道生一，一生二，二生三，三生萬(wàn)物。
——《道德經(jīng)》，第42章
20世紀(jì)40年代，蓋莫夫根據(jù)宇宙膨脹的觀測(cè)事實(shí)提出了今天稱之為熱大爆炸宇宙理論的雛形。天文觀測(cè)顯示，我們的宇宙創(chuàng)生于大約150億年前。根據(jù)熱大爆炸宇宙理論，當(dāng)宇宙的年齡大約等于10??3秒到約10??秒這段時(shí)期，宇宙由夸克和輕子組成。在這段時(shí)期，溫度高達(dá)一萬(wàn)億度，有關(guān)的物理規(guī)律還不十分確切，演化的歷史難以說(shuō)得很清楚。當(dāng)宇宙的溫度下降至一萬(wàn)億度時(shí)，夸克開始相互結(jié)合形成質(zhì)子和中子。在這個(gè)時(shí)期之后，物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律已經(jīng)十分清楚，因此，有可能根據(jù)基本物理規(guī)律對(duì)宇宙的演化歷史做出預(yù)言。
在宇宙的溫度為一萬(wàn)億度的時(shí)期，由于溫度很高，弱相互作用很強(qiáng)，質(zhì)子和中子通過(guò)弱相互作用處于熱平衡狀態(tài)：
當(dāng)宇宙的溫度進(jìn)一步下降到100億度以下時(shí)，質(zhì)子和中子就有可能相互結(jié)合產(chǎn)生出最簡(jiǎn)單的原子核，即氘核：
當(dāng)宇宙的溫度再下降一個(gè)數(shù)量級(jí)，降到約10億度時(shí)，令氘核瓦解的高能光子已經(jīng)相當(dāng)少了，這時(shí)，上述核反應(yīng)式的逆過(guò)程實(shí)際上已經(jīng)沒(méi)有什么效果了。于是，氘核被大量地合成出來(lái)。這個(gè)時(shí)期宇宙的年齡大約等于3分鐘。因此，一直要等到宇宙的年齡大約等于3分鐘時(shí)，我們這個(gè)宇宙才冷卻到能夠讓質(zhì)子和中子相互結(jié)合在一起，從而產(chǎn)生出宇宙中的第一種原子核。氘一旦被合成出來(lái)，隨后的合成過(guò)程也就能夠接著發(fā)生了。于是，宇宙中隨即有了氚和氦，以及微量的鋰、鈹和硼等較輕的元素的原子核。在這些輕原子核被合成出來(lái)的過(guò)程中，宇宙繼續(xù)膨脹，溫度繼續(xù)下降。正如前面所說(shuō)，由于偶然的弱相互作用和自由中子的衰變，在氘開始被大量合成出來(lái)的時(shí)刻，宇宙中的質(zhì)子和中子的數(shù)密度的比值將達(dá)到7。于是，當(dāng)隨后宇宙的溫度下降到約1億度時(shí)，供合成用的中子基本上已經(jīng)用完，此后，較輕的原子核就不再產(chǎn)生了。
原則上說(shuō)，有了氦原子核，較重的原子核就能夠產(chǎn)生。但是，由較輕的原子核結(jié)合起來(lái)產(chǎn)生更重的原子核，需要更高的環(huán)境溫度，以便使帶正電的粒子能夠克服它們之間的庫(kù)侖排斥力而相互靠近到核力起作用的距離內(nèi)。但是，宇宙不斷地膨脹，宇宙的溫度不斷地下降。當(dāng)宇宙中有了較輕的原子核時(shí)，宇宙的溫度已經(jīng)下降到不足以使這些原子核結(jié)合起來(lái)了。因此，宇宙早期只產(chǎn)生出較輕的幾種元素的原子核，較重的原子核則要等到宇宙物質(zhì)凝聚成恒星之后才能夠被制造出來(lái)。
由這樣一個(gè)演化圖景可以計(jì)算出幾種輕原子核在宇宙中的含量(也叫做豐度)。比如說(shuō)氦，用一個(gè)簡(jiǎn)單的模型就能較好地估算出這種元素在宇宙中的含量：
這樣一個(gè)演化圖景有多大的可靠性呢？20世紀(jì)70年代以來(lái)，天文學(xué)家和物理學(xué)家從各個(gè)方面對(duì)這個(gè)預(yù)言進(jìn)行了驗(yàn)證，所得到的結(jié)果凝聚在上面的曲線圖中。這幅曲線圖給出了幾種輕原子核的質(zhì)量豐度與假設(shè)的普通物質(zhì)密度的依賴關(guān)系，從圖中可以看到，當(dāng)普通物質(zhì)密度取豎直紅線所標(biāo)示的數(shù)值時(shí)，四種輕原子核豐度的理論估算值與天文觀測(cè)結(jié)果完全相符。
一個(gè)相當(dāng)有趣的檢驗(yàn)證據(jù)來(lái)自高能粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)。20世紀(jì)70年代發(fā)現(xiàn)，自然界存在三代輕子，它們分別是電子、μ 子和 τ 子，每一代對(duì)應(yīng)一種中微子，分別被稱為電子中微子、μ 中微子和 τ 中微子。是否還存在第四代輕子呢？或者說(shuō)宇宙中有多少種中微子？70 年代，對(duì)一種被稱為 K0 的粒子的衰變統(tǒng)計(jì)研究給出了一個(gè)上限：宇宙中中微子的種類不超過(guò)10萬(wàn)?。窟@個(gè)數(shù)字顯然沒(méi)有任何意義！宇宙不可能有10萬(wàn)種基本粒子。另一方面，對(duì)于宇宙中有多少種中微子，核合成理論給出了一個(gè)很強(qiáng)的限制：為了使氦的理論豐度與天文觀測(cè)相符，中微子的種類不能超過(guò)4種！自80年代以來(lái)，粒子物理實(shí)驗(yàn)的結(jié)果逐步證實(shí)了這個(gè)預(yù)言：1985年，對(duì) Z0 粒子的衰變實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)研究給出中微子的種類不超過(guò)20種，之后，正負(fù)電子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)給出的結(jié)果是少于14種，而正負(fù)質(zhì)子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)則顯示，中微子的種類大約為5.4±1，最后，在1989年，一個(gè)叫做 LEP 的實(shí)驗(yàn)精確地給出，中微子的種類為2.98±0.06。在實(shí)驗(yàn)研究給出的結(jié)果中，中微子的種類帶有小數(shù)，這是由對(duì)大量實(shí)例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果帶來(lái)的。LEP 實(shí)驗(yàn)明確地告訴我們，宇宙中只有三種中微子。這是支持核合成理論的一個(gè)極好的證據(jù)。
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