Universe (II): From Particles to Galaxies / Universo (II): De las partículas a las galaxias

Godzilla Nebula / Nebulosa Godzilla

Our understanding of reality evolved in a three-dimensional world and adapted to our most basic and immediate needs for survival and reproduction. The willingness of our ancestors to explain in an uncomplicated way the things that happened, until they believed they understood them, resulted in an almost unlimited variability of creation myths to explain our origin.

Today we have much more information. Thanks to the efforts of those who investigate physics, we now know that reality, which at first seemed so simple, is much more complex than we perceive, and we still have much left to learn. However, even the brightest brains have not yet been able to explain reality completely (Carroll, 2025). Murray Gell-Mann, Nobel laureate and discoverer of quarks, described quantum mechanics as a mysterious, confusing discipline that none of us really understand but know how to use (Kumar, 1999). Sean Carroll, Professor of Natural Philosophy, wrote in 2025, the International Year of Quantum Science celebrating one hundred years since the development of quantum mechanics, “Everyone has their favourite example of a trick that reliably gets a certain job done, even if they don’t really understand why. Back in the day, it might have been slapping the top of your television set when the picture went fuzzy… Quantum mechanics—the most successful and important theory of modern physics—is like that… The singular feature of quantum theory is that the way we describe physical systems is distinct from what we see when we observe them… Quantum mechanics is a beautiful castle, and it would be nice to be reassured that it is not built on sand” (Carroll, 2025).

Murray Gell-Mann (1965)

Historian David Christian, in the first chapter of his book Origin Story—A Big History of Everything (Christian, 2018), quotes novelist Terry Pratchett (from his book Lords and Ladies): "The state of current knowledge can be summarized as follows: at the beginning there was nothing, which exploded." What seems certain is that our universe began about 13.8 billion years ago as a point smaller than an atom but containing all the matter and energy of the universe we know today.

Before the beginning and for a fraction of a second afterward, there was no matter or laws of physics. Initially the universe consisted only of energy. As soon as forms of matter and new forces began to appear, new arrangements and combinations of them began to exist, which in turn gave rise to new properties (de Grasse Tyson, 2017). The four basic forces of nature­—gravity, electromagnetic force, plus the strong and weak nuclear forces­—appeared. Consequently, the universe began to look more like what we know now, but this evolution has taken 13.8 billion years.

The first 380,000 to 600,000 years may have been dark (de Grasse Tyson, 2017, Christian, 2018). Photons would not escape the enormous gravitational pull concentrated in the limited space in which the universe had expanded. Matter existed in the form of elementary particles, a quark soup that included electrons, photons, gluons, quarks, neutrinos, and Higgs bosons (Rovelli, 2016, Castelvecchi, 2021, Overbye, 2021). Frank Wilczek, a Nobel laureate in Physics, said of basic particles, “... they are not even solid bodies. While it is convenient to call them 'elementary particles,' they are not really particles.... Our fundamental ingredients have no intrinsic shape or size" (Wilczek, 2021). From then on, that quark soup began to generate the atomic elements (Christian, 2018).

After the period of darkness, there was an emission of so-called microwave background radiation. Thanks to that, we know the initial presence of atoms, such as hydrogen (H), the lightest atom, with the atomic number (a.n.) 1 and with a nucleus having only one proton. Hydrogen constitutes most of the cosmic rays, along with other atomic nuclei. Together with hydrogen appeared helium (He, a.n. 2), as well as traces of lithium (Li, a.n. 3) and beryllium (Be, a.n. 4; Christian, 2018).

During the initial expansion of the universe, there was a random distribution of atoms, essentially hydrogen and helium. Gravity began to attract more atoms to areas with greater quantities of them. In addition, gravity also concentrated these areas in increasingly smaller, dense spaces. Collisions between atoms raised the temperature to the point where their nuclei began to fuse and generate heavier nuclei, releasing enormous amounts of energy and giving birth to the first stars and groupings of stars, or galaxies (Christian, 2018).

In the center of these suns, atoms meld, starting with hydrogen to form helium, and so on to iron (Fe, a.n. 26), nickel (Ni, a.n. 28), and zinc (Zn, a.n. 30), the largest atoms that can appear in this way. An indicator of nuclear fusion is the increase in a star’s brightness and energy due to the constant increase of helium in its core (Briones et al, 2015; Cockell, 2018).

