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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。
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皮埃尔·居里已去世多年。1906年，他被一辆马车撞倒并夺去了生命。随后玛丽开始与保罗·朗之万（就是照片中她旁边的那位）有了关系。朗之万是一位已婚男人，这导致了一桩公开的丑闻。当居里夫人接到了她第二次获得诺贝尔奖的通知时，她被要求不要亲自来斯德哥尔摩领取奖金，因为这会让诺贝尔奖委员会感到尴尬。她没理睬这一要求，并解释说，这个奖是对她的科学成就的奖励，而不是对她个人生活的评价。
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图中前排左起：E.薛定谔、I.约里奥、N.玻尔、A.约飞、M.居里夫人、P.郎之万、O.理查德森、E.卢瑟福、T.德堂德、M.德布罗意L.德布罗意、L.迈特纳、J.查德威克
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建立早期宇宙中普遍存在的条件是很重要的，因为任何核反应的结果几乎完全取决于密度和温度。密度决定了给定体积里的原子数。密度越高，两个原子发生碰撞并聚变的可能性就越大。随着温度的增加，有更多的能量可用，原子运动得也更快，这意味着它们的核更容易发生聚变。正是由于天体物理学家知道太阳内部的温度和密度，他们才能够算定恒星内部会发生哪一种核反应。伽莫夫认为在早期宇宙中也有类似的信息，因此希望能知晓在大爆炸之后不久哪一种核反应能够发生。
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伽莫夫研究大爆炸核合成模型的第一步是假定，极早期宇宙的极端高温会将所有物质都破碎成最基本的物质形式。因此他假设宇宙的初始成分被分离成质子、中子和电子——当时物理学家所知道的最基本的粒子。他称这种混合为“yIem”（发音为“eye-Iem”）——他在韦氏词典中偶然查到的一个词。这个已废弃的中古英语单词的意思是“构成元素的原始物质”。它确切地描述了伽莫夫的滚热的中子、质子和电子汤。单个质子相当于1个氢原子核，加上1个电子，即构成一个完整的氢原子。然而，早期的宇宙是如此之热，能量是如此之多，使得电子快得根本就不从属于任何原子核。除了物质粒子，早期的宇宙还是汹涌的光的海洋。
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从这锅热的、致密的汤出发，伽莫夫试图将时钟慢慢地向前拨，来搞清楚基本粒子是如何开始粘在一起形成我们今天所熟悉的原子核的。最终，他的雄心是要说明这些原子是如何凝聚成恒星和星系，并演变成我们看到的周围的宇宙的。总之，伽莫夫想证明，大爆炸模型可以解释我们是如何走到今天这个地方的。
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不幸的是，当他开始计算可能发生的核反应后，伽莫夫被面前巨大的工作量阻遏住了。他是能应付一组特定条件下发生的核反应的计算，但问题是大爆炸的图景是不断变化的。在某一时刻，宇宙有一组确定的温度、密度和粒子组合，但一秒钟后宇宙已经膨胀了，导致温度变低，密度变小，粒子组合已稍有差别，具体变化由可能已经发生的核反应而定。伽莫夫努力进行着核反应的计算，但进展甚微。他是个伟大的物理学家，但数学计算却是他的弱项，核反应计算超出了他的能力。而且当时计算机还没有得到有效运用，他面临的是一种绝望的困境。
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最终，1945年，伽莫夫得到了他急需的支持——他将一个名叫拉尔夫·阿尔弗的年轻学生招至麾下。阿尔弗当时正努力要在科学界开出一片自己的天地，他的学术生涯始于1937年，当时这位16岁的神童获得了麻省理工学院的奖学金。但不幸的是，在与该学院的校友聊天时，他漫不经心地道出他来自犹太人的家庭，于是奖学金被迅速取消了。这对一个有抱负的少年来说可谓是一个可怕的打击：“我哥告诉我不要将希望看得太高，他是对的。这是一个惨痛的教训。他说认为一个犹太人可以去任何地方是不现实的。”
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阿尔弗能够回到学术轨道的唯一办法就是白天工作，晚上去上乔治·华盛顿大学的夜校。最终他通过这种方式完成了他的学士学位。正是在这期间，伽莫夫遇到了阿尔弗，让他眼前一亮。一种可能是因为阿尔弗的父亲也来自敖德萨——他自己的出生地。伽莫夫承认，阿尔弗是数学天才，对细节看得很准。相比之下，他自己的数学可谓蹩脚而且处理得草率。他立即将阿尔弗招收为他的博士生。
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伽莫夫让阿尔弗去着手解决早期宇宙中的核合成的问题。他给这位学生提供一个起点和关键问题的大致轮廓，这些都是基于他到目前为止所收集到的信息。例如，伽莫夫指出，大爆炸核合成可以限定在一个相对较短的时间和温度窗口内。极早期宇宙是如此之热，能量如此之高，使得质子和中子的运动快到根本无法束缚在一起。不久之后，宇宙开始冷却，核合成开始启动。然而，时间稍稍过去一点点，宇宙的温度便下降到质子和中子不再有足够的能量或速度来启动核反应的地步。总之，核合成只能发生在宇宙温度比万亿度低但高于百万度的区间内。
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核合成窗口的另一个限制是，中子是不稳定的，会衰变为质子，除非它们被束缚在如氦核这样的核内。因此，早期宇宙中的自由中子在消失之前必须先形成原子核。自由中子的半衰期大约为10分钟，这意味着有一半的中子在10分钟内就消失了，剩下的中子在另一个10分钟内又消失一半，等等。因此，原始中子在创生后的1小时后其数量将少于2%，除非中子已与质子反应形成稳定的核。另一方面，存在一种依赖温度的核反应，它们可以生成中子，这个过程将使情形进一步复杂化。由于中子是核合成过程中的重要因素，因此无论是中子的半衰期还是中子的产生率，都是确定大爆炸后核合成持续时间的关键因素。
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注意力集中到核合成这个复杂的时间窗口上之后，伽莫夫和阿尔弗开始估算质子和中子相互作用的可能性。他们的计算中需要输入的另一个复杂因子是中子和质子反应的反应截面。一个粒子的反应截面是指它与其他粒子相互作用的概率有多大。如果两个人站在房间的相对两侧，然后彼此向对方扔小玻璃球，那么两个玻璃球在半空中发生碰撞的可能性非常小。相反，如果他们彼此向对方扔足球，那么两个足球在半道上发生碰撞的可能性就大多了，或至少彼此掠过。因此我们说足球有比玻璃球更大的碰撞截面。在核合成问题上关键的一点是：中子和质子呈现给对方的截面或标靶有多大？
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核粒子的反应截面用“靶恩（barn）”单位来衡量。1靶恩等于10-28平方米。这个词源自于这样一句具有讽刺意味的话：“连谷仓的门都没碰着”。一些词源学家认为这个词最早见于参与曼哈顿计划的物理学家的工作守则[10]，这样即使间谍无意中听到“谷仓”一词也无法知道说的是什么意思。了解截面大小对原子弹制造者来说至关重要，他们当时一直试图搞清楚要形成核爆炸至少需要多少铀。铀的反应截面越大，核相互作用的可能性就越大，保证核爆炸所需的铀燃料就越少。
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对阿尔弗来说重要的是，围绕原子弹项目的秘密在战争后很快得到公开。这意味着正当阿尔弗着手进行他的大爆炸核合成过程的研究时珍贵的截面测量数据被解密。另一个刺激来自美国阿贡国家实验室的科学家，他们一直在探索建设核电站的可能性。他们也发布了关于核反应截面的最新数据，这让阿尔弗很兴奋。