La eterna pregunta humana

Desde que empezamos a intentar comprender la realidad, una pregunta aparece una y otra vez: ¿de qué está hecho el universo?

Los primeros filósofos griegos buscaron una sustancia fundamental detrás de la diversidad del mundo. Tales de Mileto propuso el agua; Anaxímenes, el aire; Heráclito puso el acento en el fuego y el cambio. Más tarde, Leucipo y Demócrito imaginaron que toda la materia estaba formada por unidades indivisibles: los átomos.

La ciencia moderna retomó esa pregunta, pero reemplazó la especulación pura por experimentos, mediciones y teorías matemáticas. Primero descubrimos que la materia estaba formada por átomos. Después vimos que esos átomos contenían electrones y núcleos. Más tarde descubrimos protones, neutrones, quarks, neutrinos y campos.

Cada vez que creíamos haber llegado al último nivel, aparecía una estructura más profunda.

Hoy poseemos un mapa extraordinariamente preciso de la materia conocida. Sin embargo, ese mapa no explica todo el universo. Sabemos mucho sobre los componentes de una manzana, una persona o una estrella, pero todavía ignoramos qué es la materia oscura, qué causa exactamente la expansión acelerada del cosmos y cómo describir la gravedad en términos cuánticos.

La antigua pregunta sigue abierta, aunque ahora podemos formularla con mucha mayor precisión.

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Materia y energía: dos caras de la misma moneda

La ecuación más famosa de la física, (E = mc^2), suele resumirse diciendo que “la materia y la energía son lo mismo”. La idea tiene algo de verdad, pero puede inducir a error.

La relación de Einstein establece que un sistema con masa posee una energía de reposo asociada a esa masa. También implica que, en ciertos procesos, una variación de masa corresponde a una variación equivalente de energía.

Pero la energía no es una sustancia invisible de la que estén fabricadas las cosas.

En física, la energía es una propiedad cuantificable de los sistemas: puede estar asociada al movimiento, la masa, la temperatura, la posición, los enlaces químicos o los campos. Decir que una mesa es “energía concentrada vibrando” suena profundo, pero no describe con suficiente precisión qué es una mesa.

Sería más correcto decir que la mesa está formada por materia ordinaria —átomos, electrones y núcleos— y que todos esos componentes poseen energía e interactúan mediante campos.

Hay, además, un dato fascinante. La mayor parte de la masa de protones y neutrones no proviene simplemente de sumar la masa en reposo de sus quarks. Surge principalmente de la energía asociada al movimiento de los quarks y a la interacción fuerte que los mantiene unidos. En ese sentido, la equivalencia entre masa y energía no es una metáfora: forma parte de la estructura real de la materia (Navas et al., 2024).

Si querés profundizar en qué significa la energía en física, podés leer:

• De átomos a estrellas: Por qué somos energía en movimiento.

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El nivel atómico

Si observamos una taza, una piedra o nuestro propio cuerpo, encontramos moléculas formadas por átomos. Cada átomo posee un núcleo extremadamente pequeño rodeado por una distribución de electrones.

La imagen escolar de electrones girando alrededor del núcleo como planetas alrededor del Sol sirve como primera aproximación, pero no representa correctamente la física cuántica. Los electrones no recorren órbitas definidas. Ocupan estados cuánticos que permiten calcular la probabilidad de detectarlos en distintas regiones alrededor del núcleo.

Por eso suele decirse que el átomo es “casi todo espacio vacío”. La frase es útil, pero hay que entenderla con cuidado: ese espacio no es una nada absoluta. Allí existen campos cuánticos y se distribuye el estado del electrón.

Entonces, ¿por qué una mesa se siente sólida?

La solidez no surge porque los átomos sean pequeñas bolitas compactas que chocan. Aparece por la interacción electromagnética entre los electrones y por principios cuánticos como el principio de exclusión de Pauli, que restringe la manera en que ciertos estados pueden ser ocupados. Lo que experimentamos como dureza es una propiedad emergente de muchas interacciones microscópicas.

