- 圖注：從銀河系的平面看，遙遠的宇宙由恆星和星系以及不透明的氣體和塵埃組成。但在宇宙中最後一顆恆星之外，還有更多的光。
今天，當我們看著宇宙時，在浩瀚的、空曠的天空中，突出的是光點：恆星、星系、星雲等。然而，在遙遠的過去，有一段時間，在那些東西形成之前，就在大爆炸之後，宇宙仍然充滿了光。如果我們觀察光譜中的微波部分，今天我們可以發現宇宙微波背景（CMB）形式的這種光的殘餘。但即便是宇宙微波背景（CMB）也相對較晚：我們看到的是大爆炸後38萬年的曙光。就我們所知，光甚至在那之前就存在了。經過幾個世紀對宇宙起源的研究，科學終於發現了太空中“讓光”發生的物理過程。
- 圖注：阿諾·彭齊亞斯和鮑勃·威爾遜在位於新澤西州霍姆德爾的天線所在地首次發現了宇宙微波背景。
讓我們先來看看宇宙微波背景（CMB），它是從哪裡來的。1965年，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜兩人在新澤西州霍爾姆德爾的貝爾實驗室工作，試圖校準一種新的天線，以便與頭頂衛星進行雷達通信。但不管他們在天空中怎麼移動天線位置，他們都能看到這種電子干擾訊號。它與太陽、任何恆星或行星，甚至銀河系的平面都沒有關聯。它日以繼夜地存在，似乎在各個方向上都是一樣的大小。
阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜對這種干擾是什麼感到特別困惑，有人向他們指點迷津，告訴他們，在普林斯頓48公里以外的一組研究人員，曾預言這種輻射的存在，這些輻射干擾信號不是來自我們的行星、太陽系或星系本身的任何地方，而是起源於宇宙早期的一個熱、緻密的狀態：來自大爆炸。
- 圖注：根據彭齊亞斯和威爾遜的原始觀測，銀河系的平面放射出一些天體物理輻射源（中心），但在上面和下面，剩下的只是一個近乎完美、均勻的輻射背景。
幾十年過去了，我們測量輻射的精度越來越高，發現它不是在絕對零度以上3度，而是2.7K，然後是2.73K，然後是2.725K。在與餘輝相關的最偉大成就中，我們測量了它的光譜，發現它是一個完美的黑體，與大爆炸的想法一致，而與其他解釋不一致，如反射星光或疲勞光場景。
- 圖注：太陽的實際光（黃色曲線，左）與一個完美的黑體（灰色）的對比表明，由於光球的厚度，太陽更多的是一系列的黑體；在左是由COBE衛星測量的CMB的實際完美黑體。
最近，我們甚至從透過且與氣體雲間相互作用的光線中測量到，這種輻射在我們觀察的時間（和紅移）越遠的地方，溫度就越高。當宇宙隨著時間的推移而膨脹時，它會變冷，因此當我們回首過去時，我們看到的是更小、更密集、更熱的宇宙。
- 圖注：如果CMB具有非宇宙學起源，則不應觀察到溫度隨紅移（1 + z）而升高。
那麼，宇宙中的第一縷光，這一縷光是從哪裡來的呢？它不是來自恆星，因為它早於恆星。它不是由原子發射的，因為它早於宇宙中中性原子的形成。如果我們繼續向後推演到越來越高的能量，我們會發現一些奇怪的事情：由於愛因斯坦的E=mc²，這些光量子可以相互作用，自發地產生物質和反物質的粒子-反粒子對！
- 圖注：高能粒子碰撞可以產生物質反物質對或光子，而物質反物質對湮滅也可以產生光子。
它們不是物質和反物質的虛擬對，而是真實的粒子。就像兩個質子在大型強子對撞會產生過多的新粒子和反粒子一樣（因為它們有足夠的能量），早期宇宙中的兩個光子可以產生任何它們有足夠能量產生的東西。通過從我們現在所擁有的宇宙知識向後推算，我們可以得出這樣的結論：在大爆炸後不久的可觀測宇宙中，當時有10^89個粒子對。
對於那些想知道我們今天是如何擁有一個充滿物質（而不是反物質）的宇宙的人來說，一定有某個過程，從最初的對稱狀態中，產生比反粒子略多的粒子（約合1,000萬分之一），從最初的對稱狀態，導致我們可觀測的宇宙有大約10^80個物質粒子和10^89個光子。
