《宇宙从一粒尘埃开始》第十六节

本节论证大爆炸宇宙学的两大观测证据：原始元素丰度与宇宙微波背景辐射。

本节论证大爆炸宇宙学的两大观测证据：原始元素丰度与宇宙微波背景辐射。

作者先澄清，大爆炸并非宇宙从一个极小空间中炸开，而是指可观测宇宙曾处于极高密度、极高温度的状态，像烤蛋糕一样不断膨胀；这不排斥宇宙本身无限大。时间回溯到宇宙诞生几秒后、温度约10亿摄氏度时，核物理过程开始：孤立中子约10分钟就会衰变，但在该温度下能与质子结合成氘核，进而聚合成氦和少量锂。大爆炸约3分钟后宇宙冷却，聚变停止，这一过程称为太初核合成，理论预测产物约75%氢、25%氦，另有少量氘和锂。为避免恒星核合成产物的污染，天文学家选择氧含量低的电离氢区（常见于矮星系）以及诞生于大爆炸后40亿年内、尚未经恒星污染的遥远类星体进行观测，结果与预测高度吻合：类星体中氦约25%、氢约75%，氘约为每百万氢核30个；银河系中年龄超100亿年的"锂高原之星"外层显示每百亿氢核约1个锂核。这些吻合证明宇宙自10亿度等离子体时期起就一直在扩张，并推出光子与质子之比约为17亿比1。

随后，作者说明更重元素的起源：第一批恒星由原始氢氦构成，其核聚变生成碳、氧、铁；更大恒星死亡时爆发为超新星，锻造出金、银等最重元素，这些物质散布太空，成为后来行星的种子，也解释了太阳氦含量略高于最古老恒星的原因。

最后，宇宙冷却到几千度时，电子与原子核结合成中性原子（重组时期，核合成后38万年），光子不再被带电粒子阻挡，宇宙由不透明转为透明。这些古老光子因膨胀红移，今天表现为微波。1964年贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊意外探测到这种微波背景，获得诺贝尔奖；而早在1948年，伽莫夫、阿尔弗、赫尔曼和贝特就已提出大爆炸核合成与微波背景的预言，只是当时未被重视。