宇宙物质形成：大爆炸模型、氢原子和氦原子比例、原始之光

一个重要的问题是，如何按照“大爆炸模型”解释宇宙物质的形成。宇宙里的原子中99.9%是氢原子和氦原子，两者的比例是10∶1。按照“大爆炸模型”，一开始的时候，宇宙里有夸克、胶子和电子。夸克和胶子会结合成为质子和中子。天文学家必须解释这些粒子怎样结合成为原子，而不能说大爆炸一开始的时候就有氢、氦、氧、碳这些原子。

1948年，物理学家乔治·伽莫夫（George Gamow，1904～1968年）和他的学生拉尔夫·阿尔菲（Ralph Alpher，1921～2007年）经过多年的努力，计算出在大爆炸开始后很短的时间内，质子——也就是氢原子核形成，然后再由氢原子核结合成氮原子核，同时也正确算出宇宙中氢原子和氦原子的比例应该是1∶10，这是拉尔夫·阿尔菲博士论文的一部分。但是，他们没有找出别的原子是怎样形成的解释。对一个外行人来说，一个氦原子核有两个质子、两个中子，一个氮原子核有六个质子、六个中子，所以三个氦原子核可以合成一个氮原子核。但是，从物理学的角度来看，在什么条件下这个合成才会发生，是件非常复杂的事。因为三个氦原子的质量加起来比一个氮原子的质量大一点，这一点质量就会变成很大的能量，影响到整个物理过程。

20世纪50年代，英国天文学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle，1915～2001年）想出一个可能的答案。当时他在美国加州理工学院访问，找了一位叫威廉·福勒（William Fowler，1911～1995年）的教授，帮他做实验来验证。结果，不但霍伊尔的想法是对的，福勒还开始了找出宇宙中别的原子形成的物理过程。1983年，威廉·福勒得到诺贝尔物理学奖，伽莫夫、阿尔菲、霍伊尔全都落空。

此外，伽莫夫和阿尔菲与另外一个诺贝尔奖擦身而过。20世纪60年代初期，美国贝尔电话实验室的两位无线电天文学家阿诺·彭齐亚斯（Arno Allan Penzias，1933～）和罗伯特·伍德罗·威尔逊（Robert Woodrow Wilson，1936～）用大型天线来搜寻银河系发出来的信号。搜寻过程中，他们发现有个杂音，经过一年多的尝试，仍然没有办法找到杂音的来源。这个杂音的波长大约是一毫米，是光波波长的一千倍。(www.xing528.com)

在偶然的情形下，他们听到两位普林斯顿大学教授罗伯特·狄克（Robert Dicke）和詹姆斯·裴柏斯（James Peebles）在研究“大爆炸模型”时，按照他们的计算，宇宙刚开始时，因为温度和压力都很高，质子、电子和光子都在浮游碰撞，即使一个质子和一个电子碰撞合成一个氢原子，也会马上被一个光子撞开。到了30万年后，宇宙的温度降低到3，000摄氏度左右，质子和电子会结合成一个氢原子，光子不再影响质子和电子的结合，而发射出来成为弥漫整个宇宙的光，这就叫作“原始之光”（又称“创世之光”），波长大约是千分之一毫米。从那时开始，因为宇宙大概膨胀了一千倍，这个弥漫整个宇宙的电磁波波长变成大约一毫米。狄克和裴柏斯指出，如果我们真能找到这个弥漫整个宇宙的“宇宙微波背景辐射”的话，那就是“大爆炸模型”非常重要的证据了。

当狄克和裴柏斯正要开始设计一个仪器去寻找“宇宙微波背景辐射”时，在离普林斯顿大学不远的贝尔实验室里的彭齐亚斯和威尔逊打电话告诉狄克，他们已经找到“宇宙微波背景辐射”了，差点把狄克气死。