*荣获《选择》杂志（Choice）2024年度杰出学术著作奖
*中科院国家天文台研究员、中国科学院大学教授 苟利军 倾情赞誉；启迪之星常务副总经理、清华大学化学系博士 郑庆伟，北京市地勘院高级工程师、科普作家 马志飞 作序荐
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这是一部简洁、深刻、震撼、宏大的碳元素全景式科普著作。
它涉及化学、宇宙学、天体生物学、天文学、生态学等多个领域，涵盖材料科学、能源科学、环境科学、生命科学的前沿技术。
两位作者以宇宙学的宏大视角，带我们重新认识碳这种无处不在的元素。
碳——宇宙与生命的基石，从恒星熔炉到地球生命的化学密码，历经演化长河中的重大变迁；
碳——从远古生物到现代人类，塑造你我日常生活的无名英雄，构造生命离不开的关键物质；
碳——现代科技得以实现的根本，解决碳中和、碳排放、气候变化等社会热点问题的关键所在。
#我们真的了解塑造世界的碳吗？它悄然融入我们的生活，出现在任何你能想到和想不到的地方。中学化学课学到的，只是沧海一粟；关于碳的科学，我们近乎一无所知。
#碳从哪里来？如何塑造了并继续塑造着我们生活的世界？
从基础概念到前沿研究，打开这本书，碳化学的奇幻画卷在我们眼前徐徐展开。
元素周期表中的第六号元素是什么？
氢氦锂铍硼……是碳。
没错，提到碳，你会先想到什么？
是煤炭、石油这些现代人类社会赖以维系的能量来源——化石燃料，还是碳纳米管、富勒烯这些经常出现在科技新闻里的新词？又或者，你可能会首先想到碳中和、碳排放、碳捕集、碳封存、温室效应？
碳无处不在。它是地球生命的基石，更为人类社会奠定了基础。从过去到现在，再到遥远的未来，各种形式的碳对地球、生命、人类有着无可匹敌的深远影响。
不过，你可能没有意识到这一点：尽管碳在太阳这样的恒星中含量丰富，但平均到整个地球来看，碳实际上是一种稀有元素。我们生活在一个富含碳的环境中，而这个环境位于一个贫碳行星的表面！这是如何发生的？
天文学家西奥多·斯诺和唐·布朗利带我们踏上了一段跨学科的探索旅程，以宇宙学的宏大视角，回顾碳从宇宙诞生到地球演化、从生命起源到人类文明的非凡旅程。
读完这本书，你将明白，奇妙的碳元素如何在宏大的意义上真正塑造了我们的世界。
荐序1 III
荐序2 IX
引 言 XIII
1章 碳的发现、起源和扩散 001
第2章 碳的化学：为什么它如此特殊？ 027
第3章 地球和太阳系中的碳 047
第4章 碳与地球和其他地方的生命 067
第5章 银河系中的碳 105
第6章 碳有什么用处？ 127
第7章 钻石 161
第8章 大气、气候和宜居性 187
第9章 碳的出处 209
结语 碳：从开始到无限 219
注释 227
参考文献 235
西奥多·P. 斯诺（Theodore P.Snow）：科罗拉多大学博尔德分校天体物理学和空间天文学中心名誉教授，国际天文学联合会（IAU）活跃成员，宇宙起源光谱仪科学团队成员；获奖教材《动态宇宙》的作者。
唐·布朗利（Don Brownlee）：华盛顿大学天文学名誉教授、天体生物学项目成员，美国宇航局“星尘”任务的首席研究员；科普作家，此前他与华盛顿大学古生物学家彼得·沃德合著了《稀有地球》等。
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，而由这种化学元素组成的物质形态犹如一把“瑞士军刀”，其独特的化学功能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，以及为什么我们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，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。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有东西上并形成分子。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）。自然界中丰富的富勒烯形态就是类似足球的准球状分子C60。众所周知，碳还可以形成高级的矿物——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，我们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，并终在遥远的未来那难以描述的深时被摧毁。
◑我们这个时代具挑战性的科学努力之一是预测和了解二氧化碳（CO2）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，就像初的洞穴人所做的。碳是元素周期表中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，一节课一定是告诉我们生命是以碳为基础的，这种碳元素的独特之处在于它能够与自身或许多其他元素通过形成各种化学键而存在。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：从早的已知文字和绘画到新的纳米技术；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、发明并将文学、艺术、音乐、法律、数学和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。直到近，碳还被用来创造几乎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有文献，都是用墨水中或铅笔的“铅”（碳和黏土的混合物）中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上的基本作用。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。我们这颗丰富多彩的碳覆盖的星球，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。它们的表现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，而是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。虽然在香槟酒和碳酸饮料中二氧化碳气体很受欢迎，但由于它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。尽管一提到塑料，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，我们的一些高精尖的材料都是塑料。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OLED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）、CO2 和氰化物不是有机分子，尽管杂货店里的几乎有食物（包括传统种植的蔬菜）都是由有机物制成的。
◑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。放射性碳–14（14C）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，但据说正是DNA（脱氧核糖核酸）中碳–14 的衰变可能在基因突变中发挥作用，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，他们对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。