Aparte de las pequeñas fluctuaciones discutidas anteriormente (una parte en 100.000), la radiación de fondo de microondas cósmica observada exhibe un alto grado de isotropía , un hecho de orden cero que presenta tanto satisfacción como dificultad para una teoría integral. Por un lado, proporciona una fuerte justificación para el supuesto de homogeneidad e isotropía que es común a la mayoría de los modelos cosmológicos. Por otro lado, tal homogeneidad e isotropía son difíciles de explicar debido al problema del «horizonte de luz». En el contexto del fondo cósmico de microondas, el problema se puede expresar de la siguiente manera. Considere la radiación de fondo que llega a un observador desde cualquier dos lados opuestos del cielo. Claramente, cualesquiera que sean las fuentes últimas (plasma caliente) de esta radiación, los fotones, que viajan a la velocidad de la luz desde su emisión por el plasma, solo han tenido tiempo de llegar a la Tierra ahora. un lado del cielo no pudo haber tenido tiempo de «comunicarse» con la materia del otro lado (están más allá del horizonte de luz del otro), entonces, ¿cómo es posible (con respecto a un observador en el marco de descanso derecho) que ellos «saben» que tienen la misma temperatura con una precisión cercana a una parte en 100.000? ¿Qué explica el alto grado de isotropía angular del fondo cósmico de microondas?

Un mecanismo llamado «inflación» ofrece una forma atractiva fuera de este dilema . La idea básica es que a altas energías, la materia se describe mejor por campos que por medios clásicos. La contribución de un campo a la densidad de energía (y por lo tanto a la densidad de masa) y la presión del estado de vacío no tienen que haber sido cero en el pasado, incluso si lo es hoy. Durante el tiempo de superunificación (era de Planck, 10-43 segundos) o gran unificación (era GUT, 10-35 segundos), el estado de energía más baja para este campo puede haber correspondido a un «falso vacío», con una combinación de masa densidad y presión negativa que resultan gravitacionalmente en una gran fuerza repulsiva. En el contexto de la teoría de la relatividad general de Einstein, se puede pensar que el falso vacío contribuye alternativamente a una constante cosmológica aproximadamente 10 100 veces mayor de lo que posiblemente pueda ser hoy. La fuerza hace que el universo se infle exponencialmente, duplicando su tamaño aproximadamente una vez cada 10-43 o 10-35 segundos. Después de al menos 85 duplicaciones, la temperatura, que comenzó en 1032 o 1028 K, habría caído a valores muy bajos cercanos al absoluto. cero.

La inflación proporciona un mecanismo para comprender la isotropía general del fondo cósmico de microondas porque la materia y la radiación de todo el universo observable estaban en buen contacto térmico (w dentro del horizonte de eventos cósmicos) antes de la inflación y, por lo tanto, adquirió las mismas características termodinámicas. La inflación rápida llevó diferentes porciones fuera de sus horizontes de eventos individuales. Cuando terminó la inflación y el universo se recalentó y reanudó su expansión normal, estas diferentes porciones, a través del paso natural del tiempo, reaparecieron en nuestro horizonte. A través de la isotropía observada del fondo cósmico de microondas, se infiere que todavía tienen las mismas temperaturas.

Dada la temperatura de radiación medida de 2.735 K, se puede demostrar que la densidad de energía del fondo cósmico de microondas es aproximadamente 1,000 veces más pequeña que la densidad de energía en reposo promedio de la materia ordinaria en el universo. Por tanto, el universo actual está dominado por la materia. Si uno retrocede en el tiempo hasta el desplazamiento al rojo z, las densidades numéricas promedio de partículas y fotones eran ambos mayores por el mismo factor (1 + z) 3 porque el universo estaba más comprimido por este factor, y la proporción de estos dos números habría mantuvo su valor actual de aproximadamente un núcleo de hidrógeno, o protón, por cada 109 fotones. La longitud de onda de cada fotón, sin embargo, era más corta en el factor 1 + z en el pasado de lo que es ahora; por lo tanto, la densidad de energía de la radiación aumenta más rápidamente en un factor de 1 + z que la densidad de energía en reposo de la materia. Por tanto, la densidad de energía de la radiación se vuelve comparable a la densidad de energía de la materia ordinaria con un corrimiento al rojo de aproximadamente 1.000. Con corrimientos al rojo superiores a 10.000, la radiación habría dominado incluso la materia oscura del universo. Entre estos dos valores, con un corrimiento al rojo de aproximadamente 1.090, la radiación se habría desacoplado de la materia cuando el hidrógeno se recombinó.No es posible utilizar fotones para observar desplazamientos al rojo mayores que este, porque el plasma cósmico a temperaturas superiores a 4.000 K es esencialmente opaco antes de la recombinación. Estos fotones de un corrimiento al rojo de 1090 forman el fondo cósmico de microondas.

Frank H. Shu