Poza małymi fluktuacjami omówionymi powyżej (jedna część na 100 000), obserwowane kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła wykazuje wysoki stopień izotropii , fakt rzędu zerowego, który przedstawia satysfakcję i trudność dla kompleksowej teorii. Z jednej strony dostarcza mocnego uzasadnienia dla założenia o jednorodności i izotropii, które jest wspólne dla większości modeli kosmologicznych. Z drugiej strony, taka jednorodność i izotropia są trudne do wyjaśnienia ze względu na problem „horyzontu świetlnego”. W kontekście kosmicznego mikrofalowego tła problem można wyrazić następująco. Rozważmy promieniowanie tła docierające do obserwatora z dowolnego dwie przeciwległe strony nieba. Jasne jest, że bez względu na to, jakie są ostateczne źródła tego promieniowania (gorąca plazma), fotony podróżujące z prędkością światła od momentu ich emisji przez plazmę miały tylko czas, aby dotrzeć do Ziemi. jedna strona nieba nie mogła mieć czasu na „komunikację” z materią po drugiej stronie (są one poza horyzontem świetlnym siebie nawzajem), więc jak to jest możliwe (w odniesieniu do obserwatora w prawej ramce), że „wiedzą”, że mają tę samą temperaturę z dokładnością zbliżoną do jednej części na 100 000? Co odpowiada za wysoki stopień izotropii kątowej kosmicznego mikrofalowego tła?

Mechanizm zwany „inflacją” oferuje atrakcyjny sposób z tego dylematu . Podstawową ideą jest to, że przy wysokich energiach materię lepiej opisują pola niż klasyczne metody. Udział pola w gęstości energii (a zatem i gęstości masy) oraz ciśnienie w stanie próżni nie musiały być w przeszłości zerowe, nawet jeśli tak jest obecnie. W czasie superunifikacji (era Plancka, 10–43 sekundy) lub wielkiego zjednoczenia (era PG, 10–35 sekund), stan najniższej energii tego pola mógł odpowiadać „fałszywej próżni” z kombinacją masy gęstość i podciśnienie, które powoduje grawitację w dużej sile odpychającej. W kontekście ogólnej teorii względności Einsteina fałszywa próżnia może być traktowana alternatywnie jako przyczyniająca się do stałej kosmologicznej około 10100 razy większej niż może być obecnie. Odpowiednia odpychająca siła powoduje, że wszechświat nadyma się wykładniczo, podwajając jego rozmiar mniej więcej raz na 10–43 lub 10–35 s. Po co najmniej 85 podwojeniach temperatura, która rozpoczęła się od 1032 lub 1028 K, spadłaby do bardzo niskich wartości, bliskich wartości bezwzględnej zero.

Inflacja zapewnia mechanizm do zrozumienia ogólnej izotropii kosmicznego mikrofalowego tła, ponieważ materia i promieniowanie całego obserwowalnego wszechświata były w dobrym kontakcie termicznym (w w kosmicznym horyzoncie zdarzeń) przed inflacją i dlatego uzyskał te same właściwości termodynamiczne. Gwałtowna inflacja przenosiła różne części poza ich indywidualne horyzonty zdarzeń. Kiedy skończyła się inflacja, a wszechświat ponownie się rozgrzał i wznowił normalną ekspansję, te różne części, w wyniku naturalnego upływu czasu, ponownie pojawiły się na naszym horyzoncie. Z obserwowanej izotropii kosmicznego mikrofalowego tła można wywnioskować, że nadal mają te same temperatury.

Biorąc pod uwagę zmierzoną temperaturę promieniowania 2,735 K, można wykazać, że gęstość energii kosmicznego mikrofalowego tła jest około 1000 razy mniejsza niż średnia gęstość energii spoczynkowej zwykłej materii we Wszechświecie. Zatem obecny wszechświat jest zdominowany przez materię. Jeśli cofniemy się w czasie do przesunięcia ku czerwieni z, średnie gęstości liczbowe cząstek i fotonów były większe o ten sam współczynnik (1 + z) 3, ponieważ wszechświat był bardziej skompresowany przez ten współczynnik, a stosunek tych dwóch liczb miałby utrzymywała obecną wartość około jednego jądra wodoru, czyli protonu, na każde 109 fotonów. Długość fali każdego fotonu była jednak w przeszłości o współczynnik 1 + z krótsza niż obecnie; dlatego gęstość energii promieniowania rośnie szybciej o jeden współczynnik 1 + z niż gęstość energii spoczynkowej materii. W ten sposób gęstość energii promieniowania staje się porównywalna z gęstością energii zwykłej materii przy przesunięciu ku czerwieni około 1000. Przy przesunięciach ku czerwieni większych niż 10 000 promieniowanie zdominowałoby nawet ciemną materię Wszechświata. Pomiędzy tymi dwiema wartościami, przy przesunięciu ku czerwieni wynoszącym około 1090, promieniowanie odłączyłoby się od materii po rekombinacji wodoru.Nie jest możliwe użycie fotonów do obserwowania większych przesunięć ku czerwieni, ponieważ plazma kosmiczna w temperaturach powyżej 4000 K jest zasadniczo nieprzezroczysta przed rekombinacją. Te fotony z przesunięcia ku czerwieni 1090 tworzą kosmiczne mikrofalowe tło.

Frank H. Shu