随着宇宙的膨胀和温度的降低,物质粒子的能量也不断下降,直到它们的速度减小到非相对论性(粒子的运动能量远小于它的质能)。缓慢运动的物质粒子从此脱离了辐射的行列,转而成为物质的一员。然而,即使在大多数物质粒子成为非相对论性之后,辐射仍然是宇宙的主宰——剩余的辐射(主要是光和中微子)仍然拥有比物质更多的能量。

宇宙接下来的膨胀改变了这一切。我们不妨想象一大块充满物质粒子和光的空间。当宇宙扩张时,空间的体积增大,但粒子的数目却是不变的——因此粒子的密度减小了。这种效果对物质粒子和光子的作用是相同的。但是,光子还将为别的原因付出额外的损失。事实上,当空间扩张时,光波也会被拉伸——光的波长将变得更长。因为光子的能量随波长的增加而减小,光的能量密度就会因为这一拉伸效果而进一步减小。因此,随着时间的流逝和宇宙的膨胀,光能量密度将比物质能量密度以更快的速率减少,直到被物质能量超过。

在大爆炸后大约50 000年时,关键的转变发生了。物质第一次和辐射平分秋色,宇宙的结构也开始形成。在宇宙经过了56 000年这个标志性的年龄之后,温度降到了10 000摄氏度以下,原始密度分布中那些不均匀的小块儿,开始在引力的作用下生长。

但是对原子来说,这个温度仍然太高了。已经形成的轻元素的原子核,依然无法束缚住在这个温度下快速飞行的电子。由于空间充满了带正电荷的裸原子核和带负电荷的自由电子,光子便不可能自由飞行。事实上,由于光子会和周围的带电粒子发生相互作用(通过电磁力),这些早期的光子在一个接一个的带电粒子间不断发生碰撞,并在每次碰撞后发生能量和方向的改变。因此,这时的宇宙看上去仿佛充满了浓厚的雾气。

大约在大爆炸之后38万年,宇宙温度降低到了3 000摄氏度以下,电子和质子终于能够结合在一起,形成不带电的原子。光子也从此获得了自由。没有带电粒子的羁绊,大爆炸产生的光子可以毫无阻碍地在空间和时间中旅行。直到约140亿年后的今天,这些光子仍继续在宇宙中以宇宙微波背景辐射(cosmic microwave background, CMB)的形式存在。作为大爆炸的余晖,这种早期宇宙的残留物毫无疑问是研究宇宙学的宝库。今天,当我们对现存的光辐射进行观测时,看到的正是宇宙原始混沌中浓雾的轮廓——即大爆炸后不到40万年时宇宙的图像。