何以宇宙主要由看不见的暗物质组成而又被暗能量所推开？问题的线索在于大爆炸后瞬间普通物质的形成——
最近几年来天文学家发现，我们熟悉的所有普通物质只是宇宙中的微量组分，而宇宙主要的组成是未知形式的“暗物质”和甚至更充裕、更神秘的“暗能量”。因此看来我们连这一宇宙混合物的主要组成都还不了解。
然而，普通物质却对研究宇宙其余的组成部分出奇地有用。去年美国航空航天局（NASA）的WMAP卫星已提供了宇宙中普通物质的组成和密度的详细资料。这一空前精确的信息展示了不少新的希望，不仅有可能检验我们关于形成此类物质的理论，而且还对宇宙学的若干观点提出了质疑。它甚至可对一些更神奇的物质和能量的疑问提供答案。
在大爆炸后的瞬间宇宙起着一个巨大的反应堆的作用，产生了一些最轻的元素：氢、氦和锂。这个“大爆炸核合成”过程（BBN）发生于140亿年前大爆炸后的瞬间，当时宇宙的温度约为10-29℃，比今日的宇宙远为密实。原子核在这种极端条件下简直不能继续存在，因此重子（普通物质的粒子）均以游离的质子与中子存在。
当宇宙膨胀和冷却时，猛烈的核反应使中子与质子结合为原子核。形成核为单个质子的氢原子和核为两个质子与两个中子的氦-4原子等单质。还形成了痕量的锂，以及稀有而稳定的、核为一个质子与一个中子的同位素氘，以及由两个质子与一个中子组成的氦-3。宇宙继续膨胀时，温度和压力进一步降低，宇宙核反应堆便最终停止反应。在天体的核反应堆中，重元素的形成要晚得多。
数年来，美国伊利诺伊州立大学理论天体物理学中心的助理教授布莱恩 · 菲尔兹（Brian Fields）及同事致力于弄清宇宙初期物质的确切组成，研究形成这些物质的核反应的细节。他们最初的估算确切地推算出初期宇宙中各种轻元素的相对量：氢占76%，而氦-4约占24%。事实上，河外星系附近热气团中氦-4含量的测定证实了其含量约为24%；其余为氢及痕量的其他元素。
河外星系仅含有微量由天体产生的重元素，因而宇宙学家对此进行了研究。自大爆炸以来的10亿年间，天体的核反应一定改变了轻元素的比率，因此可以看出这些河外星系一定是相对来说未被污染的原始型材料的范例。
把氦-4比率的推算值与测定值做比较，可以说明菲尔兹等人关于大爆炸核合成的理论是正确的。但更精确地检验该理论，他们也看到有一定含量的其他轻元素——氘、氦-3和锂，到宇宙核合成终止为止，在结合为氦-4前，它们还没有烧毁。早期宇宙重子的密度规定了形成每一种元素的多寡。
25年来，天文学家根据今日宇宙的氘、氦-3或锂的比率反推“大爆炸核合成”过程来估算重子的密度。实际上，把其中任何一个元素代人这种方程式，就会得出至少在测：量误差幅度内的同一重子密度。一般说来，这种一致性表明了“大爆炸核合成”理论和宇宙学的较大的成功。
但是目前出现了一种全新的、更精确的测定重子密度的方法，最后提供了一种检验“大爆炸核合成”理论成果的方法，从而又前进了一大步。该方法是着眼于宇宙微波背景辐射（CMB）。就像大爆炸核合成标志着核过程使质子与中子聚集为核的宇宙“核时代”一样，宇宙微波背景辐射乃是探查核与电子聚集为原子的“原子时代”。
宇宙微波背景辐射给了我们以大爆炸后40万年首次形成中性原子时宇宙的简单印象。根据大气层上部不同位置的微波谱可估量宇宙温度，从而探查物质的密度。
NASA宇宙背景探测器卫星10年前首次检测到宇宙微波背景辐射温度的微量波动，2003年2月WMAP卫星又惊人详细地测定了这一温度的波动。因此可以根据这个资料反推到发生大爆炸核合成反应的那一刻。去年，菲尔兹及同事进行了这一计算，发现WMAP卫星的测定表明重子密度为临界密度的4.7+0.6%，亦即大约为防止宇宙在其本身的重力下坍缩回去所需密度的4.7%。这个结果不仅因为其高度精确而值得注意，而且还因为它是完全独立的宇宙重子密度的测定，而且还可与轻元素的观测值相比较。这绝不是老一套，而是标志着大爆炸宇宙天体学的巨大成功。
