En el Universo, por un lado se encuentra lo infinitamente gigantesco y lejano, como las galaxias y los cuásares, así como los eventos que ocurrieron hace miles de millones de años. En el otro extremo se encuentra lo infinitamente pequeño, como los átomos, los quarks y los leptones, así como los fenómenos subatómicos que ocurren en fracciones infinitesimales de segundo.
Entre estos extremos se encuentra el ser humano, cuya vida es muy corta si la comparamos con la edad del Universo, y gigantesca con respecto a la duración de algunos fenómenos atómicos. Sin embargo, lo más grandioso del ser humano es su ingenio y su capacidad para cuestionarse y tratar de comprender todo lo que le rodea. Es capaz de diseñar y construir sofisticados instrumentos que sirven para estudiar tanto lo muy grande como lo muy pequeño. El Universo se expande segundo a segundo, e incluye todo lo que existe, como las estrellas, las nebulosas, los cuásares, los hoyos negros y hasta el conjunto de todas las galaxias. Entre ellas la que habitamos, nuestra galaxia, llamada la Vía Láctea. A ella pertenecen el Sol y los planetas Mercurio, Venus, Marte, Júpiter, Saturno, Urano, Neptuno y, desde luego, la Tierra. En este planeta nos tocó vivir y es donde ocurren la mayoría de los fenómenos físicos que conocemos: los terremotos, los rayos, la lluvia, el viento, el calor, el frío, la nieve, las mareas y también los espectaculares impactos de meteoritos, los maremotos y tsunamis, y las erupciones volcánicas como las del Popocatépetl. Estamos rodeados de fenómenos físicos; algunos los podemos percibir con nuestros sentidos, mientras que para estudiar otros necesitamos instrumentos especializados como telescopios, aceleradores de partículas cargadas, láseres, microscopios de varios tipos y muchos más.
En el primer capítulo se explican las hipótesis y evidencias sobre la estructura general del Universo observable y las características de la gran explosión que, se supone, le dio origen. En relación con los fenómenos que ocurren a escala humana, su explicación se aborda en los capítulos 2 al 6. En el último capítulo, se expone una visión del mundo microscópico, al que pertenecen las partículas elementales.
Así como no es fácil ver lo que ocurre en el Universo, tampoco es fácil ver lo que ocurre dentro de nuestro cuerpo. Para hacer un viaje hacia el interior de nosotros mismos tendríamos que hacernos microscópicos. Primero, para atravesar nuestra piel, tenemos que hacernos cien mil veces más pequeños; entonces podríamos ver las células que la constituyen. Si nos achicamos a la centésima parte del tamaño anterior podemos ver las moléculas que forman estas células, y si nos hacemos aún cien veces más pequeños, podremos ver los átomos de estas moléculas. Los átomos, de los que estamos constituidos los seres vivos y las cosas que nos rodean, se mueven continuamente y están formados por partículas llamadas electrones y núcleos. Además, intercambian energía con otros objetos microscópicos en múltiplos enteros de una cantidad bien definida llamada quanto, cuyo estudio dio origen a la mecánica cuántica.
Los núcleos atómicos están compuestos de partículas aún más pequeñas, llamadas protones y neutrones. Sin embargo, los científicos que estudian las partículas elementales han propuesto y demostrado que existen otros componentes más pequeños llamados quarks. Éstos, junto con los leptones, que son una clase de partículas a las que pertenece el electrón, constituyen, hasta ahora, lo indivisible.
Lo anterior constituye una breve descripción del Universo, desde lo inmenso, aquello que abarca distancias de miles de millones de años luz, hasta lo más pequeño: las células y el mundo de las partículas elementales. La cosmología es una especialidad de la física, que ha unido a los dos extremos de la escala. Los científicos que la estudian tratan de comprender el origen y la evolución del Universo con base en observables astronómicas, y como todas las áreas de la física, se apoya en los conocimientos que se han obtenido mediante muchos experimentos y observaciones realizados a través de la historia. El ser humano es así constructor y testigo único de tan maravillosa ciencia.
