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这个阶段为宇宙学新的先锋的到来进行了设定。他将是一位能够将核物理的严格规则运用到宇宙大爆炸这种纯理论领域的科学家。通过实现核物理和宇宙学之间的学科跨越，他将为宇宙的大爆炸模型建立起一套判决性检验。
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大爆炸后的前5分钟
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乔治·伽莫夫是一个爱交际又特立独行的乌克兰裔科学家，喜欢喝烈性酒，玩纸牌游戏。他1904年出生于敖德萨，从小就表现出对科学的浓厚兴趣。他曾对他父亲送给他的显微镜着迷，并用它来分析圣餐变质[9]的过程。在出席了当地俄罗斯东正教教堂的圣餐仪式后，他拿着一块面包，脸颊上沾着几滴酒迅速跑回家。他将它们放在显微镜下观察，并与他日常享用的面包和酒进行比较。他没找到任何证据表明面包的结构已经转变为基督的身体，他后来写道：“我认为这是一项让我成为科学家的实验。”
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伽莫夫早年在敖德萨的新罗西亚大学学习时就以雄心勃勃的年轻物理学家而闻名，后来，1923年，他就读于列宁格勒大学，师从亚历山大·弗里德曼，后者当时正在发展他的新提出的大爆炸理论。但伽莫夫的兴趣与弗里德曼的这些研究大相径庭，他很快在核物理学领域做出了世界级的发现。他的研究促使国家级报纸《真理报》为他献上了一首诗，那时他只有27岁。另一份报章则宣告：“一位苏维埃学者向西方表明，俄罗斯的土地上也能够产生自己的柏拉图和才思敏捷的牛顿。”
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然而，伽莫夫却变得对苏联的学术生活感到不满。1932年，伽莫夫试图通过穿越黑海到土耳其来逃离苏联。结果这次行动变成了一场极其外行的逃跑——他和他的妻子柳波娃·沃明泽娃试图乘坐独木舟用划桨来跨越250千米的水域。他在自传中讲述了这个故事：
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一个重要的事项是旅程中的食物供应。我们认为所带的食物应能维持五六天……我们煮了[鸡蛋]带上在路上吃。我们还设法弄到了几块硬巧克力，两瓶白兰地，当我们在海上又湿又冷的时候，它们派上大用场了……我们发现两个人轮流划桨而不是一起划较合理，因为一起划时船的速度并没有增加到两倍……第一天完全成功……我永远不会忘记看到的在西沉的夕阳下一个海豚追逐波浪的景象。
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但36个小时后，他们的运气变了。天气变得对他们不利，他们被迫再划回苏联的怀抱。伽莫夫又做了另一次失败的尝试，这一次是打算从摩尔曼斯克横渡北极水域到挪威。
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1933年，他采取了一个新策略——应邀出席物理学家在布鲁塞尔召开的索尔维会议。伽莫夫设法与苏共高级官员维亚切斯拉夫·莫洛托夫会面，希望得到让他妻子——也是一位物理学家——陪同他前往的特别许可。他获得了必要的文件，但经过了与官僚的漫长的斗争。这对夫妇终于能够出席这次会议了。他们这一去就没打算再返回苏联。通过适当渠道，他们从欧洲来到美国。1934年，伽莫夫入职乔治·华盛顿大学，并在那里度过了随后20年的探索、检验和捍卫大爆炸假说的学术生涯。
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图75 乔治·伽莫夫和他的妻子柳波娃·沃明泽娃的照片。下面是伽莫夫夫妇正在为乘坐划皮艇横渡黑海逃出苏联作准备。
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伽莫夫对大爆炸与核合成——原子核的形成过程——特别感兴趣。伽莫夫想看看核物理和大爆炸模型是否能解释观测到的原子丰度。正如我们前面看到的，宇宙中每10000个氢原子就有大约1000个氦原子，6个氧原子和1个碳原子，所有其他元素的所有原子加在一起都要比碳原子少很多。伽莫夫想知道大爆炸的早期时刻是否可以解释我们的宇宙被氢和氦所主宰。他还想知道，大爆炸是否能解释较重原子的不同丰度，这些重原子虽较罕见，但对生命来说是非常重要的。