不依靠观测而由反推大爆炸核合成得到宇宙重子密度，我们可取由宇宙微波背景辐射得到的重子密度，把它直接代入大爆炸核合成进行计算。结果使大爆炸核合成成为颇为敏锐的早期宇宙的指示器。
例如，一些理论工作者已经提出一些奇异粒子可能组成了我们宇宙神秘的暗物质。但如伊利诺斯州芝加哥大学的D · 希拉姆和他的同事在上世纪70年代末所指出的，如果这些粒子确实存在，那么它们就必然会使宇宙的膨胀和冷却变样。这样又会影响到核反应终止前各种轻元素形成的多寡。把轻元素的比率与宇宙微波背景辐射的结果结合起来，已经排除了不少关于暗物质性质的这一类理论。
大爆炸核合成不仅对理解暗物质有用，而且对研究暗能量的性质也有用。1998年，观测遥远的超新星表明，宇宙的膨胀实际上在加速。宇宙学家推断，问题可能出在四种基本作用力（强作用力、弱作用力、电磁力和万有引力）以外一种新的第五种力。这“第五特性”或“第五要素”可以从新的宇宙能场的作用来说明今日加速膨胀的宇宙。但当用“第五要素”模型解释今日宇宙的加速膨胀作用时，通常也得到早期宇宙特别是大爆炸核合成的结论。
通过估算“第五要素”模型对轻元素丰度的影响，菲尔兹及同事发现，“第五要素”理论受到宇宙背景辐射的严格约束。尽管暗能量今日占支配地位，但他们认为在大爆炸后的瞬间，它只是宇宙总能量的极小部分（见我们提交给《物理评论D》的论文）。再之，核反应总是受到抑制，宇宙会被播下许多更轻元素的种子。至关紧要的是，这就会排除绝大多数的“第五要素”理论，除非它们能找出大爆炸核合成期间“阻断”暗能量的途径。理论家可指望除“第五要素”以外的观点去说明暗能量的性质。
另一个应用WMAP卫星成果的方法，是把大爆炸核合成时生成的元素的比率与目前实际测得的值作比较，就可得知后来河外星系天体轻元素的核过程。例如，天文学家通过NASA的FUSE卫星发现，在太阳的数百秒差距内的氘约为其原始丰度的55%。因为天体的氘可完全被毁，这说明我们银河系附近55%的物质是天体中未经核反应的、“幸存的"原子，年代可一直反推到宇宙初期。对于模拟星系形成和演化以及研究天体产生和消亡速度的天体物理学家来说，这类资料十分有用。
我们也可以把原始的锂的数量与今日在天体中发现的锂的数量做比较，以找出更多关于天体活动的资料。由此产生了一个真正令人困惑的问题。银河中最老的和最原始的天体所含锂的数量显然仅为大爆炸后立即产生的锂的数量的1/2至1/3，大部分的锂不见了！
这一亏损有若干可能的原因。应回过来指出，测定锂时天体环境性质的估量存在着困难。例如，推测锂的数量，要求对天体温度作很精确的测定、天文学家就会碰到这种天体“温度测量法”的误差。或许这种亏损是由于这些天体毁掉了一些锂，尽管这些天体是经过精心挑选的，应该仅烧毁氢和氦。或许是我们大爆炸核合成的描述不完整。会不会是神秘的奇异粒子的作用改变了宇宙的膨胀，从而抑止了锂的产生？但是又为什么没有影响到氘呢？
上述每一种可能性都是值得认真研究的课题。依菲尔兹看来，前二者在解释这一问题上至少可能起到部分作用，而第三种可能尤为诱人，因为它可能揭示全新的基本物理过程。
把我们的大爆炸核合成理论与微波背景结合起来，使得宇宙学家对普通物质有了详尽而精确的理解。认真讨论这个问题的全部涵义，需要大爆炸核合成的空前的定量精度以及更精确的观测，而且如果锂的问题继续存在，则还得用新的观点来加以解释。但深信，经过天体物理学家的努力最终必将获得成功。