When a star's core is composed primarily of heavy atoms, nuclear fusion no longer generates enough energy and expansive force to counteract the force of gravity caused by heavier atoms. Consequently, the star collapses toward its center and then, due to the increase in collisions of the atoms, the core’s temperature increases. Finally, there is an explosion that generates a shock wave outward—a supernova. This wave causes the fusion of the atomic nuclei present in its path, giving rise to heavier atoms, which the shock wave sends into space (Cockell, 2018). Neutron star collisions are another way, perhaps the most frequent, to generate these atoms (Greene, 2020). Except hydrogen, every single atom in us is the result of past supernova explosions or neutron star collisions. So far, astronomers have not detected any star composed only of hydrogen and helium (Cockell, 2018).

Uranium (U, a.n. 92) is the heaviest natural element. This and other atoms with large nuclei have a remarkably high number of protons within their nuclei. Because they have identical positive charges, these protons tend to repel each other until, finally, the nuclei break. Then these atoms split—emitting either electromagnetic waves, electrons, or an alpha particle (a positively charged nuclear particle identical to the nucleus of a helium atom)—in the phenomenon known as radioactivity. An enormous release of energy accompanies nuclear splitting (nuclear fission, the basis of current nuclear energy and atomic bombs). Within matter fits a lot of energy, as Einstein showed with his equation E = mc² where E is energy, m is mass and c² is the speed of light—300,000 km, or 186,441 miles, per second, squared. Nuclear fission and nuclear fusion (when smaller atoms in stars combine to produce heavier atoms), convert a part of the matter present into energy. Fusing one gram of hydrogen into helium makes as much energy as burning eight tons of petroleum (Bécoulet, 2022).

The universe expanded very quickly, giving birth to galaxies about 13.4 billion years ago, or even earlier according to information derived from the James Webb Space Telescope (Harikane et al., 2019). The oldest known galaxy, JADES-GS-z14-0, already shows the presence of oxygen (Schows et al., 2024). Atoms located in places neither too close nor too far from the stars, where the right energy conditions existed, initiated the formation of the first molecules, and with them chains of chemical reactions toward more complex molecular forms. The earliest molecule likely was helium hydride (HeH+), first detected in April 2019 in the nebula NGC 7027, which is 3,000 light-years from Earth (Güsten, 2019), although chemists had already synthesized it experimentally in 1925 (Hogness, 1925).

The result of the generation of molecules was the formation of different compounds whose variability was due, in part, to chance but always within the limits of the laws of physics, that is, the environment. We could define the process as the beginning of the evolution of matter. Those compounds would eventually develop the ability to self-replicate, transmit information (by means of genes), and harness energy. They were the origin of life in the universe (Greene, 2020).

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Nuestra comprensión de la realidad evolucionó en un mundo tridimensional y se adaptó a nuestras necesidades más básicas e inmediatas de supervivencia y reproducción. La voluntad de nuestros antepasados de explicar de manera sencilla las cosas que sucedían, hasta que creyeron entenderlas, resultó en una variabilidad casi ilimitada de mitos de la creación para explicar nuestro origen.

Pero hoy tenemos mucha más información. Gracias a los esfuerzos de quienes investigan la física, sabemos que la realidad, que al principio parecía tan simple, es mucho más compleja de lo que percibimos, y aún nos queda mucho por aprender. Incluso los cerebros más brillantes aún no han podido explicar la realidad por completo (Carroll, 2025). Murray Gell-Mann, premio Nobel y descubridor de los quarks, describió la mecánica cuántica como una disciplina misteriosa y confusa que ninguno de nosotros realmente entiende, pero sabe cómo usar (Kumar, 1999). Sean Carroll, profesor de Filosofía Natural, escribió en 2025, el Año Internacional de la Ciencia Cuántica que celebra cien años desde el inicio de la mecánica cuántica: "Todo el mundo tiene su ejemplo favorito de un truco que hace un determinado trabajo de manera confiable, incluso si realmente no entienden por qué. En el pasado, podría haber sido golpear la parte superior del televisor cuando la imagen se volvió borrosa ... La mecánica cuántica, la teoría más exitosa e importante de la física moderna, es así ... La característica singular de la teoría cuántica es que la forma en que describimos los sistemas físicos es distinta de lo que vemos cuando los observamos. La mecánica cuántica es un hermoso castillo, y sería bueno estar seguro de que no está construido con arena" (Carroll, 2025).

