天然存在的化学元素。碳被认为是第六号元素，因为它的原子核中有6个质子，核外则有6个电子来平衡质子所带的正电荷。要说在太阳中的丰度，碳是仅次于氢、氦和氧的第四丰富的元素。奇怪的是，尽管碳在恒星中含量很高，但它在我们这颗行星的内部相对罕见。我们能在地表附近看到很多碳，但从整个星球的平均水平来看，实际上碳是一种稀有元素。我们生活在一个贫碳星球表面的富碳环境中。我们将在第3章中解释这是如何发生的，以及为什么地球与太阳系外的许多天体不同。

在本书中，我们还将讨论碳是如何被发现的，了解这种重要元素如何极大地促进我们对自然的科学理解。我们将看到这种元素是如何在恒星中形成的，碳原子是如何在地球上形成的，以及为什么它可以形成如此多的化合物，而这些化合物正是我们生存的关键。我们将探讨第六号元素对人类历史的一些影响、它的许多重要用途，以及它在我们星球的过去和未来中所起的作用。

像其他比氢重的元素一样，碳原子只有一个微小的核。这个核由质子和中子组成，它们的质量相对于围绕着核的电子要大得多。然而，与所有其他元素不同的是，碳原子能够与其他原子结合，形成具有非凡化学性质和物理性质的物质。就碳原子与其他原子结合这一点而言，碳可以制造出种类几乎无限的化合物，包括一些非常复杂的化合物。正是这些非常复杂的化合物让生命得以出现，然后经过地质时期的演化，产生我们所知的活的生物体。

碳可能只是近百种自然存在的元素之一，却从所有其他元素中脱颖而出。作为单质，它能够以各种不同的固体形态存在，如炭黑、石墨、钻石、富勒烯、纳米管和只有一个原子厚度的碳晶格。当碳与其他元素结合时，它们可以形成几乎无限多种化合物。这些化合物是如此重要，以至于它们有自己的学科类别名称，叫作“有机化学”。

碳单质有几种已知的天然形式，而非天然的形式至少有一种。最简单的碳单质形式就是只有一个原子，但这种形式的碳在地球上是无法找到的，因为碳原子总是附着在任何东西上形成分子。只有在与世隔绝的星际空间中，才能发现单个碳原子。比单个碳原子复杂的是碳链，也就是碳原子排成一行形成的单链，它们的自然状态也只能存在于星际空间。

在碳原子相互结合后，它们可以形成被称为石墨烯的薄片。当石墨烯片堆叠在一起时（这很容易做到），我们就有了石墨，这种材料可以让铅笔画出黑线。石墨烯片还可以卷曲形成微小的中空纳米管，进一步卷曲则可以形成富勒烯（也称巴基球，以发现者巴克敏斯特·富勒的名字命名）。自然界中最丰富的富勒烯形态就是类似足球的准球状分子C ₆₀ 。众所周知，碳还可以形成最高级的矿物——钻石晶体。我们将专门辟出一章来介绍它。纯碳环也是可能存在的：由18个碳原子构成的环碳分子是目前唯一被制造出来的纯碳环。理论上早就预测了这种结构的存在，但直到2019年，人们才真正合成这种结构。因此，尽管我们已知的碳的形态多得令人难以置信，但总有更多的形态等待着我们去发现。

作为天文学家，本书的两位作者将不可避免地从广袤的宇宙角度来探讨碳的许多方面。作为科学家，我们非常重视与这一特定元素有关的基础科学问题。由于碳在人类历史和科学史上发挥着令人难以置信的重要作用，因此我们也选择从历史的角度来看待碳。碳的广泛历史包括它的起源、为什么说它是形成几乎所有其他化学元素的基本门户、它是如何在太空中演化的、它如何来到地球，以及它如何被用来制造生命和推动我们这个星球的演化。早期人类对碳的处理方式带来了取火技能和洞穴绘画，随后对碳的使用演变成科学的基础，以及我们对原子和物质的最初理解。故事到现在还没有结束，物理学和天文学的发现清楚地表明，碳在未来数万亿年内将发挥基础性作用，因为碳在各种截然不同的环境中循环，并最终在遥远的未来那难以描述的深时被摧毁。

