早在20世纪40年代末，大爆炸宇宙论的鼻祖伽莫夫认为，我们的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中，其温度约为6K。正如一个火炉虽然不再有火了，还可以冒一点热气。
1964年，美国贝尔电话公司年轻的工程师——彭齐亚斯和威尔逊，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毫米波微波干扰，各个方向上信号的强度都一样，而且历时数月而无变化。
难道是仪器本身有毛病吗？或者是栖息在天线上的鸽子引起的？他们把天线拆开重新组装，依然接收到那种无法解释的毫米波。这种波的波长为几毫米，在微波波段，对应于有效温度为3.5K的黑体辐射出的电磁波（它的谱与达到某种热平衡态的熔炉内的发光情况精确相符，这种辐射就是物理学家说熟知的“黑体辐射”）。他们分析后认为，这种毫米波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，毫米波强度始终不变。
后来，经过进一步测量和计算。得出辐射温度是2.7K，一般称之为3K宇宙微波背景辐射。这一发现，使许多从事大爆炸宇宙论研究的科学家们获得了极大的鼓舞。因为彭齐亚斯和威尔逊等人的观测竟与理论预言的温度如此接近，正是对宇宙大爆炸论的一个非常有力的支持！这是继1929年哈勃发现星系谱线红移后的又一个重大的天文发现。
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20世纪60年代天文学四大发现之一。彭齐亚斯和威尔逊于1978年获得了诺贝尔物理学奖。瑞典科学院在颁奖决定中指出：这一发现，使我们能够获得很久以前宇宙创生时期所发生的宇宙过程的信息。
最后还有一个证实炽热高密度宇宙起源理论的证据。只要知道今天热辐射的温度，由热大爆炸理论很容易计算出宇宙诞生后约1秒时各处的温度约为100亿度，这对现有的原子核的合成来说也是太高了。那时物质必定被撕裂成最基本的成分，形成一锅夸克胶子汤，诸如质子、中子和电子。但是，随着这锅汤变冷，核反应就可能出现了。
采用大爆炸模型可以计算氦-4、氦-3、氘和锂-7等轻元素相对普通氢元素在宇宙中所占含量的比例。所有这些轻元素的丰度都取决于一个参数，即早期宇宙中光子与重子的比例，而这个参数的计算与微波背景辐射涨落的具体细节无关。大爆炸理论所推测的轻元素比例（这里是元素的总质量之比而非数量之比）大约为：氦-4/氢=0.25，氘/氢=10^-3，氦-3/氢=10^-4，锂-7/氢=10^-7。
实际测量到的各种轻元素丰度和从光子重子比例推算出的理论值加以比较，可以发现它们是粗略符合的。其中理论值和测量值符合最好的是氘元素，氦-4的理论值和测量值接近但仍有差别，锂-7则是差了两倍，对于后两种元素的测算存在着较大的系统随机误差。
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