宇宙是如何制造第一個元素的？

郎思策

我們或多或少都聽說過宇宙大爆炸的故事。一切從令人難以置信的高溫和密集狀態(tài)開始，然后宇宙不斷擴展。這種擴展，將宇宙中的一切散布開，同時降低了它的能量和溫度，并迫使粒子相互作用，不斷衰減和凍結……

大爆炸后的第4秒鐘，宇宙中就不存在自由的夸克，不再有反物質，中微子也不再與任何剩余的粒子發(fā)生碰撞或相互作用。這時，宇宙中的物質比反物質多，每個質子或中子都對應有10億個光子，此時宇宙的溫度也只是略低于1010 K。但是，它還不能制造出任何元素。

那宇宙第一個元素是如何被制造出來的呢？這需要從大爆炸后的3秒內發(fā)生的事情說起，它對于接下來的元素的產生尤為重要。

不穩(wěn)定的質子和中子

這時的宇宙中充滿了質子和中子，它們與電子或中微子碰撞并相互轉化，從一種類型變?yōu)榱硪环N類型。這些反應都遵循能量守恒定理，即重子數(shù)（質子和中子的總數(shù)，設為10）和電荷總量是不變的。那么，這意味著在最初的階段，質子和中子占比是5：5，并且，電子的數(shù)量等于質子數(shù)。

但是，由于中子比質子重，依愛因斯坦質能公式E=mc2可知，產生中子比產生質子需要更多的能量。在這種條件下，中子和電子（或中微子）發(fā)生碰撞依然可以轉化為質子，但質子和電子（或中微子）發(fā)生碰撞無法轉化為中子（因為需要更多的能量），所以只能保持還是質子。這樣，隨著時間流逝，中子持續(xù)在轉變成質子，中子越來越少，質子卻越來越多。到第3秒的最后，宇宙中，質子——和相等數(shù)量的電子——大約占70%，中子大約占30%。

質子、中子和電子都是在溫度非常高、密度非常大的環(huán)境下四處飛行，這很像今天正發(fā)生在太陽中心的事情。是的，我們很自然就會想到，質子和中子會融合在一起，然后產生原子核，并釋放出能量（遵循愛因斯坦的E=mc2）。并且接下來，這些原子核又與電子結合，然后開始源源不斷產生我們元素周期表中的那些穩(wěn)定的、中性的元素。

喬治·伽莫夫——大爆炸理論的創(chuàng)始人，聲稱所有這些元素都是在大爆炸時形成的——即在最熱、密度最高的地方。可惜，他的看法并不正確。宇宙確實在大爆炸期間，在最高、最熱的地方產生了元素，但只不過是極少數(shù)而已。

最早的原子核——氘核

我們知道，為了制造元素，需要有足夠的能量，將這些質子、中子、電子等融合在一起。并且為了保留它們，用它們來制造更重的東西，首先要確保它們不遭到破壞。但是在宇宙的早期，幾乎做不到這一點——它們很快就會遭到破壞。

假設大爆炸后的第3秒鐘，宇宙充滿了70%的質子（和相等數(shù)量的電子），30%的中子，并且每個質子或中子都對應有10至20億個光子。為了制造重元素，第一步必須是使質子與中子產生碰撞，或是質子與另一個質子產生碰撞。這么做的目的，是制造一個將兩個核子（如質子和中子）結合在一起的原子核，這是構建更復雜的元素的第一步。

這部分很簡單，宇宙毫無問題地制造了大量的氘核。但問題是，這些氘核被制造出來后，又很快被消滅了。

容易遭破壞的氘核

在宇宙最高熱的時候，光子的數(shù)量遠遠超過質子和中子，所以它與氘核發(fā)生碰撞的概率極大。大到什么程度呢？幾乎可以說是百分之百——反過來說，不是光子與氘核發(fā)生碰撞的幾率小于十億分之一。

在高熱的情況下，光子擁有足夠多的能量，可以立即將氘核分解為質子和中子。于是，出現(xiàn)這種情況——宇宙不斷制造氘核，但它很快又被毀滅（如果不是這樣，那么宇宙產生元素會變得簡單很多）。

只要宇宙溫度足夠高，那么，這種情況就會一直存在。這就是為什么宇宙學家稱“氘核是宇宙制造元素的瓶頸”：宇宙樂意并且有能力制造元素，但是必須經歷氘核容易被破壞這個階段。

因此，只有等到宇宙冷卻，等到它的溫度降至某個值——該溫度下光子能量不足以分解氘核。但這需要3分鐘以上的時間，與此同時，宇宙中還會發(fā)生其他事情。只要中子是自由未受約束的，它們就會變得不穩(wěn)定并開始衰變。

其他核子的產生

宇宙擴展和冷卻至氘核不立即被分解所需的實際時間，約為3.5分鐘。在這段時間內，又有約20%的中子會變成質子。質子和中子在早期是5：5的比例，在3秒后變成了7：3的比例。現(xiàn)在，經過3分多鐘的時間，變成了約是9：1。

這時，宇宙已冷卻到一個合適溫度——氘核不再被破壞。氘核終于被制造了出來，緊接著，我們元素周期表上的其他核子也開始被制造。例如，向氘核中添加另一個質子，將得到氦-3。在氘核中再添加一個中子，就會得到氫-3，也就是氚。如果隨后在氦-3或氚中添加氘核，則會分別得出氦-4和一個質子或一個中子。到宇宙誕生3分45秒時，幾乎所有的中子都已經被用來形成氦-4了。

從質量上來看，這時的宇宙是這樣的：氫（質子）占76%，氦- 4（2個質子和2個中子）占24%，氘（1個質子和1個中子）占0.01%，氚和氦- 3（氚是不穩(wěn)定的，會衰變?yōu)楹? 3，帶有2個質子和1個中子）占0 . 0 0 3%，鋰-7和鈹-7（由氚或氦- 3和氦- 4融合一起形成，帶4個質子和3個中子）占0.00000006%。

當宇宙已經膨脹并冷卻到其密度僅為太陽核心密度的十億分之一時，核聚變就不再發(fā)生了，并且也沒有辦法將質子與氦-4或將兩個氦-4核穩(wěn)定地融合，所以鋰-5（由質子與氦-4組成）和鈹-8（由兩個氦-4組成）都非常不穩(wěn)定，會在幾分之一秒后消失。

宇宙最早的元素——氫、氦

宇宙確實在大爆炸之后立即形成元素，但幾乎形成的所有元素都是氫或氦的原子核（不帶電子）。大爆炸后，宇宙中殘留著少量的鋰，因為鈹-7會被分解為鋰，但按質量計不到十億分之一。

當宇宙溫度降到足以使這些原子核束縛電子時，我們才擁有了我們的第一個元素——第一代恒星將由其制成。然而，宇宙這時還無法制造出我們認為對生存至關重要的元素，例如碳、氮、氧、硅等，那時宇宙中只有氫和氦，并且達到99.9999999%的水平。從大爆炸開始到形成第一個穩(wěn)定的原子核只用了不到4分鐘的時間，這個過程是在高熱，高密度，不斷拓展和冷卻的環(huán)境下進行的。從那時起，我們宇宙中的物質故事開始了。