當(dāng)伽莫夫提出熱爆炸理論的那時(shí)候，還沒(méi)有夸克的概念，也沒(méi)有圖8-4-2右圖表示的基本粒子分類表。因此，伽莫夫無(wú)法考慮宇宙極早期的物理過(guò)程。盡管我們現(xiàn)在所描述的現(xiàn)代宇宙早期演化模型，基本上仍然沿用了當(dāng)年伽莫夫的理論，但已經(jīng)根據(jù)粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，重新審視和詮釋了宇宙在大爆炸早期的演化過(guò)程。
圖8-4-2：組成宇宙萬(wàn)物的基本粒子（不包括暗物質(zhì)和暗能量）
不過(guò)，沒(méi)有任何人造的粒子加速器能比得過(guò)大自然的力量。我們所追求的目標(biāo)-“能級(jí)階梯”高能公路的終點(diǎn)，實(shí)際上就是宇宙大爆炸之初，時(shí)間的起點(diǎn)。在大爆炸開(kāi)始的最初幾分鐘內(nèi)，已經(jīng)生成了質(zhì)子、中子、中微子等，合成了某些原子核。因此，研究宇宙爆炸早期發(fā)生的事情，粒子物理理論將受益匪淺。
暫且不考慮暗物質(zhì)、暗能量、引力子等未知的物質(zhì)形態(tài)。我們知道，地球上以及宇宙中的可見(jiàn)物質(zhì)，都是由各種原子組成的。原子又由原子核和被它束縛在周?chē)碾娮訕?gòu)成，由此而形成了各種“元素”。元素有天然發(fā)現(xiàn)的和人工合成的，有氣體、液體、固體。元素的原子核有大有小有輕有重，元素周期表便是根據(jù)原子核中的不同質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)來(lái)給元素分類。也就是說(shuō)，大千世界萬(wàn)物之不同，各種形態(tài)諸多的性質(zhì)，最后都是由核中的質(zhì)子中子數(shù)決定的。
物理學(xué)家琢磨宇宙間物質(zhì)的最小構(gòu)件是些什么？化學(xué)家則喜歡關(guān)心宇宙中各種元素的成分比例，稱之為“元素的豐度”。他們驚奇地發(fā)現(xiàn)，盡管元素周期表上列出了超過(guò)100種的不同“元素”，宇宙中豐度最大的卻是兩種最輕的元素：氫和氦。這兩者加起來(lái)約占宇宙質(zhì)量的98％以上，而所有其他元素的質(zhì)量之和才占大約1％。
氫和氦兩種原子核之間在宇宙中的相對(duì)質(zhì)量比例有所不同，分別為3/ 4 及 1/ 4，如圖8-5-1所示?？紤]到氫原子核實(shí)際上就是一個(gè)質(zhì)子，而氦原子核包括了兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子，從氫氦豐度比（3/4和1/4），我們不難得出宇宙中質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)所占的比例大約是（14:2）=（7:1）。這是個(gè)“大約”的數(shù)值，原因之一是因?yàn)樗鼉H僅來(lái)自于氫氦之比，完全忽略了占1％的其它元素的貢獻(xiàn)。
圖8-5-1：氫和氦的質(zhì)量豐度
因此，大自然向科學(xué)家們提出了一個(gè)有趣的問(wèn)題：為什么宇宙間物質(zhì)中包含的質(zhì)子數(shù)中子數(shù)會(huì)有這樣（7對(duì)1）的比例呢 ？這是否應(yīng)該與宇宙演化過(guò)程中物質(zhì)（原子核）的形成有關(guān)？
天文測(cè)量證實(shí)，氫氦等輕元素的豐度比在整個(gè)宇宙中的分布基本是均勻的，這個(gè)事實(shí)啟發(fā)了伽莫夫，使他感覺(jué)這個(gè)比值不是來(lái)源于恒星形成之后，而是來(lái)自宇宙演化的早期。伽莫夫設(shè)想，也許早期的宇宙就像是一間廚房，宇宙中的各種元素（后來(lái)證明只是幾種輕元素），都是從那兒的高溫高壓下烹飪出來(lái)的？由此奇特的想法，伽莫夫于1948年創(chuàng)建了太初核合成的理論。
