年，美国贝尔电话公司两位年轻的工程师阿诺·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，各个方向上信号的强度都一样，而且历时数月无变化。难道是仪器本身有问题吗？或者是栖息在天线上的鸽子的粪便引起的？他们把天线拆开重新组装，清洗了鸽子的粪便，依然接收到那种无法解释的噪声。这种噪声的波长在微波波段，对应于有效温度为3.5开尔文的黑体辐射出的电磁波。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射电源，因为在转动天线时，噪声强度始终不变，说明这个辐射来自宇宙的所有方向。
这一发现使许多从事大爆炸宇宙论研究的科学家受得了极大的鼓舞。因为彭齐亚斯和威尔逊等人的观测结果竟与理论预言的宇宙大爆炸残留下来的辐射的温度如此接近，正是对宇宙大爆炸理论的一个非常有力的支持。这是继年哈勃发现宇宙膨胀后的又一个重大的天文发现，被列为20世纪60年代天文学四大发现之一，这就是我在前面所讲的人类宇宙观的第五次飞跃。彭齐亚斯和威尔逊于年获得了诺贝尔物理学奖。遗憾的是，伽莫夫已经于年去世，否则也应该一起分享诺贝尔奖。
既然大爆炸理论模型预言的宇宙微波背景都被观测到了，学术界就该都承认大爆炸宇宙学了吧！然而并没有！反对的科学家说，也许是巧合呢，我们也有别的办法让宇宙充满这样的辐射啊，比如宇宙中的各种天体都在辐射，为什么这些天体的辐射弥漫到了宇宙中不能也恰好和观测到的一样呢？他们就仔细做各种计算，调整他们的模型的参数，居然也能凑出来宇宙微波背景辐射！
但是，大爆炸理论模型可不仅仅是能够预言宇宙微波背景辐射，而且能够预言今天宇宙的各种情况，包括通过大爆炸以及后来的一系列过程产生了宇宙的各种元素、物质、天体，当然有了这些天体就能够在地球上产生我们了。
大爆炸开始的时候宇宙温度非常高，首先产生了大量的高能光子，这些光子相互碰撞，就按照爱因斯坦的质能方程产生了高速运动的夸克、胶子、电子等基本粒子及其反粒子，而很多这些基本粒子的寿命很短，也会迅速地衰变成其他粒子或者光子，可以说是高温的光子和高密度的基本粒子糨糊。当然这些粒子还不是我们今天说的物质。
到了大爆炸后大约10-12秒的时候，宇宙的温度冷却到了大约万亿摄氏度，夸克、胶子和电子及其反粒子就开始冷却形成了质子和中子，这就是最初始的物质。大爆炸后大约10秒，温度约30亿摄氏度，这就是宇宙的核合成时期，质子和中子就会结合形成氢、氦类稳定轻原子核，也就是我们所说的化学元素，其他轻原子核也会形成一点，但是非常少。当宇宙冷却到10亿摄氏度以下，也就是大爆炸大约3分钟之后，就不能再产生新的原子核了。所以，宇宙中的物质基本上都是在宇宙大爆炸之后3分钟以内形成的，这些物质就在引力的作用下开始形成今天宇宙中的各种天体和结构。
当然，今天宇宙中的物质并不仅仅有氢、氦类稳定的轻原子核，其他的元素主要都是在恒星的中心通过轻元素合成重元素的核聚变过程形成的，这种过程能够产生一直到铁这样的重元素，而核聚变过程中释放能量的过程就是恒星内部的能源机制。此外，超新星爆发的过程中也会产生一些比铁更重的元素。
但是很多更重的元素则需要在两个中子星并合爆发的过程中产生，比如年10月16日宣布的于年8月17日发现的第一例双中子星并合产生引力波的事件中，就发现很多超重元素被产生出来了。双中子星并合过程中，不断甩出一些中子星碎块，大部分是中子，少数是质子。理论计算表明，在碰撞发生的一秒钟内，这些中子星碎块扩散到数十千米开外，形成一团与太阳密度相当的云。在这个“炼金炉”中，由于大量中子的存在，中子和质子互相俘获，通过元素形成的所谓的r-过程，也就是快过程，而这个过程需要大量的中子，形成大量富含中子的不稳定的同位素。这些不稳定的同位素中的中子会迅速衰变为质子，形成金等重元素，如下图所示。据估计，中子星的一次碰撞，能够形成足有个地球那么重的黄金，而这就是地球上黄金的主要来源。
图 太阳系内的元素的起源
（图片来源：ESA、NASA、AASNova）
宇宙大爆炸模型预言和解释了宇宙、基本粒子、物质、各种天体和结构、太阳系、地球以及组成我们身体的各种元素。因此，大爆炸宇宙学模型已经是目前科学界普遍接受的宇宙诞生的理论模型。
本文摘编自《极简天文课》一书“第七章宇宙的过去与现在”，内容有删减改动，标题为编者所加。
极简天文课
张双南著
北京：科学出版社，.4
ISBN-7-03--5
责任编辑：张莉
作者简介
