宇宙是如何制造第一个元素的？

郎思策

我们或多或少都听说过宇宙大爆炸的故事。一切從令人难以置信的高温和密集状态开始，然后宇宙不断扩展。这种扩展，将宇宙中的一切散布开，同时降低了它的能量和温度，并迫使粒子相互作用，不断衰减和冻结……

大爆炸后的第4秒钟，宇宙中就不存在自由的夸克，不再有反物质，中微子也不再与任何剩余的粒子发生碰撞或相互作用。这时，宇宙中的物质比反物质多，每个质子或中子都对应有10亿个光子，此时宇宙的温度也只是略低于1010 K。但是，它还不能制造出任何元素。

那宇宙第一个元素是如何被制造出来的呢？这需要从大爆炸后的3秒内发生的事情说起，它对于接下来的元素的产生尤为重要。

不稳定的质子和中子

这时的宇宙中充满了质子和中子，它们与电子或中微子碰撞并相互转化，从一种类型变为另一种类型。这些反应都遵循能量守恒定理，即重子数（质子和中子的总数，设为10）和电荷总量是不变的。那么，这意味着在最初的阶段，质子和中子占比是5：5，并且，电子的数量等于质子数。

但是，由于中子比质子重，依爱因斯坦质能公式E=mc2可知，产生中子比产生质子需要更多的能量。在这种条件下，中子和电子（或中微子）发生碰撞依然可以转化为质子，但质子和电子（或中微子）发生碰撞无法转化为中子（因为需要更多的能量），所以只能保持还是质子。这样，随着时间流逝，中子持续在转变成质子，中子越来越少，质子却越来越多。到第3秒的最后，宇宙中，质子——和相等数量的电子——大约占70%，中子大约占30%。

质子、中子和电子都是在温度非常高、密度非常大的环境下四处飞行，这很像今天正发生在太阳中心的事情。是的，我们很自然就会想到，质子和中子会融合在一起，然后产生原子核，并释放出能量（遵循爱因斯坦的E=mc2）。并且接下来，这些原子核又与电子结合，然后开始源源不断产生我们元素周期表中的那些稳定的、中性的元素。

乔治·伽莫夫——大爆炸理论的创始人，声称所有这些元素都是在大爆炸时形成的——即在最热、密度最高的地方。可惜，他的看法并不正确。宇宙确实在大爆炸期间，在最高、最热的地方产生了元素，但只不过是极少数而已。

最早的原子核——氘核

我们知道，为了制造元素，需要有足够的能量，将这些质子、中子、电子等融合在一起。并且为了保留它们，用它们来制造更重的东西，首先要确保它们不遭到破坏。但是在宇宙的早期，几乎做不到这一点——它们很快就会遭到破坏。

假设大爆炸后的第3秒钟，宇宙充满了70%的质子（和相等数量的电子），30%的中子，并且每个质子或中子都对应有10至20亿个光子。为了制造重元素，第一步必须是使质子与中子产生碰撞，或是质子与另一个质子产生碰撞。这么做的目的，是制造一个将两个核子（如质子和中子）结合在一起的原子核，这是构建更复杂的元素的第一步。

这部分很简单，宇宙毫无问题地制造了大量的氘核。但问题是，这些氘核被制造出来后，又很快被消灭了。

容易遭破坏的氘核

在宇宙最高热的时候，光子的数量远远超过质子和中子，所以它与氘核发生碰撞的概率极大。大到什么程度呢？几乎可以说是百分之百——反过来说，不是光子与氘核发生碰撞的几率小于十亿分之一。

在高热的情况下，光子拥有足够多的能量，可以立即将氘核分解为质子和中子。于是，出现这种情况——宇宙不断制造氘核，但它很快又被毁灭（如果不是这样，那么宇宙产生元素会变得简单很多）。

只要宇宙温度足够高，那么，这种情况就会一直存在。这就是为什么宇宙学家称“氘核是宇宙制造元素的瓶颈”：宇宙乐意并且有能力制造元素，但是必须经历氘核容易被破坏这个阶段。

因此，只有等到宇宙冷却，等到它的温度降至某个值——该温度下光子能量不足以分解氘核。但这需要3分钟以上的时间，与此同时，宇宙中还会发生其他事情。只要中子是自由未受约束的，它们就会变得不稳定并开始衰变。

其他核子的产生

宇宙扩展和冷却至氘核不立即被分解所需的实际时间，约为3.5分钟。在这段时间内，又有约20%的中子会变成质子。质子和中子在早期是5：5的比例，在3秒后变成了7：3的比例。现在，经过3分多钟的时间，变成了约是9：1。

这时，宇宙已冷却到一个合适温度——氘核不再被破坏。氘核终于被制造了出来，紧接着，我们元素周期表上的其他核子也开始被制造。例如，向氘核中添加另一个质子，将得到氦-3。在氘核中再添加一个中子，就会得到氢-3，也就是氚。如果随后在氦-3或氚中添加氘核，则会分别得出氦-4和一个质子或一个中子。到宇宙诞生3分45秒时，几乎所有的中子都已经被用来形成氦-4了。

从质量上来看，这时的宇宙是这样的：氢（质子）占76%，氦- 4（2个质子和2个中子）占24%，氘（1个质子和1个中子）占0.01%，氚和氦- 3（氚是不稳定的，会衰变为氦- 3，带有2个质子和1个中子）占0 . 0 0 3%，锂-7和铍-7（由氚或氦- 3和氦- 4融合一起形成，带4个质子和3个中子）占0.00000006%。

当宇宙已经膨胀并冷却到其密度仅为太阳核心密度的十亿分之一时，核聚变就不再发生了，并且也没有办法将质子与氦-4或将两个氦-4核稳定地融合，所以锂-5（由质子与氦-4组成）和铍-8（由两个氦-4组成）都非常不稳定，会在几分之一秒后消失。

宇宙最早的元素——氢、氦

宇宙确实在大爆炸之后立即形成元素，但几乎形成的所有元素都是氢或氦的原子核（不带电子）。大爆炸后，宇宙中残留着少量的锂，因为铍-7会被分解为锂，但按质量计不到十亿分之一。

当宇宙温度降到足以使这些原子核束缚电子时，我们才拥有了我们的第一个元素——第一代恒星将由其制成。然而，宇宙这时还无法制造出我们认为对生存至关重要的元素，例如碳、氮、氧、硅等，那时宇宙中只有氢和氦，并且达到99.9999999%的水平。从大爆炸开始到形成第一个稳定的原子核只用了不到4分钟的时间，这个过程是在高热，高密度，不断拓展和冷却的环境下进行的。从那时起，我们宇宙中的物质故事开始了。