地球上每一個生命體都是基於四種元素構建的，其中包括氫,氧,氮，或許更重要的是碳。英國物理學家、天文學家和數學家詹姆斯·金斯（1877-1946）曾經有句名言：宇宙中存在生命只是因為碳原子具有某些特殊的性質。
碳就是生命，碳還是人類如何活著，地球如何適宜居住的基礎，它幾乎和所有的東西有關。自從化學家80年前發現了長壽命的放射性同位素碳-14以來，人類就有了一種神奇的工具，可以深入探究地球上存在的幾乎所有方面，甚至還能探索宇宙。
更通俗的說，地下出土的古物，科學家可以通過放射性碳年代測定法確定它的歷史年代。今天地球現存的生命也可以採用碳14年代測定法。
就在本周，生物學家剛剛通過這個方法確認了一條大嘴牛胭脂魚的年齡，此前已知該該物種的最大壽命是26歲，然而研究人員卻通過該技術確認了一條壽星牛胭脂魚的年齡高達112歲，這也使得大嘴牛胭脂魚成為了迄今為止已經的最古老的淡水硬骨魚。具體操作中，研究人員將試驗中魚的碳14含量與20世紀中期原子彈試驗中釋放的碳濃度進行了對比，確認了5條大嘴牛胭脂魚的歲數過百，其中一條20斤重的魚以112歲高齡打破記錄。
由於碳14的衰變可以用於追蹤時間的流逝，因此它掀起了一場20世紀科學領域的革命，覆蓋了生理學、生物化學、考古學、地質學、生物醫學、海洋學、古氣候學、人類學以及核化學等多個不同的科學領域。碳原子作為死亡時間標記的發現幾乎為所有科學領域做出了貢獻，然而很多人卻不知道，這個革命性的突破研究在當時卻差一點就夭折。
環境研究員約翰·馬拉在最新出版的《熱碳: 碳14和科學革命》中高度評價了碳-14的發現。《熱碳》以化學家馬丁·卡門的非凡故事開始。
卡門出生在加拿大，父母是俄羅斯移民。1940年2月，卡門試圖在加州大學伯克利輻射實驗室製造一種新形式的有實際用途的碳同位素。
當時馬丁·卡門已經連續三天三夜沒有睡覺，他和同事薩姆魯本用亞原子粒子轟擊一片石墨。2月27日凌晨，在收集了足夠多的用於測量同位素的輻射石墨後，精疲力竭的卡門搖搖晃晃地走出了他的實驗室。此時的他，睡眠嚴重不足，迫切需要休息。滿臉皺紋，紅著眼睛，蓄了三天的鬍子，樣子看上去十分糟糕。這個憔悴樣，您是不是聯想起拾荒者或者嫌疑犯？
事情就是這麼不幸，伯克利警方當時正在追捕一名犯下數起謀殺案的逃犯。當警察們注意到蓬頭垢面的卡門時，他們立即把他控制起來，然後塞進巡邏車的後座，並以殺人嫌疑人的身份審問他。因此上個世紀進行的一項最具革命性的研究，差點在其首席科學家被控謀殺時流產了。
直到目擊者明確表示卡門不是警方追捕的那個人，他才得以釋放，於是他急不可待地回到加州大學的輻射實驗室，他的同事薩姆·魯本已經對收集的樣本進行了細緻分析，發現它具有可測量的放射性。沒過多久，他們就意識到他們已經製造出了一種具有非凡性能的物質。因此碳14C的故事以一種高度戲劇化的手法開始了。
在此前的研究中，由於這種重碳的半衰期原本預計只有幾分鐘或幾小時，所以被科學家們列為低優先性。然而卡門和魯本的努力證明了碳14將在幾千年的時間裡保持穩定，幾年後科學家確定碳-14的半衰期是5730年。
約翰·馬拉的新書中這樣描述此次發現：1940年2月27日那個陰鬱的夜晚和早晨，碳-14誕生了，它可能是地球上生命中最重要的同位素。自此之後這種物質革命性地改變了多個不同科學領域的研究。
碳14的原子核中有6個質子和8個中子。相比之下，我們身體和外部世界的大部分碳被稱為碳-12，它只有6個質子和6個中子。至關重要的是，碳14的這兩個額外的中子使碳-14原子核不穩定，從而會使其放射性衰變為氮原子。碳14非常罕見，只有1萬億分之一的碳原子是碳14。更為重要的是，這些衰變相對來說並不頻繁，因此可能用來測量數萬年來碳樣本的變化。
正如馬拉在這段非凡的碳-14歷史中所揭示的那樣，科學家們很快意識到這種同位素一定會影響今天的生物。宇宙射線撞擊高層大氣層，在空氣中發射出中子級聯。這些中子撞擊地球大氣的主要成分氮原子，並將其中一些轉化為碳14原子。反過來，這些原子與氧氣結合產生放射性二氧化碳，被植物吸收，然後被動物吃掉。地球上的每一種生物因此都變得具有放射性，儘管只是輕微程度的。