我们这个时代最具挑战性的科学努力之一是预测和了解二氧化碳（CO ₂ ）的积累对未来的影响，以及它对作物、极地冰山、海平面、天气和全球经济的影响。如果说哪种元素对地球、对我们的生命有极为重大的影响，那么碳独树一帜。不管你喜不喜欢，驱动现代世界的能源很大程度上仍然来自燃烧含碳化合物产生二氧化碳的化学反应，就像最初的穴居人所做的那样。碳是元素周期表中唯一有自己名头的税种的元素。从1990年的芬兰开始，许多国家有了某种形式的碳税，以鼓励国民改用其他形式的能源生产，从而减少温室气体二氧化碳的产生。我们将在第8章讨论其中的一些问题。

学过生物学的人都知道，第一节课是告诉我们生命以碳为基础，碳这种元素的独特之处在于它能够与自身或许多其他重要元素形成各种化学键。然而，碳的许多作用及其独特性质和化学反应经常被低估。我们写作本书的主要目的是尽可能多地展示第六号元素的荣耀：从最早的已知文字和绘画到最新的纳米技术；从它在恒星中的诞生到它在地球形成中的作用，再到它的许多生命形态的作用（人类创造出这些物质，用以维持生命，以及美化和增强生命）；以及它在建设和发明并将文学、艺术、音乐、法律、数学及其他形式的知识积累传授给后代等方面的作用。

在第6章中，我们将重点关注第六号元素所催生的令人惊叹的材料、工具和技术，以及它们塑造历史和我们日常生活的一些方式。这里仅举一个例子：碳在使记录历史得以实现方面所发挥的重要作用。早在两万年前，在法国西南部的多尔多涅地区，木炭就被用来制作著名的旧石器时代洞穴绘画。对现在活着的大多数人来说，他们所学的很多东西都是从阅读用炭黑印刷的文献中学到的。直到最近，碳还被用来创造几乎所有的手写或印刷文字。《大宪章》和《独立宣言》，还有计算机文字处理技术出现之前的所有文献，都是用墨水或铅笔中的“铅”（碳和黏土的混合物）里的微小碳颗粒写成的。

碳在我们生活中发挥着另一项经常不被重视的功能，那就是它为我们提供了颜色。除了海洋和天空，丰富我们日常生活的大多数颜色都涉及含碳化合物，即使它们只是将无机颜料结合在一起的黏合剂。一些颜料来源于煤焦油或其他石化产品。我们这颗碳覆盖的丰富多彩的星球，与火星、月球和金星这些太空中相对单调的邻居形成了惊人的反差。除了看不见的二氧化碳，这些天体中并无数量显著的含碳化合物。它们的表面没有被植物或颜料覆盖，所以它们呈现出令人麻木的单一色调，要么是灰色，要么是红色。

第六号元素为我们提供了数量惊人的功能，而这些功能可能经常被忽视。钢是大多数建筑、桥梁、车辆和现代战争的支柱。但钢里不只有铁元素，通过添加少量的碳来增加铁的强度，掺碳大大提高了钢的性能。汽车、卡车和公共汽车的轮胎都使用一种神奇的材料——橡胶，这种材料由碳聚合物基质中混入微小碳颗粒制成。车辆行驶的道路要么是沥青路面，要么是混凝土路面。而沥青是石油和石子的混合物，混凝土则是由岩石、石灰和黏土制成的，其中的关键成分石灰是由石灰石经过煅烧制成的。到目前为止，石灰石是地球外层碳的主要存在形式。仅仅是道路和建筑用混凝土的生产所排放到大气中的二氧化碳，就占到人类产生的二氧化碳总量的5%。

人和动物吃的所有食物，以及大部分食品包装材料，都是由含碳化合物组成的。你佩戴的钻石和用来从山石上切割出花岗岩台面的钻石，都属于碳单质。你所呼吸的空气主要由氮和氧组成，而二氧化碳的浓度很低（0.04%）。但是，二氧化碳在控制我们星球的长期宜居性方面发挥着重要作用。当然，它也是参天大树及其他所有植物的碳源，使得植物能够利用阳光提供的能量来生长。虽然充入二氧化碳气体的香槟酒和碳酸饮料很受欢迎，但由于二氧化碳在全球变暖中的负面作用，人们普遍对它持嘲讽态度。具有讽刺意味的是，我们离不开这种“有毒气体”，因为它是我们星球的“生命之粮”。