- 圖注：隨著宇宙的膨脹和冷卻，不穩定粒子和反粒子會衰變，而物質反物質對會湮滅和分離，光子再也無法以足夠高的能量碰撞產生新粒子。
但這並不能解釋宇宙中所有的初始物質、反物質和輻射到底是怎麼變化的。這是一個無序狀態測量法，簡單地說“這就是宇宙的起源”是一個難以令人信服的答案。但是，如果我們尋求一個完全不同的問題的解決方案——地平線問題和扁平度問題——這個問題的答案就浮出水面。
- 圖注：當時空被空間本身固有的物質、輻射或能量所支配時，它是如何膨脹的。
為大爆炸建立初始條件需要發生一些事，而這"事"就是宇宙膨脹，或者一個時期，宇宙中的能量不是由物質（或反物質）或輻射所支配，而是被空間本身所固有的能量所支配，或者早期的超強度暗能量形式所支配的時期。
膨脹使宇宙扁平化，它給宇宙提供了相同的條件，它驅散了任何預先存在的粒子或反粒子，它造成了今天宇宙中的過度密度和低密度的種子波動。但瞭解所有這些粒子、反粒子和輻射最初來自何處的關鍵是什麼？這來自一個簡單的事實：要獲得我們今天的宇宙，膨脹必須結束。從能量的角度來說，當慢慢降低到一個潛在能級時，就會發生膨脹，但當最終進入能級的谷底時，膨脹就結束了，將能量（從高處）轉化為物質、反物質和輻射，從而產生我們所知的熱大爆炸。
- 圖注：當宇宙膨脹發生時，宇宙中固有的能量是巨大的，就像它在圖中峰頂一樣。當球滾入圖谷底，能量轉化為粒子。
下面是形象化設想宇宙膨脹結束後，能量如何轉化為粒子。設想一下，有一個無限大的立方體表面，該立方體由無數小立方體積木組成，這個立方體由它們之間不可思議的張力所支撐。同時，一個沉重的保齡球滾過這個無限大的立方體的表面。在立方體的大多數位置，球會有順利通過，但在立方體表面一些“弱點”球會壓出一個坑，因為球在滾動過程中產生的壓力超過表面的張力。而在某個特殊的位置，球可以壓壞一個（或幾個）積木，使這些小積木下沉。當這些小積木下沉的時候，會發生什麼？這些積木的缺失，導致張力缺乏，產生了連鎖反應，整個立方體結構崩潰。
- 圖注：當膨脹持續時，類似於球在表面上滑動，而結構破碎並釋放能量則代表能量轉化為粒子。
在這些下沉的積木區域遠低於其他立方體體表面，就像宇宙膨脹即將結束情景。這就是空間本身固有的能量轉化為真實粒子的地方，在膨脹期間，空間本身的能量密度如此之大，從而導致膨脹結束時產生如此多的粒子、反粒子和光子。這個膨脹結束併產生熱大爆炸的過程被稱為宇宙再加熱，當宇宙膨脹時冷卻，粒子/反粒子對湮滅，產生更多的光子，只剩下一點點物質。
- 圖注：整個已知宇宙的宇宙史表明，我們把宇宙中所有物質的起源，以及所有的光，歸根結底都歸功於膨脹的結束和大爆炸的開始。
當宇宙繼續膨脹和冷卻時，產生原子核、中性原子，最終形成恆星、星系、星團、重元素、行星、有機分子和生命。通過這一切，那些從大爆炸遺留下來的光子，以及開始這一切的膨脹結束後留下的遺物，流過宇宙，繼續冷卻，但從未消失。當宇宙中最後一顆恆星閃爍時，那些光子——早就轉移到了無線電中，並且已經稀釋到每立方公里不到一個——仍將存在，其數量將與幾年前的萬億和千萬億一樣多。
在有星星之前，有物質和輻射。在有中性原子之前，有一個電離等離子體，當等離子體形成中性原子時，這些等離子體允許宇宙提供我們今天看到的最早的光。甚至在光之前，就有物質和反物質湮滅，產生了今天大部分的光子，但即使那還不是開始。起初，宇宙空間呈指數級擴張，而正是那個時代的結束——宇宙膨脹的結束——導致了物質、反物質和輻射，產生了我們在宇宙中能看到的第一縷光。
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