互动科普

宇宙最初只有氢，由氢生成氦

1929年，美国天文学家埃德温·哈勃（1889〜1953）根据星系的位移现象做出一项颠覆了人类传统宇宙观的重大发现——宇宙正在膨胀。这意味着，如果向过去追溯，宇宙应该比今天小。

根据这项发现，俄国出生的物理学家乔治·伽莫夫（1904〜1968）更进一步指出，“宇宙之初，一切物质都应该紧密地挤在一个非常狭小的空间，处在一种超高温的状态。”在伽莫夫设想的这种“火球宇宙”中，只有尚未形成原子的质子、中子和电子在其中以极高的速度飞来飞去。

氢原子核就是单个质子。这就是说，在宇宙的最初阶段，其中只大量地存在着氢这一种元素。

在1948年，伽莫夫与他的合作者通过理论研究又发现，在火球宇宙中，氢原子核（质子）和中子可以互相聚合，产生出氦原子核（2个质子＋2个中子。原子序数为2）。这样，伽莫夫等人就成功地解开了“氦为什么会是宇宙中数量占第二位的元素”的谜团。

宇宙随着膨胀会急遽冷却，因此，生成氦的这种反应只能持续20分钟左右。现在宇宙中存在的氦，大部分都是在如此短的时间里合成出来的。

早期的非常小的“火球宇宙”

构成原子的成分电子、质子和中子零散地在其中飞来飞去。

在火球宇宙中只能够合成出轻元素

伽莫夫等人当初的设想是，不仅氦元素，所有的元素也都应该是在宇宙之初的“火球宇宙”中合成出来的。然而他们经过详细研究才知道，实际上，在火球宇宙中仅能够合成出比氦（原子序数2）重一些的下一个元素锂（原子序数3）的原子核。

原子核内的质子数和中子数之和叫做“质量数”。原子核彼此聚合应该生成质量数更大一些的原子核。然而伽莫夫等人发现，在火球宇宙中，原子核在质量数很小的阶段就已经不可能继续通过核聚变进一步聚合而生成质量数更大的原子核。

例如，在质量数为4的氦原子核中，质子和中子已经紧密接触，彼此结合得十分牢固。如此牢固的氦原子核如果再受到其他质子和中子的碰撞，即使瞬间发生聚合，形成了质量数为5的原子核，也极不稳定，会立即解体而恢复为氦原子核。这就是在火球宇宙中原子核不可能再进一步聚合的原因。

质量数为8的原子核会瞬间解体

伽莫夫等人理论的基本前提也受到了批评者的反对。英国天文学家弗雷德·霍伊尔（1915〜2001）认为，伽莫夫等人假定宇宙之初处在一种高温高密度状态的那个前提本身就是错误的。

在一个无线电广播科普节目中，霍伊尔批评伽莫夫等人的理论：“说什么宇宙开始自一场大爆炸（bigbang），那简直是无稽之谈。”后来，人们把“宇宙从一种超高温超高密度的状态开始膨胀”的这种宇宙创生的观点称为“大爆炸”，这个名称就来自霍伊尔的讥讽用语。

（本文发表于《科学世界》2011年第3期）