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Los protones, neutrones y electrones

En los átomos ordinarios, el núcleo contiene protones con carga eléctrica positiva y neutrones sin carga neta. A su alrededor se encuentran los electrones, con carga negativa.

La cantidad de protones define el elemento químico. Un átomo con un protón es hidrógeno; uno con seis es carbono; uno con ocho es oxígeno. Los neutrones pueden variar y dar lugar a distintos isótopos del mismo elemento.

Los electrones son fundamentales para la química. Su distribución determina cómo los átomos forman enlaces, comparten o transfieren carga y construyen moléculas. El agua, el ADN, una roca y una neurona deben sus propiedades químicas a diferentes organizaciones de los mismos componentes básicos.

Hasta donde llega la evidencia actual, el electrón es una partícula elemental: no se le conoce una estructura interna. Los protones y neutrones, en cambio, son compuestos.

Esta diferencia es importante. La palabra “partícula” no significa necesariamente una esfera sólida y diminuta.

En el Modelo Estándar, las partículas elementales se describen mediante campos cuánticos. Un electrón puede entenderse como una excitación cuantizada del campo electrónico; un fotón, como una excitación del campo electromagnético.

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Más allá: los quarks

Los protones y neutrones pertenecen a una familia de partículas compuestas llamadas hadrones. En su interior encontramos quarks y gluones.

Un protón contiene, en términos simplificados, dos quarks arriba y un quark abajo. Un neutrón contiene dos quarks abajo y uno arriba. Sin embargo, su interior no está formado solamente por esos tres quarks quietos: es un sistema cuántico dinámico en el que también intervienen gluones y pares transitorios de quarks y antiquarks.

La física conoce seis tipos —o “sabores”— de quarks:

• arriba;
• abajo;
• extraño;
• encanto;
• cima;
• fondo.

Los quarks arriba y abajo forman la materia nuclear estable. Los demás son más pesados e inestables, y aparecen principalmente en procesos de alta energía.

Los quarks interactúan mediante la fuerza fuerte, descrita por la cromodinámica cuántica. Los gluones transmiten esa interacción y mantienen unidos los componentes de protones y neutrones. A diferencia de los electrones, los quarks no se observan aislados en condiciones normales: quedan confinados dentro de partículas compuestas (Navas et al., 2024).

El Modelo Estándar organiza la materia elemental conocida en dos grandes familias: seis quarks y seis leptones. Entre los leptones están el electrón, el muón, la partícula tau y tres tipos de neutrinos. A ellos se suman los bosones asociados a las interacciones y el bosón de Higgs (CERN, s. f.).

Es nuestro mejor mapa de las partículas conocidas, pero no es una teoría completa de toda la realidad.

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Las fuerzas fundamentales

El universo no contiene solamente componentes. También existen interacciones que determinan cómo se relacionan, se transforman y forman estructuras.

La física reconoce cuatro interacciones fundamentales:

• Gravedad: domina a grandes escalas, organiza planetas, estrellas, galaxias y la evolución del universo. En la relatividad general se describe como geometría del espacio-tiempo.
• Electromagnetismo: actúa entre partículas con carga eléctrica. Explica la luz, la electricidad, el magnetismo, la química y gran parte de lo que experimentamos como contacto y solidez.
• Interacción fuerte: mantiene confinados a los quarks dentro de protones y neutrones. Una manifestación residual de esa interacción contribuye a mantener unidos los núcleos atómicos.
• Interacción débil: interviene en ciertas desintegraciones radiactivas y en procesos fundamentales como algunas reacciones nucleares del Sol.

En la descripción cuántica, el electromagnetismo es mediado por fotones; la interacción fuerte, por gluones; y la débil, por los bosones (W) y (Z). El Modelo Estándar describe estas tres interacciones con una precisión extraordinaria. Además, el electromagnetismo y la interacción débil se integran en una teoría electrodébil común a energías suficientemente altas (CERN, s. f.; Navas et al., 2024).

