引言

環(huán)顧四周，碳無處不在：這本書里的紙張，紙張上的油墨，黏合紙張的膠水；鞋子的皮革，衣服的合成纖維和彩色染料，特氟龍拉鏈和魔術(shù)貼；我們吃的每一口食物，喝的每一口啤酒、烈酒、汽水、起泡酒；房間里的地毯，墻壁上的油漆，天花板上的瓷磚；天然氣、汽油、燭用蠟（制造蠟燭用的石蠟，通常為半精煉石蠟或粗石蠟）等各種燃料；堅固的木材和拋光的大理石；各種黏合劑、潤滑劑；鉛筆的筆芯（主要材料是石墨），戒指上的鉆石；阿司匹林、尼古丁、可待因和咖啡因，以及其他你服用過的幾乎所有藥物；任何塑料制品，從購物袋到自行車頭盔，從廉價的家具到名牌太陽鏡。從出生到死亡，碳原子時刻圍繞在我們身邊。

碳是生命的賦予者：你的皮膚和頭發(fā)、血液和骨骼、肌肉和筋腱全都依賴于碳。實際上，你體內(nèi)的每個細(xì)胞，甚至細(xì)胞的每個部分，都依賴于堅固的碳骨架。母乳中的碳支撐起孩子心臟的跳動。愛人的眼睛、手、嘴唇以及大腦均以碳為基礎(chǔ)。當(dāng)你呼吸時，碳從鼻腔逸出；當(dāng)你親吻時，碳在唇齒間徘徊。

我們也可以輕易地列舉出生活中不含碳的物品，比如冰箱里的鋁罐、蘋果手機里的微型硅芯片、可以用來制作烤瓷牙的黃金等等。但須牢記，我們生活在一個富含碳的星球上，我們本身就由碳元素構(gòu)成。

每一種化學(xué)元素都很特殊，盡管如此，有些元素還是比別的元素更特殊。在元素周期表種類繁多的元素中，第6 號元素，即碳元素，對我們的生活產(chǎn)生了獨一無二的影響。碳不僅僅是構(gòu)成物質(zhì)的靜態(tài)元素，它還能夠跨越浩瀚的時空，提供最為關(guān)鍵的化學(xué)聯(lián)系，幫助我們理解宇宙演化的奧秘。在將近140 億年的時間里，宇宙不斷演化，塑造出更加豐富多彩的圖案，這個過程伴隨著無盡的化學(xué)反應(yīng)，讓人為之著迷，卻又滿懷疑惑。

碳是宇宙演化的核心，也是構(gòu)成行星和生命的關(guān)鍵。相比其他元素，碳對新技術(shù)的快速出現(xiàn)發(fā)揮了更大的作用，使人類社會從工業(yè)革命的蒸汽時代演進(jìn)到我們現(xiàn)在所處的塑料時代。當(dāng)然，人類的碳排放也前所未有地加速了全球范圍內(nèi)環(huán)境和氣候的變化。

那么，我們?yōu)槭裁锤�關(guān)注碳呢？與碳相比，氫的儲量更豐富，氦的性質(zhì)更穩(wěn)定，氧的性質(zhì)更活潑，鐵、硫、磷、鈉、鈣、氮也都有自己獨特的魅力。上述元素都在地球復(fù)雜的演化過程中扮演了關(guān)鍵角色，但是要想在廣袤、寒冷、黑暗的宇宙中找尋方向，以碳為焦點才能得到更好的答案，碳元素以及含碳化合物為宇宙演化提供了無與倫比的創(chuàng)造力和潛力。

在100 多種化學(xué)元素中，我們對碳元素既充滿喜愛，又心懷忌憚。成千上萬的人不斷發(fā)明各種各樣的新型碳基材料，比如面巾紙、氨綸、氟利昂、尼龍、聚乙烯、凡士林、漱口水、急救噴霧劑、透明膠帶、橡皮泥……這些材料以直接或者間接的方式改善了我們的生活。然而，這些合成化學(xué)品的過度使用也導(dǎo)致了意想不到的后果，比如造成臭氧層空洞，使人致癌或產(chǎn)生嚴(yán)重過敏反應(yīng)。碳是所有生物分子的基礎(chǔ)，它對人類福祉和生命延續(xù)的貢獻(xiàn)之大無與倫比，但是當(dāng)機體內(nèi)的碳原子缺失或排列不當(dāng)時，疾病和死亡也會隨之出現(xiàn)。

近地表的碳循環(huán)穩(wěn)定了全球氣候，確保了生態(tài)系統(tǒng)的健康，并為我們提供了豐富的廉價能源。然而如果自然活動或人類活動（如火山噴發(fā)、煤的燃燒、小行星失控、森林消失等等）影響了碳原子的分布，那么全球氣候就可能會發(fā)生變化，生態(tài)系統(tǒng)就可能會崩潰。碳的影響并不局限于近地表的生物領(lǐng)域，它還在地球內(nèi)部參與那些將地球與其他行星區(qū)分開來的動態(tài)過程。

從某種意義上說，碳的故事就是一切的故事。然而，這種無處不在、不可或缺的元素身上充滿了謎團(tuán)。我們不知道地球上到底有多少碳，也不能完全知曉地球內(nèi)部各種碳的存在形式。我們不了解碳原子如何在地球表面和內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)運動，也不能通過地質(zhì)學(xué)家眼中的深時（deep

time）來分辨這些運動是否在數(shù)十億年間發(fā)生了顯著變化。雖然數(shù)百萬種含碳化合物已為人知曉，但科學(xué)家們才剛剛開始觸碰到碳化學(xué)的豐富性。事實上，要想解開生命起源這一最大的謎團(tuán)，必然要理解碳與其他元素之間復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。

從碳的數(shù)量和形式，到碳的運動和起源，我們對碳的了解少得可憐。尋求這些問題的答案，我們勢在必行，但僅以我們對碳狹隘的理解又怎能彌補這些鴻溝呢？科研機構(gòu)本身就在結(jié)構(gòu)上存在著缺陷，這可能注定了碳科學(xué)研究難以持續(xù)進(jìn)行。大學(xué)缺乏碳科學(xué)研究中心，大規(guī)模、跨學(xué)科的碳科學(xué)研究項目更是寥寥無幾。雖然科學(xué)發(fā)現(xiàn)依賴于提出關(guān)于自然界的問題，但也依賴于在時間和金錢有限的環(huán)境中找到相關(guān)資源，而此時，學(xué)科專業(yè)化往往優(yōu)于學(xué)科的集成和綜合。

誰會愿意支持一個不同類型的研究呢？

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請各位入座，燈光正在變暗，故事即將開始。宇宙將從絕對的虛無中誕生，故事將追溯到碳與時間出現(xiàn)之前。