为什么宇宙中最多的元素是氢和氦

氢与氦是宇宙中最多的两种元素,不管你向什么方向观测,都会发现星际介质中氢元素大致占3/4,氦约占1/4,而比氦更重的元素加起来只有1%左右。这样的比例难道只是一种偶然吗?还是有更深刻的原因?

大爆炸宇宙论的奠基人伽莫夫解开了这个谜题。原来,宇宙大爆炸刚开始几秒钟之内,宇宙中充满了光子、电子、质子、中子等基本粒子。那时宇宙的温度超过100亿开,在正负电子和中微子媒介下,质子和中子处于热平衡的状态,不断地互相转变为对方,它们的数量比随宇宙的温度而变化。但是当温度下降到100亿开以下时,正负电子发生湮灭而大量消失,致使质子和中子失去热平衡,不再相互转变,结果它们的数量也就始终维持在宇宙温度为100亿开时的比例上,中子与质子的数量比大约为1:7。当大爆炸发生3分钟左右,宇宙温度下降到10亿开时,质子和中子开始聚变成氘核,并发生进一步聚变,最终形成稳定的氦核,以及极少量的锂、铍等轻元素。因为中子的数量少于质子,所以当聚变反应将中子全用完后,氦核的合成过程也告结束。这个反应的发生时间为宇宙大爆炸之后3分钟到1小时。反应结束后还剩下大量的质子,也就是氢核。考虑到每生成一个氦核要消耗2个质子和2个中子,简单的计算就可得出,反应结束后氦的丰度为1/4,氢的丰度为3/4。这就是今天在宇宙中看到的两种主要元素的丰度。

宇宙演化示意图

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