El campo de Higgs también ocupa un lugar central. Su interacción con determinadas partículas elementales contribuye a explicar por qué poseen masa. Pero no toda la masa de los objetos cotidianos proviene directamente del Higgs: gran parte de la masa de protones y neutrones emerge de la dinámica de la interacción fuerte.

La gravedad queda afuera de este esquema cuántico. Y ahí aparece uno de los mayores problemas de la física contemporánea.

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El enigma de la gravedad cuántica

Mientras las tres últimas fuerzas se entienden bien en el marco de la mecánica cuántica, la gravedad sigue siendo un misterio.

La relatividad general describe la gravedad con enorme éxito. Según esta teoría, la materia y la energía modifican la geometría del espacio-tiempo, y esa geometría guía el movimiento de la materia.

El Modelo Estándar, en cambio, describe las demás interacciones mediante campos cuánticos.

Ambos marcos funcionan extraordinariamente bien en sus respectivos dominios.

El problema aparece en situaciones donde la gravedad y los efectos cuánticos deberían ser importantes al mismo tiempo, como el interior de los agujeros negros o las primeras etapas del universo.

Una posible descripción cuántica de la gravedad incluye una partícula hipotética llamada gravitón. Sería un bosón sin masa y de espín dos asociado a las perturbaciones cuánticas del campo gravitatorio. Sin embargo, no se ha detectado ningún gravitón de manera directa, y su existencia depende de que la gravedad admita esa clase de descripción cuántica.

Existen distintas líneas de investigación, entre ellas la teoría de cuerdas, la gravedad cuántica de bucles, y otros enfoques. Ninguna ha recibido todavía una confirmación experimental decisiva.

Por eso, el problema no consiste en “unir la mecánica cuántica con la física clásica” en general. La física clásica ya puede entenderse como una aproximación válida en determinadas escalas. El desafío específico es construir una teoría consistente que integre la gravedad con el mundo cuántico.

Si querés profundizar en este problema, podés leer:

• La teoría del todo: ¿es posible unificar el universo?

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El vacío que no es vacío

En la vida cotidiana, llamamos vacío a un espacio en el que no hay objetos. En teoría cuántica de campos, el concepto es diferente.

El vacío cuántico es el estado de menor energía de un campo. No contiene partículas reales del mismo modo que una habitación contiene muebles, pero tampoco equivale a una nada metafísica. Los campos siguen estando presentes y poseen fluctuaciones cuánticas, cuyas consecuencias aparecen en fenómenos medibles.

A veces se explica este tema diciendo que “partículas virtuales aparecen y desaparecen todo el tiempo”. La imagen puede ser útil, pero tomada literalmente resulta engañosa. Las partículas virtuales son elementos de ciertos cálculos de la teoría cuántica de campos; no son pequeñas partículas ordinarias que podamos observar naciendo y muriendo en el espacio.

Fenómenos como el desplazamiento de Lamb y distintos efectos asociados al vacío muestran que el estado cuántico de menor energía tiene estructura física. Sin embargo, de ahí no se sigue que hayamos descubierto una sustancia oculta llamada vacío ni que la física haya explicado por qué existe algo en lugar de nada (Weinberg, 1995).

La nada filosófica y el vacío cuántico no son lo mismo. El segundo ya presupone campos, leyes y una estructura física.

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Materia oscura y energía oscura

Hasta ahora hablamos principalmente de la materia ordinaria: la que forma átomos, estrellas, planetas, organismos y todos los objetos que vemos.

Pero las observaciones cosmológicas indican que esa materia constituye solo una pequeña parte del contenido total del universo.

Dentro del modelo cosmológico estándar, los datos del fondo cósmico de microondas y otras observaciones son compatibles con un universo compuesto aproximadamente por:

• 5 % de materia ordinaria o bariónica;
• 26 % de materia oscura;
• 69 % de un componente denominado energía oscura.

