隨著宇宙的膨脹和溫度的降低,物質(zhì)粒子的能量也不斷下降,直到它們的速度減小到非相對(duì)論性(粒子的運(yùn)動(dòng)能量遠(yuǎn)小于它的質(zhì)能)。緩慢運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)粒子從此脫離了輻射的行列,轉(zhuǎn)而成為物質(zhì)的一員。然而,即使在大多數(shù)物質(zhì)粒子成為非相對(duì)論性之后,輻射仍然是宇宙的主宰——剩余的輻射(主要是光和中微子)仍然擁有比物質(zhì)更多的能量。

宇宙接下來的膨脹改變了這一切。我們不妨想象一大塊充滿物質(zhì)粒子和光的空間。當(dāng)宇宙擴(kuò)張時(shí),空間的體積增大,但粒子的數(shù)目卻是不變的——因此粒子的密度減小了。這種效果對(duì)物質(zhì)粒子和光子的作用是相同的。但是,光子還將為別的原因付出額外的損失。事實(shí)上,當(dāng)空間擴(kuò)張時(shí),光波也會(huì)被拉伸——光的波長(zhǎng)將變得更長(zhǎng)。因?yàn)楣庾拥哪芰侩S波長(zhǎng)的增加而減小,光的能量密度就會(huì)因?yàn)檫@一拉伸效果而進(jìn)一步減小。因此,隨著時(shí)間的流逝和宇宙的膨脹,光能量密度將比物質(zhì)能量密度以更快的速率減少,直到被物質(zhì)能量超過。

在大爆炸后大約50 000年時(shí),關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變發(fā)生了。物質(zhì)第一次和輻射平分秋色,宇宙的結(jié)構(gòu)也開始形成。在宇宙經(jīng)過了56 000年這個(gè)標(biāo)志性的年齡之后,溫度降到了10 000攝氏度以下,原始密度分布中那些不均勻的小塊兒,開始在引力的作用下生長(zhǎng)。

但是對(duì)原子來說,這個(gè)溫度仍然太高了。已經(jīng)形成的輕元素的原子核,依然無法束縛住在這個(gè)溫度下快速飛行的電子。由于空間充滿了帶正電荷的裸原子核和帶負(fù)電荷的自由電子,光子便不可能自由飛行。事實(shí)上,由于光子會(huì)和周圍的帶電粒子發(fā)生相互作用(通過電磁力),這些早期的光子在一個(gè)接一個(gè)的帶電粒子間不斷發(fā)生碰撞,并在每次碰撞后發(fā)生能量和方向的改變。因此,這時(shí)的宇宙看上去仿佛充滿了濃厚的霧氣。

大約在大爆炸之后38萬年,宇宙溫度降低到了3 000攝氏度以下,電子和質(zhì)子終于能夠結(jié)合在一起,形成不帶電的原子。光子也從此獲得了自由。沒有帶電粒子的羈絆,大爆炸產(chǎn)生的光子可以毫無阻礙地在空間和時(shí)間中旅行。直到約140億年后的今天,這些光子仍繼續(xù)在宇宙中以宇宙微波背景輻射(cosmic microwave background, CMB)的形式存在。作為大爆炸的余暉,這種早期宇宙的殘留物毫無疑問是研究宇宙學(xué)的寶庫(kù)。今天,當(dāng)我們對(duì)現(xiàn)存的光輻射進(jìn)行觀測(cè)時(shí),看到的正是宇宙原始混沌中濃霧的輪廓——即大爆炸后不到40萬年時(shí)宇宙的圖像。