我们将讨论塑料。作为一类含碳化合物，塑料已经彻底改变了我们的社会。塑料有天然产物与人工制品之分——天然的如琥珀，但更主要的是人工制品。自第二次世界大战以来，人类已经生产了近100亿吨合成塑料，其原料通常来自石油，而碳是石油中的主要成分。无论是作为垃圾还是作为我们离不开的产品，塑料都已经无处不在。尽管提到塑料，会让人想起地球和海洋中的废弃物和污染，但它们也以非凡的方式丰富着我们的生活。塑料的使用场合似乎无穷无尽，我们的一些高精尖材料就是塑料。例如，由环氧树脂和石墨纤维制成的复合材料被用于制造航天器、网球拍、飞机、滑板、昂贵的汽车和洲际弹道导弹的弹头等产品。电视和手机上所用的最高质量显示屏是由有机发光二极管（OLED）制成的。“OLED”是首字母缩写，其中“O”的全称“organic”（有机）并不意味着它诞生于不使用农药的农场里，而是表示它由含有碳-氢键和碳-碳键的碳基分子构成。这种“误解”是科学术语被误用的常见例子，或者至少是一种替代用法。根据科学定义，一氧化碳（CO）、二氧化碳和氰化物不是有机分子，尽管杂货店里的几乎所有食物（包括传统种植的蔬菜）都是由有机分子组成的。

很难想象，生活在没有塑料的现代世界是什么情形。一个简单的例子是拉链袋提供的方便。几千年来，人们用葫芦、黏土罐、篮子或动物内脏作为容器来存储珍贵的食物和水，但与耐用、透明、比头发丝还薄、几乎没有重量还可以使用多年的聚乙烯材料制成的结实防水袋相比，这些容器的实用性相形见绌。然而，现在我们使用了太多的塑料袋、塑料包装和塑料容器，它们已经成为严重的环境公害。

我们将看到，像许多其他东西一样，碳元素既有正面的潜力和属性，也有负面的潜力和属性。开采并使用煤炭和石油，甚至吸入营火的烟灰，都会对现在和过去的人类健康造成严重后果。化石燃料的燃烧导致了二氧化碳的积累，这引发了人们对人类造成的全球变暖和海平面上升的担忧。具有放射性的碳-14（ ¹⁴ C）是由宇宙射线撞击大气层顶部的氮产生的（核弹试验也会有一定的贡献），它为确定人类文明诞生以来的事件发生的年代提供了一种奇妙的手段，但与煤炭一样，它也有副作用。我们体内1/2的放射性是由碳-14的衰变引起的，其衰变速率高达每秒钟4 000次。想到这一点就令人惊讶：我们身体中碳原子的浓度可以使盖革计数器因过载而失灵，而大气层边缘产生的放射性碳和正常碳都被用于构建植物结构，这些植物最终又会被我们吃掉。我们体内另外1/2的放射性来自骨骼中天然钾的衰变。尽管这种放射性听起来糟糕得吓人，但据说DNA（脱氧核糖核酸）中碳-14的衰变可能在基因突变中发挥了作用，使物种能够在长时间尺度上演化。

我们对第六号元素的研究，将使我们了解碳在这些方面和其他伦理方面的用途。我们将走进大科学家（物理学家、化学家、天文学家、生物学家等）的实验室，他们为我们理解碳元素和元素的确切含义做出过贡献，而这些实验室曾在科学史上发挥至关重要的作用。科学家或那些曾经被称为自然哲学家的人花了几个世纪的时间，才弄清楚什么是元素。起初，人们对元素的理解只能通过其行为特征来完成：如果一种特定物质在化学反应中总是以相同的方式起作用，并且不能分解成具有不同性质的次一级物质，它就被认为是一种元素。直到后来，元素的特性、原子和原子结构之间的联系才被理解。

奇妙的碳元素在最宏大的意义上真正塑造了“我们的世界”，包括地球上生物的起源和演化，而且我们对碳的理解可以延伸到宇宙的整个空间和时间尺度上，涵盖已经发生和将要发生的无数核反应和化学反应。