根據(jù)伽莫夫提出的“熱爆炸”理論，離原點(diǎn)時(shí)間越近，物質(zhì)就越是高溫高壓高密集，越是分離成為更為“基本”的成分。那么，從我們自信心較強(qiáng)的時(shí)間尺度（即爆炸后 10- 35s）開(kāi)始談起比較合適。
那時(shí)候，引力作用已經(jīng)分離出去，暴脹過(guò)程結(jié)束，宇宙溫度大概 1028K，應(yīng)該是一片以輻射為主的世界。然后，宇宙急劇膨脹，強(qiáng)相互作用也開(kāi)始分離出去，出現(xiàn)了作為強(qiáng)相互作用交換粒子的膠子，并產(chǎn)生少量的輕子和夸克，隨后的 1分鐘內(nèi)，溫度降低 ，整個(gè)宇宙逐漸以物質(zhì)為主導(dǎo)，變成“一鍋”炙熱的夸克膠子輕子光子“湯”，各種粒子頻繁碰撞相互轉(zhuǎn)化，處于熱平衡狀態(tài)，也形成了少量中子和質(zhì)子。開(kāi)始時(shí)，中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)大致相等，但比光子數(shù)少得多，只有光子數(shù)的幾億分之一。
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中子和質(zhì)子分別由三個(gè)夸克構(gòu)成，夸克有六種不同類別，還分別有它們的反粒子。這兒我們不詳細(xì)敘述質(zhì)子和中子的夸克結(jié)構(gòu)，但不同的結(jié)構(gòu)造成了它們質(zhì)量上有一個(gè)微小的差別：中子比質(zhì)子質(zhì)量稍大（大約百分之零點(diǎn)一）。正是這個(gè)微小的質(zhì)量差別造成了宇宙演化中中子數(shù)和質(zhì)子數(shù)的不同。
多粒子物理系統(tǒng)（經(jīng)典的）熱平衡時(shí)遵從一個(gè)簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，即玻爾茲曼分布：
N = Ce-E/kT
這兒N是粒子數(shù)，E是能量，T是系統(tǒng)的溫度，k是玻爾茲曼常數(shù)，C是比例系數(shù)。
簡(jiǎn)單地說(shuō)，玻爾茲曼分布表明在平衡態(tài)下粒子數(shù)與能量和溫度的關(guān)系。大自然總是盡量挑選“便宜”方便的事情做。能量低的粒子多，能量越高的粒子數(shù)越少。這點(diǎn)可以具體應(yīng)用到中子和質(zhì)子上，因?yàn)橹凶拥馁|(zhì)量更大，形成中子需要的能量比形成質(zhì)子所需能量更高，因而中子數(shù)要少于質(zhì)子數(shù)。
此外，玻爾茲曼分布也與溫度有關(guān)，溫度越低，同樣的質(zhì)量差別造成的粒子數(shù)差別越大。因此，隨著宇宙的膨脹，宇宙溫度的降低，質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)的差別越來(lái)越大。在大爆炸后1秒鐘左右，有一段時(shí)期叫做“中微子退耦”，這時(shí)，質(zhì)子和中子的比例從接近1:1的初始值，已經(jīng)增加達(dá)到4:1左右。中微子退耦打破了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)熱平衡，停止了原來(lái)質(zhì)子中子互相轉(zhuǎn)換的過(guò)程。雖然接下來(lái)玻爾茲曼分布不再是決定質(zhì)子中子數(shù)目之差的主要原因，但由于中子自身的不穩(wěn)定性，中子開(kāi)始通過(guò)b衰變轉(zhuǎn)化成質(zhì)子，使得質(zhì)子中子數(shù)之比繼續(xù)增加。當(dāng)大爆炸發(fā)生3分鐘左右，質(zhì)子中子比例接近7:1。
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