揭秘宇宙大爆炸后的元素形成：为什么氢氦比例如此特殊？
揭秘宇宙大爆炸后的元素形成：为什么氢氦比例如此特殊？
为什么宇宙大爆炸后没有立即发生大规模核聚变，而是形成了特定比例的氢和氦？这个问题的答案隐藏在宇宙诞生初期的物理过程中。
今天我们聊一个最容易被大家忽视的问题，我们都知道宇宙的诞生是怎么回事，根据描述，爆炸初期宇宙是氢原子的海洋，最初的温度极高密度极高，那么问题来了，为什么这个时候氢原子不顺势发生核聚变形成重元素，而是等到几千万年甚至几亿年后第一颗恒星的诞生，才开始核聚变呢？那么宇宙初期再等什么？还是在最初的聚变中发生了意外？今天我们就来解开这两个问题，顺便说下宇宙最初的物质比例是怎样形成的？
环顾当今的宇宙，毫无疑问，宇宙中存在着大量的氢和氦;毕竟，是氢与氦的核聚变为绝大多数的恒星提供了巨大的能量，照亮了整个黑暗的夜空!万物也在这种能量的滋养中茁壮成长。
但在地球上，氢和氦只占我们世界的一小部分。从质量上来说，只占地球质量的1%，即使我们只看地壳部分，与其他更重的元素相比，仍然只占很小的比例。
事实上我们世界的重元素都是在几代恒星的不断更迭中形成的：最早的第一代恒星把它们的氢元素聚变为更重的元素，然后死去形成超新星爆发，把重元素又抛回宇宙。这些较重的元素，连同原始元素的再次混合，被纳入到下一代恒星中，最终当较重的元素变得足够丰富时就形成了岩石行星，也可以认为这就是一个加工厂！
如果我们还记得关于宇宙大爆炸的描述，我们就知道宇宙并不是从这些重元素开始的，宇宙现在正在膨胀和冷却，这意味着在过去的每一个时刻宇宙中所有的物质更加紧密 ，温度更高，辐射更强。如果我们继续往前追溯，我们会发现宇宙中第一次形成中性原子的时刻，如果我们再继续往前哪怕温度再升高一点点，中性原子会因为高温高压而炸裂，就是这个时刻也是宇宙微波背景辐射的来源。
在中性原子形成时期，宇宙是由92%的氢原子和8%的氦原子组成的(或者按质量来说大约75-76%的氢原子和24-25%的氦原子)，还有少量的锂和铍，但除此这些元素之外没有其他元素。这时就会出现一个巨大的疑问,为什么会是这样的比例？如果此时宇宙足够热，密度足够大，也可以在早期进行核聚变，为什么当时它只把少量的氢原子聚变成氦，为什么没有更多原子参加聚变?为什么氦没有继续聚变形成更重的元素？
为了找到答案，我们需要追溯到很久很久以前。不仅是宇宙最初的几十万年，也不是上文提到的中性原子时刻，甚至不是宇宙最初的几天、几个小时或几分钟。而宇宙最初的几分之一秒，这个时候不仅原子核不能形成，宇宙中充满了几乎等量的物质和反物质。
大爆炸后几分之一秒宇宙充满了几乎等量的物质和反物质:质子和反质子、中子和反中子、电子和正电子、中微子和反中微子，当然还有光子(光子本身就是自己的反粒子)等等。
这时的宇宙温度会让两个典型光子自发形成物质和反物质，正反物质产生的速度和湮灭的速度一样快。但是随着宇宙的冷却，正反物质的湮灭速度会快于光子自发形成正反物质的速度。最终所有反质子和反中子与质子和中子一起湮灭，只留下正反物质上的一点不对称，最后以质子和中子的形式存在。据估计正物质比反物质多了十亿分之一，正是这十亿分之一形成我们已知的一切。
此时，剩余的质子和中子的数量大致相等:大约是50/50。这些质子和中子最终将成为我们宇宙中的已知的所有原子。原子的另外一部分，电子(和正电子)要轻得多，所以它们仍然以巨大的数量(和巨大的能量)存在很长一段时间。
此时宇宙的温度，质子和中子可以很容易地相互转化:质子可以与电子结合生成中子和(电子)中微子，而中子可以与(电子)中微子结合再生成质子和电子。这时电子和中微子的数量比质子和中子多出大约十亿倍。这个过程被称为质子-中子相互转换。这就是为什么早期质子和中子为对半分裂，大致相等。
我们应该还记得，中子比质子约重0.2%。随着宇宙冷却(多余的正电子和电子湮灭)，找到一对能量足够产生中子的质子-电子对变得越来越少，而中子-中微子对产生质子-电子对仍然相对容易。在宇宙形成的最初1 - 3秒内，大部分中子会转化为质子。质子和中子的比例已经从大约50/50变成85/15!