Los porcentajes exactos dependen del modelo y de los conjuntos de datos utilizados, pero la conclusión general es sólida: la materia ordinaria constituye una minoría del presupuesto cósmico (Planck Collaboration, 2020).

La materia oscura no emite, absorbe ni refleja luz de una manera que podamos detectar directamente. Inferimos su presencia por sus efectos gravitatorios sobre galaxias, cúmulos, lentes gravitacionales y la formación de estructura cósmica. Sabemos bastante sobre lo que hace, pero todavía no sabemos qué es. Podría estar formada por partículas aún no descubiertas, aunque también se investigan otras posibilidades.

La energía oscura es un nombre provisional para el componente asociado a la expansión acelerada del universo. No sabemos si corresponde a una constante cosmológica, a un campo dinámico, a una propiedad del vacío o a una señal de que nuestra descripción de la gravedad necesita ser modificada. Por eso no conviene describirla simplemente como una “fuerza misteriosa”.

También es importante evitar una confusión: que la materia y la energía oscuras dominen el inventario cósmico no significa que cada objeto esté compuesto en un 95 % por ellas. Una manzana, una mesa o nuestro cuerpo están hechos casi enteramente de materia ordinaria. Los porcentajes describen el universo a gran escala, no la composición interna de cada objeto.

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Una visión cotidiana

Imaginemos que sostenemos una manzana.

A simple vista, vemos un objeto sólido, rojo y continuo. Pero si cambiamos de escala, aparece otra realidad.

La manzana está formada por moléculas de agua, azúcares, fibras, pigmentos y muchas otras sustancias. Esas moléculas contienen átomos. Los átomos poseen electrones y núcleos. Los núcleos contienen protones y neutrones. Y estos, a su vez, son sistemas dinámicos de quarks y gluones.

Nada de eso está quieto ni aislado.

Los componentes interactúan mediante campos. Los enlaces químicos almacenan energía. La luz reflejada por los pigmentos produce el color que percibimos. La resistencia que sentimos al tocarla emerge de interacciones electromagnéticas y principios cuánticos. Su masa incluye la energía contenida en la dinámica de sus componentes.

La manzana no está compuesta mayormente de materia oscura. Tampoco es simplemente “energía vibrando”. Es una organización compleja de materia ordinaria, campos, interacciones y energía.

Y, aun así, hay algo profundamente asombroso en ella: casi todos sus elementos químicos fueron producidos por procesos cósmicos anteriores a su existencia. El hidrógeno se originó en el universo temprano; buena parte del carbono, el oxígeno y otros elementos fueron fabricados en estrellas y dispersados por generaciones de evolución estelar.

Sostener una manzana es sostener materia cósmica reorganizada por procesos físicos, químicos y biológicos.

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Resumen gráfico

Escala	Componentes o descripción principal	Qué sabemos
Objetos cotidianos	Moléculas organizadas en materiales y seres vivos	Sus propiedades emergen de la estructura y las interacciones entre enormes cantidades de átomos.
Moléculas	Átomos unidos mediante enlaces químicos	La química depende principalmente de la distribución e interacción de los electrones.
Átomos	Electrones y núcleo	Los electrones ocupan estados cuánticos; no orbitan como planetas.
Núcleos	Protones y neutrones	La interacción nuclear mantiene unido el núcleo, aunque la repulsión eléctrica actúa entre protones.
Protones y neutrones	Quarks y gluones	Son sistemas cuánticos compuestos, no partículas elementales.
Nivel elemental conocido	Quarks, leptones, bosones y campo de Higgs	El Modelo Estándar describe estos componentes y tres interacciones fundamentales.
Espacio-tiempo	Geometría gravitatoria	La relatividad general describe la gravedad, pero todavía no contamos con una teoría cuántica confirmada.
Universo a gran escala	Materia ordinaria, materia oscura y energía oscura	Conocemos bien la primera; inferimos las otras dos por sus efectos, pero ignoramos su naturaleza profunda.

