Ученые считают, что свойства Вселенной, в частности ее химический состав, определяются теми событиями, которые происходили в первые пять минут после Большого взрыва. В эти минуты происходили определяющие дальнейшую эволюцию Вселенной процессы ядерных превращений.
Если температура выше 10 миллиардов градусов, то частицы вещества не могут быть нейтральными (атомами или молекулами). В этих условиях даже сложные атомные ядра не могут существовать. Причиной тому большая скорость движения частиц (чем выше температура, тем с большей скоростью частицы движутся). При большой плотности частиц и большой скорости их движения происходят непрерывные их столкновения друг с другом, в результате которых они разрушаются, распадаются на части. По этой причине сложные частицы в этих условиях существовать не могут. Поэтому вещества в таких условиях состоят из самых простых ядер — ядер водорода, т.е. протонов. Имеются также нейтроны. Кроме протонов и нейтронов разлетающееся после Большого взрыва вещество содержало энергичные электроны, позитроны, нейтрино и антинейтрино. Если температура вещества очень высокая (более ста миллиардов градусов), то протоны под действием высокоэнергичных частиц превращаются в нейтроны, а нейтроны, в свою очередь, превращаются в протоны. Поэтому в этих условиях протонов и нейтронов имеется примерно равное количество. Но если температура понижается, этот баланс нарушается, поскольку образование протонов более выгодно энергетически, так как масса протона меньше массы нейтрона. Поскольку при дефиците энергии ее надо расходовать экономнее, то более вероятно образование протонов. Однако уменьшение числа нейтронов относительно числа протонов останавливается тогда, когда прекращается реакция превращения нейтронов в протоны. Это наступает при определенном понижении температуры, которое достигается уже после первых секунд расширения. Далее соотношение между количеством нейтронов и протонов остается неизменным: нейтроны составляют примерно 15 процентов от количества протонов (а точнее, от всех тяжелых частиц). В это время атомных ядер более сложных, чем ядро водорода — протон, еще нет. Они "были бы рады" образоваться, но их моментально разбивают энергичные частицы. Чем выше температура, тем больше энергия, а значит и возможности этих частиц. Когда же температура уменьшится до одного миллиарда градусов, эти частицы уже не способны помешать образованию атомных ядер. Протоны получают возможность соединяться с нейтронами. Ведь ядра всех химических элементов состоят из протонов и нейтронов. Так образуются ядра дейтерия (один протон и один нейтрон), ядра трития (один протон и два нейтрона), ядра гелия (два протона и два нейтрона). Образуется также некоторое количество ядер более тяжелых элементов (лития и изотопов дейтерия и гелия-3).
В продолжение пяти минут после Большого взрыва ядра более тяжелых элементов не образуются. В принципе возможно образование сложных ядер с атомными массами 8 и 5 при столкновении ядер гелия-4 с себе подобным или же с нейтронами и протонами. Но эти ядра являются неустойчивыми. Поэтому ядер более тяжелых элементов, чем литий, в этот период эволюции не образуется.
По истечении пяти минут синтез элементов прекращается, поскольку температура падает ниже миллиарда градусов. При этом энергии частиц уже недостаточно для того, чтобы вызвать такой синтез. Элементы тяжелее лития образуются уже в звездах. Таким образом, с прекращением ядерных реакций соотношение между числом нейтронов и протонов остается постоянным (15 процентов нейтронов и 95 процентов протонов). Но в ядрах гелия на каждый нейтрон приходится один протон. Поэтому ядер гелия имеется 30 процентов, а ядер водорода (то есть протонов) 70 процентов. Такое соотношение установилось к концу пятиминутного периода после Большого взрыва. Даже в наше время гелия во Вселенной действительно имеется примерно 30 процентов. "Примерно" потому, что небольшое его количество образуется в звездах. Водорода в наше время уже не 70 процентов, поскольку произошел синтез в звездах (значительно позже).