大爆炸

1965年，美国贝尔电话公司年轻的工程师阿诺-彭齐亚斯和罗伯特-威尔逊，在调试他们那巨大的喇叭形天线时，出乎意料地接收到一种无线电干扰噪声。无论他们怎样调整天线，在天空中的任何方向上都能接收到这种噪声，而且各个方向上信号的强度都一样，也没有任何变化。这种噪声的波长在微波波段，它相当于零下270摄氏度（绝对温度3度）的物体发出的电磁波。他们分析后认为，这种噪声肯定不是来自人造卫星，也不可能来自太阳、银河系或某个河外星系，因为在转动天线时，噪声的强度始终不变。

后来，经过进一步测量和计算，得出这种电磁波辐射温度为绝对温度2.7度（2.7K），一般称为3K宇宙微波背景辐射。这一发现使科学界为之振奋。原来，很多科学家认为，宇宙产生于150亿至200亿年前的一次大爆炸，爆炸发生后，我们的宇宙从最初的高温状态膨胀到现在，已经很冷了。根据计算，大爆炸后残余的辐射量很小，相应温度大约在6K。彭齐亚斯和威尔逊等人的观测结果竟与理论预言的温度如此接近，正是对大爆炸理论非常有力的支持。这是继哈勃发现红移后的又一重大天文发现。宇宙微波背景辐射的发现，为观测宇宙开辟了一个新领域，也为各种宇宙模型提供了一个新的观测约束，它因此被列为上个世纪60年代天文学四大发现之一。彭齐亚斯和威尔逊也于1978年因此而获得了诺贝尔物理学奖。

红移理论证明宇宙在膨胀，宇宙微波背景辐射证明了爆炸后残余的热量。

宇宙在膨胀。显然，在过去，所有的物质一定都聚集在一起。如果把今天看到的星系的运动倒退回去，就会把我们带到100多亿年前的一瞬间，那时星系们都集中在一点上。这就是膨胀的起源。大多数天文学家认为宇宙大爆炸是一次相当小的爆炸。早期宇宙的环境把能量直接转化为等量的物质和反物质，大约只是1000克的原料。片刻后，更大的事情发生了：宇宙胀了起来，在非常短的时间内，宇宙增大了10⁵⁰。（从比原子还小的规模骤增到比一个星系还大）膨胀释放出大量的能量，产生出更多的物质，并形成了控制宇宙的四种基本作用力（引力、强作用力、弱作用力、电磁作用力）。大爆炸散发的能量形成了成对的虚粒子：一个物质，一个反物质。它们随后即刻湮灭了对方。但是这两种相反的物质粒子并没有完全湮灭。随着宇宙的冷却，这两种粒子变得越来越不稳定，衰变成夸克和轻子。每产生1亿个夸克和轻子，就出现99999999个反粒子。就是这一小小的不平衡，使得物质战胜了反物质，也才有了今天我们见到的宇宙中的一切。

随着宇宙的冷却，胶子把每三个夸克拉在一起，形成了相同数量的质子与中子。在第一秒结束时，一些中子开始衰变成质子。当温度下降到9亿摄氏度时，质子和中子的比例是7比1。剩余的中子迅速与质子结合，形成原子核。当最初三分钟结束时，已经没有自由中子了。详细的计算结果预言了大爆炸的灰烬，也就是那些在最初三分钟内产生的元素的组成比例：77%的氢，23%的氦和0.0000001%的锂。人们对鹰状星云的气体分析结果证实了这些数字。

经历了最初的三分钟，在第一个原子核产生后，宇宙平息下来。此后的25万年中，宇宙的成分并没有改变，而是随着继续膨胀而变得稀薄。大部分的能量以辐射的形式存在。光子与原子核和电子处于持续的相互作用中，谁也控制不了谁。光子从一个粒子那儿反弹回来，和另一个粒子相撞，接着是另一个粒子。光线不能直线传播，因此宇宙是不透明的。温度的继续下降影响到了粒子，电子的速度也降低。到了大爆炸后的30万年，温度下降到了3千摄氏度。带负电的电子进入了围绕带正电的氢核和氦核的轨道，第一代原子诞生了。这些原子没有和辐射相互发生作用，因此光线可以以直线的形式传播很远。宇宙开始变得透明了。只有爆炸的余热以背景辐射的形式保存下来。

第一代恒星几乎全部是由大爆炸产生的气体氢和氦构成的。它们在短暂的生命中，产生了新的元素，如碳和氧，并在超新星爆炸时把它们抛向太空，使其结合在第二代恒星和行星、卫星中。除了氢、氦、锂，今天宇宙中其他元素都是由恒星产生的。