现在，这些质子和中子已经足够丰富，温度密度也可以让它们融合成更重的元素，但是辐射粒子光子的数量比质子和中子要多出十亿分之一，所以在宇宙膨胀和冷却的几分钟里，光子仍然充满了能量，以至于每次质子和中子刚融合在一起形成氘(核聚变的第一个垫脚石)时，一个能量足够高的光子就会立即出现并把它们敲开！这就是众所周知的“氘瓶颈”，因为氘相对脆弱，它的脆弱阻止了进一步的核反应的发生。
随着时间的推移，自由质子是稳定的，所以它们不会发生任何变化，但自由中子是不稳定的;它的半衰期约为10分钟，会衰变为质子、电子和(电子)反中微子。到宇宙冷却到可以产生氘的程度时，已经过去了3分多钟，这样就进一步把85%-质子和15%-中子分裂变成了近88%的质子和略多于12%的中子。
最后，随着氘的形成，核聚变才可以继续进行，而且速度非常快!通过几个不同的聚变链，宇宙温度和密度仍然足够高，几乎每一个中子都与另一个中子和两个质子结合，形成氦-4，一种比氘、氚或氦-3更稳定的氦同位素！
然而，当这一切发生的时候，宇宙已经存在了将近四分钟，这时宇宙已经膨胀和冷却到无法进行下一步的聚变。此时仍然有质子和氦核在周围飞行，但是质子和氦-4核不能融合，因为没有稳定的氦-5核，两个氦-4产生高度不稳定的铍-8同位素，在10^-16秒会衰减回两个氦-4！下一步是将三个氦-4原子熔合成碳-12，但宇宙的密度或能量已不足以支持这种相互作用;这个过程将不得不再等待数千万年，直到宇宙的第一颗恒星形成!
这些氢和氦-4原子核是稳定的，而且还会有微量的氦-3(氚最终也会衰变成氦-3)、氘(氢-2)和非常少量的锂(可能还有更少量的铍-9)，这些锂是由非常罕见的融合反应形成的。
但是绝大多数中子(99.9%以上)最终被锁定在氦-4原子核中。如果宇宙中的物质只含有12%以上的中子和88%以下的质子，而这恰好发生在核合成(聚变成更重的元素)之前，这意味着所有这些中子和等量的质子(宇宙的12%多一点)最终都会变成氦-4:宇宙总质量的24- 25%，剩下75- 76%的宇宙是质子，也就是氢原子核。
这就是为什么，根据质量，我们说宇宙75-76%是氢，24-25%是氦。但每个氦核的质量大约是氢核的四倍，这意味着，按原子数量计算，宇宙中氢的数量约为92%，氦的数量约为8%。
这种原始的物质比例结构已经被观测到，可以说是大爆炸的三大基石之一，另外两个基石是哈勃膨胀和宇宙微波背景。这就是宇宙中所有元素的起源!你的一切，你所知道的一切，你所接触过的一切，都来自这个原始的质子和中子的海洋，我们的世界曾经只是氢和氦原子的集合。