宇宙中的第一个原子核是什么时候合成的

今天人们能够研究的宇宙是从10-43秒开始的，这个时间称为普朗克时间。在此之前的物理状况目前尚缺乏有效的处理办法。我们所能描述的宇宙历史从普朗克时间开始。这时的宇宙尺度非常小，只有10-40米，小于任何一个基本粒子，温度则高达1亿亿亿亿开（1032开）。宇宙从这时开始膨胀，到10-35秒时，大小达到10-30米，温度降到10万亿亿亿开（1029开），进入了一种被称为“过冷态”的状态。从这一点开始到10-33秒时间，“过冷态”的宇宙发生了一次真空相变，发生了剧烈的暴胀。在此过程中宇宙尺度膨胀了约1030倍，膨胀速度远远超过光速！经历了暴胀的宇宙却可能还不到一个柚子大（约0.1～1米左右）。这个“柚子”里面充满了电子、中微子等各种粒子及其反粒子。不过由于温度极高，人们今天熟悉的质子、中子等粒子还没能出现，只有组成质子和中子的“积木”，即各种“夸克”和反夸克。

第一个原子核在宇宙的最初三分钟形成

随着宇宙继续膨胀，到万分之一秒（10-4秒）时，宇宙温度降低到1万亿开（1012开），密度降低到1015千克/米3。这时，夸克和其他粒子发生了“退耦”。什么叫退耦呢？原来，自然界有四种基本作用力，即引力、电磁力，和另外两种只有在原子尺度才会起作用的力——“强相互作用力”和“弱相互作用力”。微观粒子间发生的所有相互作用，都可以归入这四种力，传递这些力的媒介分别是“引力子”、“光子”、“胶子”、“中间玻色子”等粒子（称为媒介子），这个过程就好像穿着不同球衣的球队踢着不同颜色的足球。当温度很高时，微观粒子都像精力充沛的球员，不断交换着“球”（媒介子）。这时，“夸克队”的队员既有力气在本队队员之间传递“胶子”来进行强相互作用，也能把光子踢给电子来传递电磁相互作用。但当温度降低以后，“夸克队”就像体力不支的球员，再也没力气把光子传递给电子了，只能在自己球队内部传递“胶子”。于是它们只好退场，不再参与其他力的相互作用，这个过程就是退耦。

夸克退耦后，绝大部分夸克和反夸克互相反应而湮灭。极少数幸存下来的夸克在宇宙年龄到达百分之一秒、尺度膨胀到太阳系大小时，每三个一组地结合成了质子、中子等粒子。不过这时，质子和中子还可以通过“弱相互作用”互相转化为对方。直到1秒左右，宇宙温度降到百亿开时，“弱相互作用”退耦，不再参与质子和中子的互相转化，质子同中子的比例才基本固定下来。当时，这些粒子并不能马上合成氦原子核。因为这时宇宙的温度还太高，氦核不能稳定地存在。一直要到3分钟左右，宇宙的温度降到约10亿开时，中子才能和质子反应，形成稳定的氦原子核。第一个原子核的合成就是在这个时刻进行的。因此，科学家常把宇宙的“最初三分钟”看作宇宙化学元素演化的起点。（柴一晟）

【微博士】大统一理论

在宇宙的膨胀过程中，随着温度的降低，引力首先和其他三种力“退耦”，然后强相互作用退耦，最后弱相互作用和电磁相互作用退耦，宇宙才有了四种不同性质的力。退耦是对称性破缺的结果。如果倒推回去，在极早期、极高温的宇宙中，四种力应该是耦合、统一的。这种想法称为大统一理论，是今天物理学研究的热点。

【微问题】夸克怎么结合成重子？

【关键词】对称性破缺　相变　退耦