道生一，一生二，二生三，三生萬物。
——《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，演化的歷史難以說得很清楚。當(dāng)宇宙的溫度下降至一萬億度時(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)律對宇宙的演化歷史做出預(yù)言。
在宇宙的溫度為一萬億度的時(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，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)式的逆過程實(shí)際上已經(jīng)沒有什么效果了。于是，氘核被大量地合成出來。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，隨后的合成過程也就能夠接著發(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的過程中，宇宙繼續(xù)膨脹，溫度繼續(xù)下降。正如前面所說，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，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。
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)。比如說氦，用一個(gè)簡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，天文學(xué)家和物理學(xué)家從各個(gè)方面對這個(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結(jié)果完全相符。
一個(gè)相當(dāng)有趣的檢驗(yàn)證據(jù)來自高能粒子物理學(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？或者說宇宙中有多少種中微子？70 年代，對一種被稱為 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10萬??？這個(gè)數(shù)字顯然沒有任何意義！宇宙不可能有10萬種基本粒子。另一方面，對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相符，中微子的種類不能超過4種！自80年代以來，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 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20種，之后，正負(fù)電子對撞實(shí)驗(yàn)給出的結(jié)果是少于14種，而正負(fù)質(zhì)子對撞實(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)，這是由對大量實(shí)例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果帶來的。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)。