张双南，天体物理学家，中国科学院高能物理研究所研究员、中国科学院大学教授、中国科学院国家天文台和新疆天文台兼职研究员。主要研究领域为黑洞、中子星、宇宙学和空间天文。发表审稿论文三百多篇，被一万多篇论文引用。目前担任“天宫二号”空间实验室伽马暴偏振实验、“慧眼”X射线天文卫星，以及中国载人航天工程空间天文与天体物理领域专家组首席科学家。
国内著名科学传播人物。凤凰卫视“名人面对面科学家系列”，中央电视台新闻频道“ChinaInsight”等节目访谈嘉宾、综合频道《开讲啦》演讲者和《加油！向未来》科学顾问。入选“最受媒体欢迎的科学家”、科普中国“十大科学传播人物”，担任中国科学技术协会“科普中国”形象大使。
内容简介
《极简天文课》是“最受媒体欢迎的科学家”、“科普中国”形象大使张双南的最新力作！他以前沿天体物理学家敏锐的洞察力，以科学史与科学哲学的智慧，以科学传播与科学文化的情怀，讲述宇宙中最为迷人，最为激动人心的现象和理论，深入浅出，引人入胜，该书绝对称得上是一门优秀的科学素养训练课。中国科学院院士、中国科普作家协会理事长周忠和，中国科学技术史学会理事长孙小淳，清华大学教授吴国盛，北京天文馆原馆长朱进倾情推荐。北京天文馆精心创作的30余幅插图为这堂天文课带来至美的视觉盛宴。
本书用简洁和通俗的语言，以讲故事和回答问题的方式介绍了天文学对人类认识宇宙的几次飞跃、天文学和现代自然科学的关系、科学和文化的关系，以及天文爱好者和公众最关心的天文学的若干主题与最新进展。本书的主要内容取自作者广受欢迎的分答小讲“极简天文课”，并在原来内容的基础上进行了一定的修改和补充，配上生动的插图，加入与听众的互动内容，进一步增加了可读性，解答了公众关心的相关问题。
本书目录前言/i第一课极简天文史一、地心说/二、人类宇宙观的第一次飞跃/三、人类宇宙观的第二次飞跃/四、人类宇宙观的第三次飞跃/五、人类宇宙观的第四次飞跃/六、人类宇宙观的第五次飞跃/七、人类宇宙观的第六次飞跃/八、人类宇宙观的第七次飞跃/第二课极简黑洞一、为了让霍金获得诺贝尔奖，欧洲大型对撞机应该造出黑洞/二、对撞机原则上可以造出黑洞，但是现在还不行/三、霍金的黑洞蒸发理论其实道理很简单，但是还没有被证实/四、黑洞在宇宙中除了贪得无厌地吞噬物质，还会干别的事情/五、如果宇宙中的物质都落入了黑洞怎么办？/六、爱因斯坦不相信宇宙中存在黑洞，而有人说黑洞里面有火墙/第三课天文学与科学方法一、三个故事：普京、大辩论和我在英国留学/二、从亚里士多德到伽利略、牛顿、爱因斯坦和霍金/三、科学的三要素：目的、精神和方法/四、中国传统文化、技术与科学的关系/五、杨振宁为什么批判《周易》和“天人合一”？/第四课暗物质和暗能量一、暗物质/二、暗能量/三、关于暗物质和暗能量的其他问题/第五课引力波与爱因斯坦的尴尬一、相对论和量子力学：现代物理学建立的标志/二、爱因斯坦和诺贝尔奖/三、3.0个诺贝尔物理学奖/四、爱因斯坦建立广义相对论/五、爱因斯坦预言了引力波/六、爱因斯坦引力波预言的一波三折/第六课引力波探测的悲情与荣耀一、几十年的争论，费曼和邦迪一锤定音/二、从韦伯棒到LIGO/三、引力波探测的悲情与荣耀/四、美学/五、“诺贝尔哥”郭英森先生是引力波专家吗？/六、我错了，黑洞的确经常火并/七、看似没用的引力波有着灿烂的未来/第七课宇宙的过去与现在一、牛顿和爱因斯坦的麻烦/二、哈勃用“量天尺”发现宇宙不是孤岛/三、哈勃用天体测速仪发现了宇宙有起点/四、从天线的噪声里发现了宇宙大爆炸/五、从大爆炸到现在：物质、天体，以及我们/第八课关于宇宙大爆炸的那些奇怪问题一、谁给大爆炸提供了能量/二、为什么没有炸出来反物质？/三、大爆炸之前是什么？宇宙的中心在哪里？/四、就只能把锅甩给奇点吗？/五、宇宙有没有边？/六、我们会跟着宇宙一起膨胀吗？/七、宇宙会一直膨胀下去吗？/第九课那些“出没”于科幻作品中的天文和物理一、白洞、虫洞、量子纠缠和火墙/二、时间旅行/三、平行宇宙和多重宇宙/第十课是否真的有其他的世界和文明一、费米悖论与德雷克公式/二、阴差阳错，四次“首次”发现太阳系外的行星/三、探测其他恒星-行星系统的方法/四、那么，找到了其他的世界和文明吗？/五、霍金的突破摄星计划/六、黑暗森林法则和文明的未来/后记/
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（本文编辑：王芳）
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