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Cuadro de síntesis de evidencia

Nivel	Conclusiones
Validado empíricamente	La materia ordinaria está formada por átomos; los núcleos contienen protones y neutrones; y estos contienen quarks y gluones. Los electrones son elementales hasta donde alcanzan las mediciones. El Modelo Estándar describe con gran precisión las partículas conocidas y las interacciones electromagnética, fuerte y débil. La masa y la energía están relacionadas, pero la energía no es una sustancia material.
Fuertemente respaldado, pero dependiente del modelo	Las observaciones cosmológicas indican que la materia ordinaria representa cerca del 5 % del contenido cósmico, mientras que la materia oscura y el componente asociado a la expansión acelerada dominan el resto.
En investigación	La naturaleza de la materia oscura, la energía oscura, la gravedad cuántica y cualquier física más allá del Modelo Estándar. Tampoco sabemos si los campos y partículas conocidos son fundamentales o emergen de un nivel más profundo.
Interpretación filosófica	Que los campos sean la “sustancia última”, que la realidad esté hecha principalmente de relaciones o que la información sea más fundamental que la materia. Estas ideas pueden ser compatibles con teorías físicas, pero los experimentos actuales no permiten elegir definitivamente entre ellas.

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Conclusión

¿De qué está hecho el universo?

La respuesta más honesta es que conocemos una parte con enorme precisión y otra parte apenas por sus efectos.

La materia ordinaria está formada por átomos. Los átomos contienen electrones y núcleos. Los núcleos contienen protones y neutrones, que a su vez están formados por quarks y gluones. El Modelo Estándar organiza las partículas elementales conocidas y describe tres de las cuatro interacciones fundamentales.

Pero esa respuesta no completa el mapa.

La gravedad todavía no posee una formulación cuántica confirmada. La materia oscura revela su presencia mediante la gravedad, aunque no conocemos su composición. La energía oscura designa aquello que asociamos con la expansión acelerada, pero su naturaleza continúa abierta. Y ni siquiera sabemos si las partículas y los campos son el último nivel o si emergen de una estructura todavía más profunda.

Tampoco sería correcto concluir que “todo es energía”. La energía no es una sustancia universal escondida detrás de los objetos. Es una propiedad fundamental de los sistemas físicos y participa en todas sus transformaciones. La realidad conocida parece estar compuesta por campos, partículas, espacio-tiempo e interacciones, aunque decidir cuál de estas categorías es verdaderamente fundamental también involucra una interpretación filosófica.

Quizá los antiguos buscaban una única sustancia porque imaginaban que la diversidad debía reducirse a una sola cosa.

La física moderna sugiere una posibilidad diferente: que lo fundamental no sea solamente qué componentes existen, sino también las relaciones, simetrías y procesos que los organizan.

Sabemos mucho más que Demócrito, pero la pregunta no perdió profundidad.

Seguimos siendo una parte del universo intentando descubrir de qué está hecha.

Si te gustaría explorar más sobre este tipo de temas, podes ver los siguientes artículos:

• ¿Está todo en el universo hecho de información?
• Principio antrópico y ajuste fino: ¿por qué las constantes parecen “sintonizadas” para la vida?

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Resumen visual del artículo

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Bibliografía y referencias

• CERN. (s. f.). The Standard Model.
• Einstein, A. (1905). Does the inertia of a body depend upon its energy content?. Annalen der Physik, 18, 639–641.
• Navas, S., et al. (Particle Data Group). (2024). Review of Particle Physics. Physical Review D, 110, 030001. https://doi.org/10.1103/PhysRevD.110.030001
• Planck Collaboration. (2020). Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters. Astronomy & Astrophysics, 641, A6. https://doi.org/10.1051/0004-6361/201833910
• Weinberg, S. (1995). The quantum theory of fields. Volume I: Foundations. Cambridge University Press.