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在了解伽莫夫的研究之前，我们先回顾一下勒迈特的核合成观点。他的宇宙始于一个单一的、质量巨大的原始原子——其他所有原子的母亲：“原子世界分裂成碎片，每个碎片又碎成更小的碎片。为了简单起见，假设这种碎裂出现的概率是相同的，我们发现，要使目前的物质被粉碎成可怜的小原子，小到已无法再破碎为止，那么我们需要连续破碎260次。”根据既定的原理，大核是不稳定的，一个质量超重的原子更是极不稳定，会很快分裂成较轻的原子。然而，这些碎片残迹应当会位于周期表中间的某个地方，就是最稳定的元素所处的地方。这将导致一个以铁元素为主的宇宙。在勒迈特的模型里，似乎没有办法产生当今宇宙所表明的氢和氦的原子在宇宙中的丰度。在伽莫夫看来，勒迈特模型是完全错的。
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摒弃了勒迈特的自上而下的方法后，伽莫夫转而采用一种自下而上的策略。如果宇宙始于一锅致密的、简单的、向外膨胀的氢原子汤，将会怎样？大爆炸是否能为氢聚变成氦和其他较重的原子创造合适的条件？这个想法似乎比勒迈特的想法更有可能，因为从100%的氢出发更容易解释为什么氢到今天仍占宇宙原子的90%。
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但在开始推测大爆炸的核物理机制之前，伽莫夫研究了豪特曼斯和贝特的工作，试图找出究竟是什么样的恒星能够将氢聚变成较重的原子。他受到恒星聚变的两个关键限制的打击。首先，恒星里氦的产生速率非常慢。我们的太阳每秒钟产生5.8×108吨氦，这听起来好像很多，但要知道太阳目前含有5×1026吨氦。按照恒星氦的产生速率，这么多的氦需要超过270亿年才能完成，而根据大爆炸模型，宇宙年龄应该在18亿年。因此伽莫夫得出结论：大多数的氦必定在太阳形成时就已经存在，所以它也许是在大爆炸时产生的。
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图76 乔治·伽莫夫与约翰·科克罗夫特（左）讨论计算，后者后因对核物理学的贡献而赢得诺贝尔奖。照片捕捉到物理学家们工作时的紧张和喜悦。
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恒星聚变的另一个限制是它明显不能创造比氦重的元素的原子。物理学家们没能成功找到任何可行的恒星核反应生成元素铁或金的路径。在创造了最轻的原子后，恒星似乎走到头了。
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伽莫夫把这两种局限性看作大爆炸模型证明自己能弥补恒星的不足的机会。在恒星无法产生足够多的氦或较重元素的地方，大爆炸也许可以成功。特别是，他希望早期宇宙的条件足够极端，允许新型核反应的存在，并开辟出恒星上不可能存在的新途径。这种新途径将能够解释所有的元素的产生。如果伽莫夫能将重元素的核合成与大爆炸联系起来，那将为大爆炸模型提供强有力的证据支持。如果他做不到这一点，那么这个雄心勃勃的创生理论将面临重大的尴尬局面。
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20世纪40年代初，伽莫夫开始了他的解释大爆炸后元素产生的研究项目。他很快就意识到，他是美国在探索大爆炸核合成问题方面的唯一的物理学家，从而也很快就明白了为什么他会有包揽整个领域的特权。从事原子核形成的研究需要有对核物理的深刻理解，而当时几乎每一个有这样背景的人都已被秘密招募到洛斯阿拉莫斯国家实验室去从事曼哈顿计划——第一颗原子弹的设计和建设——工作了。伽莫夫没有离开乔治·华盛顿大学的唯一原因是他未能获得最高级别的安全许可，因为他曾经是红军军官。那些负责签发许可证的人不能理解，既然伽莫夫已经被赋予军官的地位，因此他可以给士兵们教授科学课程呀。美国当局也没有去收集更多的说明伽莫夫真正忠诚的证据，比如苏联因他逃离苏联而缺席判处他死刑的事实。
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伽莫夫探索大爆炸核合成的策略看似简单。他开始观察宇宙现在的样子。天文学家们研究了恒星和星系的分布，因此他们能估计出整个宇宙的密度，这大约是每1000个地球体积中含1克。下一步，伽莫夫利用哈勃对宇宙膨胀的测量结果，并倒拨时钟使宇宙收缩。伽莫夫的收缩的宇宙越接近创生时刻就变得越致密，因此他可以用比较简单的数学来得到以前任何时刻的平均密度。压缩物质通常会产生热量，这就是为什么自行车的打气筒向车胎内充了几下气后摸上去会感到热的原因。因此，伽莫夫也可以采用相对简单的物理来证明年轻的、压缩的宇宙会比今天的宇宙热得多。总之，伽莫夫发现，他可以很容易地得到宇宙从创生后不久（炽热致密状态下）直到今天（寒冷弥散状态下）任何时间点的温度和密度。
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图77 这是1933年在布鲁塞尔召开的索尔维会议的合影。照片中乔治·伽莫夫位于后排中间。本次会议的议题是讨论原子结构，因此照片中包含了其他许多位著名人物。厄内斯特·卢瑟福和詹姆斯·查德威克坐在前排，坐在前排的还有玛丽·居里和她的女儿艾琳·约里奥，她像她母亲一样获得了诺贝尔奖。