本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
我们理所当然地认为存在一张元素周期表，其中有许多元素（最近统计为 118 种），我们可以从中构建我们周围的世界。但是，当宇宙以大爆炸开始时，它最初没有任何元素。构成地球和地球上人类的许多元素必须在恒星内部的核熔炉中产生，并且只有在恒星到达生命尽头时才被释放出来。事实上，只有像氢和氦这样的轻元素是在宇宙开始时产生的。我们可以利用我们对粒子反应方式的了解，推算出这些元素在大爆炸后几分钟内是如何形成的。
阿尔法、贝特、伽莫夫...
“似乎只让阿尔法和伽莫夫署名这篇文章对希腊字母来说是不公平的，所以在准备打印稿时，加入了汉斯·A·贝特博士（缺席）的名字”
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——乔治·伽莫夫，《宇宙的创造》（1952 年）
当拉尔夫·阿尔法在 1948 年为他的博士论文答辩时，有 300 多人前来观看。论文答辩通常不会引起如此多的兴奋，至少在答辩人直系亲属之外不会，但这一次却与众不同。
在完成博士学位之前，阿尔法和他的导师乔治·伽莫夫共同撰写并发表了一篇论文，认为大爆炸会产生氢、氦和其他元素，并具有一定的丰度。幽默的伽莫夫认为，发表一篇作者名字与“alpha”和“gamma”如此相似的论文，而不包含“beta”是不合适的——幸运的是，伽莫夫的朋友汉斯·贝特很乐意帮忙，并将他的名字添加到了论文中。贝特确实审阅了手稿，并在后来研究了弥补最初论文缺点的理论。
这篇论文于 1948 年 4 月 1 日发表在《物理评论》上。它题为“化学元素的起源”，描述了一个过程，宇宙中所有已知的元素都可能在大爆炸后不久就产生了。它建立在伽莫夫之前的研究基础上，伽莫夫认为元素的起源“是原始物质的连续累积过程，受到快速膨胀和冷却的抑制”——换句话说，不同的原子是通过一次向原子核添加一个核子而制成的，然后在宇宙变得太冷时停止了这个过程。
阿尔法和伽莫夫（在贝特的少量帮助下）提出了早期宇宙的景象，其中所有物质都是高度压缩的“中子汤”，其中一些中子能够逃逸并衰变为质子和电子，随着宇宙的膨胀和密度降低。他们认为，这些新的质子可以捕获中子，共同构成氘核——氘核是氢的一种同位素，它有一个质子和一个中子。然后，他们推断了这个想法，并表示要制造更重的原子核，只需捕获另一个核子即可。
但这比这稍微复杂一些。他们的想法适用于氦之前的元素——并且确实产生了氢和氦，氢和氦共同构成了宇宙中 99% 的物质，其比例正确，可以解释它们的丰度——但是当你试图将五个核子放在一起时，它就失败了。没有任何元素的稳定同位素具有五个核子。阿尔法和伽莫夫的理论依赖于将每个元素作为通往下一个元素的垫脚石，因此它被这条信息阻碍了前进的步伐。
尽管如此，这是朝着正确方向迈出的重要一步，并且由于氢和氦占了宇宙的很大一部分，因此确实描述了宇宙的大部分。当时，该理论也被认为是重要的。似乎在阿尔法论文答辩室里的 300 人中，就有《华盛顿邮报》的人。在他的演讲结束后，他们刊登了一篇题为“世界在 5 分钟内开始，新理论”的文章。
大爆炸核合成
自从阿尔法、贝特和伽莫夫发表他们的论文以来，宇宙学家在早期宇宙中轻元素的形成方面做了更多的工作。这个过程现在有了一个名称：大爆炸核合成。
在大爆炸后的最初几秒钟内，宇宙非常热和稠密，使其完全电离——所有的质子、中子和电子都自由移动，没有聚集在一起形成原子。仅仅在三分钟后，当宇宙从 1032 度冷却到 109 度时，轻元素的形成才可能开始。
此时，电子仍然自由漫游，只有原子核才能形成。质子在技术上是第一个原子核（当与电子结合时，它们构成氢原子），而氘核是第二个。氘核是氘的原子核，是在质子和中子融合并释放光子时形成的。
氘核和中子可以融合形成一个氚核，它有一个质子和两个中子。当氚核遇到质子时，两者可以结合成一个氦核，它有两个质子和两个中子，称为 He-4。通往氦的另一条路径是氘核和质子结合成一个氦核，它有两个质子，但只有一个中子，He-3。当 He-3 遇到中子时，它们可以融合形成一个完整的氦核 He-4。这些反应的每一步也会释放一个光子。
光子发射可能是一个缓慢的过程，并且有一组反应可以使氘核更快地产生氦核，因为它们绕过了光子的发射。它们从融合两个氘核开始，最终结果是一个 He-4 核以及一个质子或一个中子，具体取决于具体路径。
锂和铍的产量也很少。整个过程在大爆炸后的 20 分钟内结束，当时宇宙变得太冷和稀疏，无法形成原子核。
轻元素的丰度可以使用一个量来预测——核合成时重子的密度。重子是由三个夸克组成的粒子，例如质子和中子。使用大爆炸核合成预测的重子密度，宇宙的总质量将是 25% 的氦、0.01% 的氘，而锂甚至更少。这些原始丰度可以被测试，而且，当然，已经被测试过了。在宇宙中，氦的丰度从未低于 23%。这是大爆炸的主要证据。
在大爆炸核合成中形成的原子核必须等待很长时间才能与电子结合形成中性原子。当中性氢最终在大爆炸后 380,000 年形成时，宇宙微波背景 (CMB) 辐射被发射出来。
阿尔法和他的同事罗伯特·赫尔曼在 1940 年代后期预测了 CMB 的存在，当时他们意识到遗迹辐射将是电子与原子核复合的副作用。CMB 现在为我们提供了一种方法，可以通过对重子密度的独立测量来复核我们的工作。通过观察 CMB 的波动，我们发现重子密度可以给出正确的轻元素丰度——看来我们确实了解宇宙开始后仅仅几分钟内发生的事情。
参考文献
Alpher, R., Bethe, H., & Gamow, G. (1948). 化学元素的起源 《物理评论》, 73 (7), 803-804 DOI: 10.1103/PhysRev.73.803