碳-14的發現很耀眼，但其他科學家，研究機構和偶然的發現，同樣對於碳-14的價值發現有很重要的作用。以1960年諾貝爾化學獎得主芝加哥大學的威拉德·利比為例，他開發了放射性碳年代測定法。
利比是參與曼哈頓計劃製造第一課原子彈的化學家。他意識到碳-14所產生的放射性物質可以被充分利用，當一個有機體死亡時，它將停止吸收碳，包括碳14，而它現有的碳14村村將慢慢腐爛。因此通過測量取自生物體的樣本的放射性，可以估計其碳14的含量，並且可以測量其死亡時間。追溯死亡事時間對於考古學和古生物學來說，這將是革命性的變化。
利比小心翼翼地校正了他的探測器，並開發出一種方法來屏蔽任何穿透他實驗室設備牆壁的輻射，從而解決了這個問題。然後他通過比較來自兩個截然不同來源的含有碳的甲烷氣體樣本，為他的技術提供了最終驗證。其中一個樣本提取自天然氣，天然氣是一種化石燃料，其碳14應該很久以前就衰變了。第二個樣本來自巴爾的摩市汙水系統，是從人類糞便中提取的。利比推斷，它應該富含有人類剛剛產生的碳14。接下來的檢測結果正是他所發現的，古甲烷代不含有碳14。相比之下，人類新排出的甲烷的同位素含量相對較高。約翰·馬拉形容這個實驗的發現時說: 下水道裡的人類排洩物推動了科學的發展。
利比然後通過測量一系列已知古代有機樣品的放射性，來最終證明他的年代追溯技術的可行。其中包括來自辛努塞爾特三世的埃及葬禮船的木材，包裹死海捲軸的亞麻布，還有在摧毀了龐培古城的火山噴發中「煮熟」的麵包卷。 這些物品的放射性測量結果與他掃描過的物品的已知日期完全吻合。
這是一項偉大的事業，利比因此獲得了1960年的諾貝爾化學獎，儘管從某種意義上說，他很幸運。利比假設大氣中碳14的生成速率在過去的數萬年裡是恆定的，然而事實上由於太陽黑子活動的變化、大氣層核彈試驗和化石燃料二氧化碳排放量的增加，其變化相當大。科學家們現在意識到，雖然放射性碳年代測定法的基本依據正確。在估算年齡時必須仔細考慮這些因素。
最近放射性碳年代測定法已經從簡單地測量碳-14原子核的放射性，轉變為直接計算樣品中同位素的原子數。這是通過一種叫做加速質譜(AMS)的技術完成的，這種技術使科學家能夠從最小的樣本中確定骨骼、人工製品和其他碳基物品的年代。AMS技術是一個巨大的進步，僅僅只需要幾毫克物質就可以測定年代，而不需要分析幾克。
通過這種方式，AMS的開發人員引發了一場始於上世紀60年代的年代測定革命，而之前考古學的發現也面臨新技術的挑戰。一個涉及碳14使用的例子推翻了過去西歐文化始於中東並隨著農業的發展向西方慢慢傳播的觀點。
放射性碳年代測定法揭示了一幅截然不同的圖景，表明英國、法國和中歐的新石器時代文化一定是獨立進化的。後來這項技術被英國、瑞士和美國的實驗室用於測定都靈裹屍布所用亞麻的年代，有些人認為這塊布是耶穌被釘死在十字架上的裹屍布，上面印著一個長著鬍鬚的男人形象。然而科學家們僅僅只使用了幾塊布料碎片，就追溯其年代為公元1260年至1390年。
多年來，碳14的使用已經遠遠超出了確定古代文物年代的範圍。為了測試藥物的安全性和有效性，可以給藥物貼上碳-14的標籤，並在藥物通過人體時跟蹤觀察。其他研究人員利用同位素追蹤植物將二氧化碳轉化為糖的過程，揭示了支撐光合作用的複雜過程。此外碳14還被用來研究浮遊生物和其他形式的海洋生物，揭示了海洋的水是如何在一個環繞地球的巨大的相互連接的洋流網絡中循環。魚的碳含量會記錄下它吃了什麼，反過來又會反映出周圍水的化學成分，水質會受到海洋混合方式的影響。
此外，碳14在揭示地球氣候如何在數萬年的時間裡發生變化方面發揮著重要作用，隨著科學家們對於碳排放的不斷增加如何引發危險的全球變暖的理解日益增多，這項工作變得尤其重要。碳14正令人難以置信的將我們星球的現在與過去聯繫起來，同時又將幫助我們了解地球未來的發展方向。