氢和氦：宇宙中99%的元素

曾在1919年为爱因斯坦的相对论提供证明的英国天文学家爱丁顿（A. Eddington），在1920年提出了一个颇有见地的设想，即爱因斯坦著名的质能方程式可以解释恒星的动力从何而来。方程E=mc²指出，能量和质量是可以互换的：

能量=质量×光速²

爱丁顿在《恒星内部结构》一书中提出，太阳（及其他恒星）可通过将物质转化为能量来提供动力。英国化学家、物理学家阿斯顿（F. Aston）已经证明，1个氦原子的质量比4个氢原子的质量少0.8%。这说明，如果4个氢原子聚合生成1个氦原子，就会有一点物质（占起始物质质量的0.8%）转化为能量。

卢瑟福爵士最近一直在拆分氧原子和氮原子，从中驱除一种氦的同位素。在卡文迪许实验室里能做到的事，在太阳上可能也不会太难。

——爱丁顿，《恒星内部结构》（1926年）

当时，一位名叫塞西莉·佩恩（Cecilia Payne）的年轻的英国女天文学家，在自己的博士论文中支持了爱丁顿的观点。1925年，她发表了自己在恒星光谱学方面的研究结论：恒星主要由氢和氦组成。这一发现加上爱因斯坦的狭义相对论方程（1905年），以及人们在1920年前后认识到质子和氢核其实是同一个东西——这意味着，阳光背后的能量拼图已经全部准备好了。

德国犹太裔核物理学家贝特（H. Bethe）终于把这些拼图拼了起来。1933年，随着纳粹的兴起，贝特和许多科学家一样离开德国来到了美国，从事核裂变和核聚变研究，并不情愿地参与了氢弹的研究工作（他希望自己的工作能证明制造氢弹是不可能的）。他研究了恒星内部的反应过程，以及其能量是如何产生的，结果却发现了元素是如何产生的。

贝特终于解答了太阳究竟如何从物质中产生能量的问题

1938年，他以确凿的证据证明了：核聚变是太阳和其他恒星的动力来源，原理是4个氢原子聚合成1个氦原子，并在此过程中产生能量。他确认了以碳为催化剂达成这一结果的反应链，这就是所谓的“碳氮氧（CNO）循环”。其反应顺序如下：

第一步：¹²C+¹H→¹³N+γ

第二步：¹³N→¹³C+e⁺+ν_e

第三步：¹³C+¹H→¹⁴N+γ

第四步：¹⁴N+¹H→¹⁵O+γ

第五步：¹⁵O→¹⁵N+e⁺+ν_e

第六步：¹⁵N+¹H→¹²C+⁴H_e

在反应过程中，碳-12首先转化为氮-13，然后转化为碳-13，再转化为氮-14，继而转化为氧-15，再转化为氮-15，最后还原为碳-12。在这一过程中，这个原子先是积累、又最终抛弃了氢构建氦所需的亚原子粒子。(www.xing528.com)

当然，这就引出了氢和氦从何而来的问题——更不用说碳-12的来历了。但这并不是贝特最关心的问题，他只想找到恒星的能量来源，而且达到了这一目的。根据太阳中氢的量（占整体质量的35%）计算，贝特得出结论：太阳有足够的燃料，可维持能量生产约350亿年（实际上只能再维持50亿年左右）。

没过多久，美国物理学家阿尔菲（R. Alpher）和他的博士生导师伽莫夫（G. Gamow）解答了氢和氦的来源问题。1948年，两人共同发表了一篇题为《化学元素的起源》的论文，主张所有已知元素可能在“大爆炸”后不久就出现了——大爆炸理论出现于1927年，由业余天文学家、比利时神父勒梅特（G. Lemaître）提出。

比利时神父勒梅特是最先提出“宇宙从一个无限小的点膨胀而来”的科学家

阿尔菲和伽莫夫先是提出了早期宇宙的概念图景：宇宙中充斥着高度压缩的中子“汤”。他们提出，随着宇宙的膨胀，一些中子衰变，产生1个质子和1个电子。在合成的第一阶段，1个中子和1个质子碰撞、结合，形成氘核。氘是氢的同位素（即氢-2），除了1个质子，还有额外的1个中子。两人认为，要创造更重的原子核，所需要的就是捕获另一个中子或质子（二者合称“核子”），然后继续捕获下一个，以此类推。核子的不断递增，可以产生所有其他元素和同位素。《华盛顿邮报》刊登了一篇相关的报道，宣布了这一新理论：“世界开始于5分钟内。”

元素工厂

在大爆炸后最初的三四分钟内，氢核形成，发生大量聚变反应，产生了氦以及数量少得多的其他物质，包括氘（氢-2）、氚（氢-3）、锂和铍。这些都发生在宇宙生命的前20分钟内，当宇宙膨胀到条件不再适合时停止。这时候宇宙已经变得太冷（10亿摄氏度），而且太过稀疏弥散。

最初阶段的宇宙就是一锅布满高速移动的中子的高能汤，因此有上述过程并不奇怪。中子衰变时会转化为质子，释放出1个电子的能量。当中子碰撞并结合在一起时，也会转化为质子。质子-中子对即氢-2，或氘（重氢）。如果它与另一个质子碰撞，就变成氢-3，即氚（超重氢）。要是再撞上一个，它就有了2个质子和2个中子，成为氦核。与氦进一步碰撞，会产生锂（3号元素）和铍（4号元素），它们的存量就要小得多了，再就是存量极小的硼（5号元素）。这些粒子还不是原子，在宇宙的最早期还都只是原子核。还需要38万年的时间，宇宙才会变得足够冷却和平静，才能够形成原子而不至于立即被再次撕裂。

大爆炸之后宇宙的演变过程

这种机制虽然能创造氦，却也无法再进一步了。没有哪种元素具有5个核子，所以要从氦迈向原子数更大的元素，缺少一段合适的阶梯。很快人们就发现，也不存在原子质量为8的稳定同位素。即便如此，阿尔菲和伽莫夫的理论还是成功解释了，宇宙中99%的物质都是由氢和氦组成的。

计算机模拟早期宇宙中气体云坍缩以形成恒星的过程。那时只存在非常有限的元素

贝特证明了氦可以由氢构建出来，那么不难推想，其他物质也可以由同样的亚原子构成。但像阿尔菲和伽莫夫提出的那样，通过慢慢推高核子数来构建其他元素，却是不可能的。

贝特在1938年证实的碳氮氧循环，显然只有在含碳-12的环境中才能开始。然而早期宇宙中并没有碳-12，当时绝大部分的氦是按照阿尔菲和伽莫夫提出的过程形成的。那么，在氦和碳-12之间究竟发生了什么？

α、β、γ的文字游戏

阿尔菲和伽莫夫在1948年的一篇开创性论文中，把贝特作为名义上的第三作者，这样他们就可以将共同作者列为Alpher、Bethe、Gamow——这个文字游戏模仿的是希腊字母表中的前三个字母Alpha、Beta、Gamma。