宇宙14︱如果重元素是氢元素合成的，那最初的氢元素是怎么来的？( 二 ) 在说今天的内容之前

虽然剩下的物质不多，但对我们来说非常重要，这些质子、中子和电子都是构成你和我的关键原材料。

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在正反物质湮灭以后，留下的质子和中子暂时还不能结合在一起，因为温度还有点高，但这时质子和中子之间还发生着其他的反应。
比如说，一个质子和电子撞在了一起就会变成中子和中微子，当然一个中子和中微子撞在了一起，反过来就会变成质子和电子。
也就是质子和中子这时可以相互转化，所以我们认为在很短的时间内，也就大约1/3秒吧，质子和中子的数量是相等的，当然这个时候的宇宙也有和质子数量相等的电子，因为它们必须保证整个宇宙是电中性的。
当然质子和中子的相互转化并不能持续很长时间，因为宇宙在不断的冷却，最先停止的反应是，质子到中子的转变，因为中子的质量比质子的质量多了0.138% 。

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所以质子想要变成中子它需要更多的能量，而中子变成质子就要容易得多了，所以在宇宙诞生后的3秒钟，质子和中子的数量就不对称了，从刚才的各占一半，变成了现在的85：15 ，质子比中子多了6倍。
那么此时宇宙诞生已经过去了3秒钟，你可能会问：这时的质子能不能和中子结合在一起，形成最轻的原子核，氘核呢？
能，但是它们结合的速度远不如光子把它们炸开的速度，所以说温度还是太高，而且还有一个原因特别重要，此时宇宙中光子的数量大约是质子数量的10亿倍。
这意味着即使光子的平均能量已经低于氘核的结合能了，氘核也不能稳定的存在，所以还需要耐心的等待，等待宇宙继续膨胀，继续降温。

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但问题是，质子可以等，但中子等不了啊，因为自由中子不稳定，它的半衰期大约为15分钟，在等待的过程中，有些中子就不耐烦了，它就会经过β衰变，释放出一个电子和反电子中微子，变成一个质子。
那么等宇宙诞生以后的3分钟，此时的温度就降到了大约800万摄氏度，氘核终于可以稳定的存了，但此时宇宙中的质子和中子比变成了88：12 。
在这之后大爆炸核合成终于开始了，一个质子和中子会迅速的结合在一起形成氘核，这样的反应非常快，氘核可以和一个质子结合，形成氦-3 ，和一个中子结合就形成氚核。经过以上的反应数量本来就不多的中子很快就被用完了。

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但这时的反应并不会停止，因为氦-3和氚核会继续和一个氘核结合在一起，变为稳定的氦-4 ，并且释放出一个质子和中子。
这样稳定的氦-4就在宇宙诞生之后不到4分钟的时间里就大量的形成了，这就解释了为什么当时人们观察到宇宙中存在大量的氦-4 ，仅仅通过恒星反应是不可能存在这么多氦-4的。
那为什么宇宙中的比氦-4更重的元素却少得可怜呢？因为大爆炸期间的核合成在进行到氦-4以后，基本就停止了。
你看，当你给一个氦4里面加一个质子的时候，就会变成锂5 ，加一个中子就会变成氦5 ，但是这两种元素都不稳定，在10∧-21秒，一个极短的时间内就会衰变回氦4 。这条路走不通。
当你让两个氦4结合在一起，形成铍8的时候，你还来不及再给一个铍8加入一个质子，或者是中子，或者是在再加一个氦核，它就会在10^-16秒，衰变回氦4 。
所以大爆炸核反应就这样停止了，主要的原因是，宇宙降温太快， 4分钟以后，不管是温度、还是密度，都不足以支撑核反应继续往下进行了。

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最终，我们的宇宙就会留下75%的氢核， 25%的氦核，这是按照质量计算的比例，如果按数量说的话，就是92%的氢核， 8%的氦核。这就是为什么宇宙中充满了氢气和氦气，其他元素的含量还不到1% 。
即使是恒星烧了这么多年，依然改变不了宇宙主要的组成成分，因为从一开始我们的宇宙就是从氢和氦开始的。

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以上的推演过程就是伽莫夫对于大爆炸核合成的预言，这个预言已经得到了观测的证实，测量的过程大致是这样的，我们在宇宙中看得越远，就意味着我们看到的宇宙越古老。