大爆炸模型是如何诞生的(2)

早期的宇宙

1947年，伽莫夫得到了两位合作者的帮助。拉尔夫·阿尔菲是乔治华盛顿大学的研究生，而罗伯特·赫尔曼在约翰霍普金斯应用物理实验室工作。在接下来的六年里，这三位研究人员将开发大爆炸模型的物理学，就像我们今天所知道的那样。
伽莫夫的设想始于一个充满质子、中子和电子的宇宙。这是早期宇宙的物质成分，阿尔菲称之为ylem。在混合物中加入了高能光子，这是早期宇宙的热成分。宇宙在这个早期是如此的热，不可能有任何束缚。每次质子试图与中子结合形成氘原子核时，光子就会快速地撞击它们。电子，被弱得多的电磁力束缚在质子上，没有机会。太热就没有约束力了。我们谈论的是非常高的温度，大约1万亿华氏度。
当我们描述宇宙历史的早期阶段时，宇宙汤的图像会很自然地出现。物质的组成部分自由游荡，相互碰撞，与光子碰撞，但从未结合形成原子核或原子。它们有点像热蔬菜汤里漂浮的蔬菜。当大爆炸模型演化成它被接受的形式时，这道宇宙汤的基本成分发生了一些变化，但基本配方没有变。
结构开始出现。随着宇宙的膨胀和冷却，分层聚类的物质稳步发展。随着温度降低，光子的能量降低，质子和中子之间的核键成为可能。一个被称为原始核合成的时代开始了。这次形成了氘和氚;氦及其同位素氦-3;还有锂的同位素锂-7。最轻的原子核在宇宙存在的最初时刻就完成制作了。

光子关系

根据伽莫夫和合作者的说法，这一切都花了大约45分钟。考虑到各种核反应速率的更现代值，它只花了大约三分钟。伽莫夫，阿尔菲和赫尔曼的理论的非凡壮举是他们可以预测这些轻原子核的丰度。利用相对论宇宙学和核物理学，他们可以告诉我们在早期宇宙中应该合成多少氦 - 事实证明，宇宙中大约24%是由氦组成的。然后，他们的预测可以与恒星中产生的结果进行核对，并与观测结果进行比较。
然后伽莫夫做了一个更有戏剧性的预测。核合成时代之后，宇宙汤的成分主要是轻核，此外还有电子、光子和中微子——这些粒子在放射性衰变中非常重要。物质分层聚类的下一步是制造原子。随着宇宙膨胀冷却，光子的能量逐渐降低。在某种程度上，当宇宙大约有40万年的年龄时，电子与质子结合并产生氢原子的条件已经成熟。
在此之前，每当质子和电子试图结合时，光子就会把它们踢开，形成一种不愉快的三角关系，没有解决办法。当光子冷却到大约6000华氏度时，质子和电子之间的吸引力克服了光子的干扰，最终发生了结合。光子突然可以自由移动，在宇宙中追逐它们的舞蹈。它们不再干扰原子，而是独立存在，不受对物质如此重要的束缚的影响。