El historiador David Christian, en el primer capítulo de su libro La gran historia de todo (Christian, 2018), cita al novelista Terry Pratchett (de su libro Señores y damas): "El estado del conocimiento actual se puede resumir de la siguiente manera: al principio no había nada, que explotó". Lo que parece seguro es que nuestro universo comenzó hace unos 13.800 millones de años como un punto más pequeño que un átomo pero que contenía toda la materia y energía del universo que conocemos hoy.

Antes del comienzo y durante una fracción de segundo después, no había materia ni leyes de la física. Inicialmente, el universo consistía solo en energía. Tan pronto como comenzaron a aparecer formas de materia y nuevas fuerzas, comenzaron a existir nuevas combinaciones de ellas, lo que a su vez dio lugar a nuevas propiedades (de Grasse Tyson, 2017). Aparecieron las cuatro fuerzas básicas de la naturaleza: gravedad, fuerza electromagnética, más las fuerzas nucleares fuerte y débil. En consecuencia, el universo comenzó a parecerse más a lo que conocemos ahora, pero esta evolución ha durado 13.8 mil millones de años.

Los primeros 380.000 a 600.000 años pueden haber sido oscuros (de Grasse Tyson, 2017, Christian, 2018). Los fotones no habrían escapado a la enorme atracción gravitacional concentrada en el espacio limitado en el que el universo se había expandido. La materia existía en forma de partículas elementales, una sopa de quarks que incluía electrones, fotones, gluones, quarks, neutrinos y bosones de Higgs (Rovelli, 2016, Castelvecchi, 2021, Overbye, 2021). Frank Wilczek, premio Nobel de Física, dijo de las partículas básicas: "... ni siquiera son cuerpos sólidos. Si bien es conveniente llamarlos 'partículas elementales', en realidad no son partículas... Nuestros ingredientes fundamentales no tienen forma ni tamaño intrínsecos" (Wilczek, 2021). A partir de entonces, esa sopa de quarks comenzó a generar los elementos atómicos (Christian, 2018).

Después del período de oscuridad, hubo una emisión de la llamada radiación de fondo de microondas. Gracias a eso, conocemos la presencia inicial de átomos, como el hidrógeno (H), el átomo más ligero, con el número atómico (n.a.) 1 y con un núcleo que tiene un solo protón. El hidrógeno constituye la mayoría de los rayos cósmicos, junto con otros núcleos atómicos. Junto con el hidrógeno apareció helio (He, n.a. 2), así como trazas de litio (Li, n.a. 3) y berilio (Be, n.a. 4; Christian, 2018).

Durante la expansión inicial del universo, hubo una distribución aleatoria de átomos, esencialmente hidrógeno y helio. La gravedad comenzó a atraer más átomos a áreas con mayores cantidades de ellos. Además, la gravedad también concentró estas áreas en espacios cada vez más pequeños y densos. Las colisiones entre átomos elevaron la temperatura hasta el punto en que sus núcleos comenzaron a fusionarse y generar núcleos más pesados, liberando enormes cantidades de energía y dando a luz a las primeras estrellas y agrupaciones de estrellas, o galaxias (Christian, 2018).

En el centro de las estrellas los átomos se fusionan, comenzando con el hidrógeno para formar helio, y así sucesivamente hasta el hierro (Fe, n.a. 26), níquel (Ni, n.a. 28) y zinc (Zn, n.a. 30), los átomos más grandes que pueden aparecer de esta manera. Un indicador de fusión nuclear es el aumento del brillo y la energía de una estrella debido al aumento constante de helio en su núcleo (Briones et al, 2015; Cockell, 2018).

