大爆炸模型是如何诞生的

这是现代宇宙学系列文章的第八篇。
宇宙学的大爆炸模型说，宇宙是从遥远过去的单一事件中产生的。该模型的灵感来自冒险的宇宙量子蛋想法，该想法表明，在开始时，所有存在的东西都被压缩成不稳定的量子态。当这个单一的实体破裂并腐烂成碎片时，它创造了空间和时间。
采用这个富有想象力的概念并制定宇宙理论是一项相当有创造力的壮举。事实证明，要理解宇宙婴儿期，我们需要调用量子物理学，非常小的物理学。

结合的能量

这一切都始于1940年代中期的俄裔美国物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow）。他知道质子和中子在原子核中被强核力结合在一起，电子通过电引力保持在原子核周围的轨道上。强力不关心电荷的事实为核物理学增加了一个有趣的转折。由于中子是电中性的，因此给定元素的原子核中可能具有不同数量的中子。例如，氢原子由质子和电子组成。但是可以在其原子核中添加一个或两个中子。
这些较重氢的表亲被称为同位素。氘有一个质子和一个中子，而氚有一个质子和两个中子。每种元素都有几种同位素，每种同位素都是通过在原子核中添加或提取中子来构建的。伽莫夫的想法是，物质将从最初填充空间的原始物质中构建。这种情况逐渐发生，从最小的对象到较大的对象。质子和中子结合形成原子核，然后结合电子形成完整的原子。
我们如何合成氘？通过融合质子和中子。氚呢？通过将额外的中子融合成氘。氦气呢？通过融合两个质子和两个中子，这可以通过多种方式完成。随着越来越重的元素在恒星内部合成，聚变仍在继续。
聚变过程释放能量，至少直到形成铁元素为止。这被称为结合能，它等于我们必须提供给结合能粒子系统以打破一个键的能量。任何被某种力束缚的粒子系统都有相应的结合能。氢原子由一个结合的质子和一个电子组成，它具有特定的结合能。如果我用一种超过结合能的能量来干扰原子，我就会打破质子和电子之间的键，它们就会自由地相互远离。这种由较小核形成较重核的过程被称为核合成。