在宇宙早期轻核合成结束以后，还剩下质子及与质子结合成几种轻核的中子、电子和光子。由于宇宙还在不断地膨胀和降温，在开始的一段时期内，光子的能量虽不足以分裂轻核但却可以与其它粒子频繁地发生碰撞，结果导致电子不能同质子和轻核结合成原子，光子本身也因不能脱离耦合而遭到散射。这时的宇宙还是一个看不见的但却不断膨胀的高温球体。
随着宇宙继续膨胀，宇宙的尺度也随之增大，温度也逐渐降低。在静止质量不为零的实物气体中，所形成的中性原子的百分比也随温度下降而迅速增大。当宇宙年龄t＝4×105年时，相应的温度T=3000K。此时光子便不能与实物气体发生有效的碰撞，即光子脱耦，电中性原子得以大量形成，宇宙从此也就变得透明了。脱耦后的光子称为背景光子，它是宇宙背景辐射的原始成分。
光子脱耦后的赤热球体就成为可见的宇宙原始火球。如果在宇宙年龄为40万年时马上进行观测，则这个火球的温度约为3000K，只是今日太阳的表面温度的一半。显然，我们只能在宇宙膨胀了100多亿年后的现代观测这个火球的“暗淡余光”，找出确实的因果关系。
因为宇宙背景光子的温度与宇宙的尺度成反比，而自从出现原始火球以来宇宙的尺度已胀大了1000多倍，所以今日宇宙背景光子的温度也应当降低1000多倍，即应由3000K降低到不足3K。如本书第五章第五节所述，这种理论预言早就有人作过。此外，由背景光子来体现的宇宙原始火球的辐射是很典型的黑体辐射，其辐射波谱曲线完全由温度决定。根据维恩位移定律可知，任何温度T下的波谱曲线都有一极大值，令该极大值所对应的波长为λM，则λM与T成反比，并满足以下关系：
λMT＝0.288cm·K （6．10）
将预期的今日背景光子温度T＝3K代入上式，则得λM≈1mm。
上述关于宇宙背景光子现代遗迹的预言，最初是于1965年在7.35cm一个波长的观测上得到证实的，后来又通过高空探测和空间探测，在更宽广的波长范围内取得了完整的背景辐射波谱曲线；90年代初由COBE卫星的观测表明，宇宙背景辐射极精确地相当于温度为（2.736±0.017）K的黑体辐射，峰值波长λM在1mm波段上，如前文所述，这正是大爆炸宇宙模型最强有力的实测证据。
图6．11是宇宙大爆炸的示意圆图。从大爆炸开始以来的宇宙尺度用圆的半径表示。由于宇宙的膨胀，该半径在不断地增大，宇宙年龄也随之增大。该图还把同一宇宙年龄的天体都投影到具有同一半径的圆周上。我们现在是从地球所处的银河系来观测宇宙诸天体的，具体地说，只有当诸天体发出的电磁波（光波或无线电波）被望远镜接收到时，我们才能看到它们。由于电磁波以光速传播，其传播路径由图中的虚线表示，所以愈远的天体我们看到的愈是它过去的情况。当宇宙年龄大约为40万年时，辐射温度约为3000K。此时光子同实物粒子脱离耦合而成为背景光子，它们携带着最远的原始火球的珍贵信息。然而，当我们接收到这种信息时，宇宙的尺度已胀大了1000多倍，所以相应的辐射温度也降低到不足3K了，同时辐射的峰值波长也从可见光波段红移到毫米波段了。这些理论预言已很好地被宇宙背景辐射的观测所证实。