Cuando el núcleo de una estrella está compuesto principalmente por átomos pesados, la fusión nuclear ya no genera suficiente energía y fuerza expansiva para contrarrestar la fuerza de gravedad causada por estos átomos pesados. En consecuencia, la estrella colapsa hacia su centro y luego, debido al aumento de las colisiones de los átomos, la temperatura del núcleo de la estrella aumenta. Finalmente, hay una explosión que genera una onda de choque hacia afuera: una supernova. Esta onda provoca la fusión de los núcleos atómicos presentes en su camino, dando lugar a átomos aún más pesados, que la onda de choque envía al espacio (Cockell, 2018). Las colisiones de estrellas de neutrones son otra forma, quizás la más frecuente, de generar estos átomos aún más pesados (Greene, 2020). Excepto el hidrógeno, cada átomo en nosotros es el resultado de explosiones de supernovas pasadas o colisiones de estrellas de neutrones. Hasta ahora, los astrónomos no han detectado ninguna estrella compuesta solo de hidrógeno y helio (Cockell, 2018).

El uranio (U, n.a. 92) es el elemento natural más pesado. Este y otros átomos con núcleos grandes tienen un número notablemente alto de protones dentro de sus núcleos. Debido a que tienen cargas positivas idénticas, estos protones tienden a repelerse entre sí hasta que, finalmente, los núcleos se rompen. Luego, estos átomos se dividen, emitiendo ondas electromagnéticas, electrones o una partícula alfa (una partícula nuclear cargada positivamente idéntica al núcleo de un átomo de helio), en el fenómeno conocido como radiactividad. Una enorme liberación de energía acompaña a la división nuclear (fisión nuclear, la base de la energía nuclear actual y de las bombas atómicas). Dentro de la materia cabe mucha energía, como demostró Einstein con su ecuación E = mc2 donde E es energía, m es masa y c2 es la velocidad de la luz: 300.000 km, o 186.441 millas, por segundo, al cuadrado. La fisión y la fusión nuclear convierten una parte de la materia presente en energía. Fusionar un gramo de hidrógeno para formar helio produce tanta energía como quemar ocho toneladas de petróleo (Bécoulet, 2022).

El universo se expandió muy rápidamente, dando a luz a galaxias hace unos 13.400 millones de años, o incluso antes, según la información derivada del Telescopio Espacial James Webb (Harikane et al., 2019). La galaxia más antigua conocida, JADES-GS-z14-0, ya muestra la presencia de oxígeno (Schows et al., 2024). Los átomos ubicados en lugares ni demasiado cercanos ni demasiado lejos de las estrellas, donde existían las condiciones energéticas adecuadas, iniciaron la formación de las primeras moléculas, y con ellas cadenas de reacciones químicas hacia formas moleculares más complejas. La primera molécula probablemente fue el hidruro de helio (HeH+), detectado por primera vez en abril de 2019 en la nebulosa NGC 7027, que se encuentra a 3.000 años luz de la Tierra (Güsten, 2019), aunque los químicos ya lo habían sintetizado experimentalmente en 1925 (Hogness, 1925).

El resultado de la generación de moléculas fue la formación de diferentes compuestos cuya variabilidad se debió, en parte, al azar, pero siempre dentro de los límites de las leyes de la física, es decir, del medio ambiente. Podríamos definir el proceso como el comienzo de la evolución de la materia. Esos compuestos eventualmente desarrollarían la capacidad de autorreplicarse, transmitir información (por medio de genes) y aprovechar la energía. Fueron el origen de la vida en el universo (Greene, 2020).

Image / Imagen:

Godzilla Nebula / Nebulosa GodzillaNASA/JPL-Caltech. Spizer Space Telescope / Telescopio espacial Spitzer. https://photojournal.jpl.nasa.gov/catalog/PIA24579.

Murray Gell-Mann 1965. Source / Fuente: The Big T (yearbook of California Institute of Technology; Author Unknown / Autor desconocido. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Murray_Gell-Mann_1965.png. Public domain, via Wikimedia Commons.

References / Referencias:

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Briones, Carlos (2015), José M. Bermúdez de Castro, Alberto Fernández Soto. Orígenes. El universo, la vida, los humanos. Editorial Planeta, Barcelona, España.

Carroll, Sean (2025). Why even physicists still don’t understand quantum theory 100 years on. Nature, 638, 31-34; doi: https://doi.org/10.1038/d41586-025-00296-9.

Castelvecchi, Davide (2021). Is the standard model broken? Physicists cheer major muon result. Nature 592, 333-334. DOI: https://doi.org/10.1038/d41586-021-00898-z.

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