正文
这一系列由热大爆炸宇宙学带来的辉煌胜利，向人类揭示了一个看似复杂却又十分简单的真相：
如果我们的宇宙是稳恒静止的，那么我们将无法理解为何构成这个世界的物质成分中元素比例如当前所看到的。
毕竟，仅仅依靠着宇宙中恒星内部的热核聚变过程，不足以形成宇宙中构成全部物质的原子，而星系间大多数空旷的区域却无比冰冷，对元素的形成毫无帮助。与之相反的是，如果宇宙在早期处于如热大爆炸模型所描述的极高温、高压、致密的环境当中，那么就可以完美解释当前测量到的氢和氦元素丰度。早期宇宙温度极高，粒子密度极大，能有效地进行聚变反应产生各类轻元素原子核。并且，这一曾经的高温致密的宇宙等离子体态也必然会产生一个完美的背景热辐射，如今，它的特征频率随着宇宙膨胀所导致的红移对应了一个
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赫兹的黑体辐射，也就是宇宙微波背景辐射，本文会在之后详细介绍。
仔细打量一下热大爆炸宇宙模型的核心理念，不过就是宇宙从极高温度状态逐渐冷却到今天的过程。而要证实这一过程是否真的发生过，并不需要全程关注每个阶段所经历的演化。特别是，考虑到地球上的生命体在面对花费构建加速器来认知宇宙还是购买军火来毁灭世界的选择上都不具备足够高的智慧，我们通常选取一个经济实惠的办法，也就是
只需检验宇宙所经历的一些特征过程并与实验观测比较是否吻合即可。原初核合成（Big Bang Nucleosynthesis）就是指向热大爆炸宇宙模型的确凿证据。
原初核合成始于大爆炸奇点发生之后的第三分钟，当宇宙温度降至足以形成稳定的氢原子核和中子的重子产生过程之后，大约持续二十分钟结束。这些微小粒子的相对丰度，只需要结合热力学规律和宇宙的尺度膨胀效应即可简单计算出来。例如，若跟宇宙膨胀导致的背景温度变化速率相比较，核反应达到热平衡的时间过长，那么这个元素丰度就会因为不稳定而随时间改变直至达到热平衡。
结合热力学和宇宙膨胀效益带来的变动，可以计算在宇宙早期的中子和氢核之间在数量上的相对比值。该数值明显倾向氢核，这是因为中子的质量较大，会导致中子以大约十分钟的半衰期蜕变成质子，也就是裸的氢核。（如果有些读者想了解什么是氢核的话，可以随便找家法式餐厅点一杯82年的一氧化二氢，保证喝到明白为止。）宇宙继续膨胀，温度也随之降低，而自由中子和质子的稳定性不如氦核（He-4），因此氢核与中子相互结合并有逐渐合成为氦核的趋向。然而形成氦核之前必然要经历形成中间产物氘核（D）的过程，当核合成发生时，当时的宇宙温度会让粒子的平均能量略高于氘核的束缚能，因此所有的氘核在合成之后又会立刻被拆散，这一现象被称为氘的形成瓶颈。因此，氦核的形成会被大大延迟至宇宙的温度足够低至氘核能够稳定之后，这一温度大约是在0.1百万电子伏特（讲人话就是换算成摄氏温标为
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摄氏度），这时候宇宙中的元素会突然爆增。
图1: 宇宙中的原初核合成发生在大爆炸之后第三分钟到第二十分钟。
这一切发生在大爆炸后约第二十分钟就结束了。图1直观表现了宇宙在极早期的核合成以及甚早期的历史。在这一切发生之后，由于我们的宇宙太过清凉而使得进一步的核合成难以发生。因此，宇宙的元素丰度基本上被固定了下来，只有极少数原处核合成的放射性产物尚能继续蜕变，但贡献寥寥无几。无需调节热大爆炸理论模型的主要架构，我们就可以推论出，通过原初核合成所产生的元素在宇宙中以质量所表示的丰度大约为75%的氢H-1、25%的氦He-4、0.01%的氘、以及总量仅可供辨识的微量锂，并且没有其他的重元素。这一结果与我们的宇宙被观测到的轻元素丰度的实验数据高度一致性，被认为是热大爆炸宇宙学说最有力的证据之一。图2是每一位中学生都刻骨铭心的化学元素周期表，不同的颜色代表着该元素在宇宙中产生的主要机制。
图2: 元素周期表在宇宙中的产生分布。橙色为大爆炸后的原初核合成；蓝色为超新星爆发；黄色为大质量恒星；红色为小质量恒星；绿色为宇宙线。
正餐2: 大爆炸后第三十八万年——宇宙微波背景辐射（CMB）
原初核合成的英文缩写BBN，与吃货们喜爱的BBQ看上去很接近。认真说来，宇宙经历了BBN过程之后的温度，虽然不足以触发进一步的核合成，也还是极高温的。这就如同一个烤箱般烘焙着内部的各种物质，而这个温度则可以通过烤箱内部的热辐射得知。具体而言，就是大量的不同频率的光子辐射与核合成结束后宇宙中充斥着的自由电子、质子、以及氦核之间不断发生碰撞并交换着能量，这些光子辐射的频率分布，也是大家所熟知的黑体辐射谱，就是当时的宇宙存在温度的最好证据。
在这一历史时期，宇宙依然在膨胀，温度也依然在逐渐降低，宇宙中的粒子开始从辐射为主的状态演化到物质为主的状态。但此时的光子与带电粒子的散射依然频繁，这就导致了在宇宙初期由这些带电粒子所构成的、如同一锅浓粥一般的等离子体态中，光子始终走不远，就会被频繁地散射开来。每一次散射都会不断改变光子的信息。因此，人类无法通过光学手段测量这一阶段的宇宙信息。
随着宇宙进一步的冷却，到了大爆炸奇点发生过去38万年的这一历史时刻，我们的宇宙发生了大事件：自由电子与带电的氢离子形成了稳定的中性氢原子。就像圣经旧约里面的故事一样，上帝说：“要有光”。这一阶段宇宙中的光子在经历与电子最后一次散射之后，开始了自由穿梭的长路漫漫。于是，宇宙中的光子再也不用担心被任何带电粒子所约束，此刻的宇宙也顿时通透了。好事的宇宙学家们将这一历史时刻称为最后散射面。这些光子携带着与电子们的最后一次拥抱留下的物理信息，开始了长达138亿年的长途跋涉，一路上经历了宇宙膨胀导致的红移和物质分布带来的引力透镜偏移，最终被地球上的智慧生物悄然捕获。
