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¿Cómo comenzó el universo y cómo llegó a ser lo que conocemos hoy?
En este episodio de Un Pixel del Universo exploramos las principales teorías científicas sobre su origen, expansión y evolución, así como las evidencias que han permitido reconstruir su historia.
Un recorrido por algunas de las ideas que han transformado nuestra comprensión del cosmos y de sus primeros momentos.
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En este episodio de Un Pixel del Universo exploramos las principales teorías científicas sobre su origen, expansión y evolución, así como las evidencias que han permitido reconstruir su historia.
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Categoría
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AprendizajeTranscripción
00:15Una producción de Suma TV, UAEH.
00:21¿Cómo comenzó todo? Antes de que existieran las estrellas, antes de que existieran las galaxias,
00:27antes de nuestro planeta. Durante miles de años, esta pregunta perteneció principalmente al terreno
00:33de la filosofía, de la religión y de la imaginación. Pero durante el último siglo,
00:38la humanidad comenzó a construir telescopios capaces de observar el universo a distancias
00:43inimaginables, instrumentos capaces de detectar la radiación que quedó de sus primeros momentos,
00:49y teorías físicas capaces de descubrir cómo es que pudo evolucionar. Y así fue como descubrimos
00:56algo que cambió para siempre nuestra manera de entender el universo. El cosmos no siempre fue
01:01como lo vemos ahora. Yo soy César López y hoy, en Un Pixel del Universo, vamos a recorrer las
01:07principales ideas que la ciencia ha desarrollado para explicar el origen y la evolución del universo,
01:13y descubriremos qué teorías han sobrevivido a estas evidencias, cuáles se quedaron atrás
01:19y qué preguntas todavía no podemos responder.
01:54Durante mucho tiempo, una de las ideas más comunes era que el universo simplemente había
01:59existido siempre. Un cosmos eterno, estático y sin principio. Y en la física de principios del
02:06siglo XX, esta idea parecía razonable, pero para 1915 Albert Einstein presentó la relatividad general,
02:12una descripción de la gravedad en la que la materia y la energía modifican la geometría del espacio-tiempo,
02:19cuando los científicos comenzaron a aplicar estas ecuaciones al universo completo,
02:24encontraron que éste podría estar cambiando y no necesariamente ser estático. Einstein incluso
02:30calculó un valor llamado constante cosmológica, para obtener una solución estática de las ecuaciones
02:37de la teoría de la relatividad general, dentro de un universo que en aquellos tiempos se suponía
02:43estático. Pero las observaciones pronto comenzaron a contar otra historia. Cuando
02:49revelaron que el universo se está expandiendo. En las décadas de 1920 y 1930 se logró observar que
02:56las galaxias lejanas presentaban un desplazamiento hacia un color más lejano en el espectro de luz.
03:02Cuanto más lejos estaba una galaxia, mayor era este desplazamiento evidenciando que el universo se
03:08expande. Este fenómeno se conoce como corrimiento al rojo. Recordemos que en el espectro de la luz,
03:14el rojo es la última porción visible para el ojo humano. Imaginémonos una película del cosmos.
03:21Hoy vemos galaxias separadas por enormes distancias. Si reproducimos esta película para atrás,
03:27las distancias disminuyen. Las galaxias estaban más cerca y el universo era más denso y también
03:33más caliente. Y al continuar retrocediendo, llegamos a un estado en el que la materia y la radiación
03:40estaban comprimidas en condiciones extremas. Esta es la base del modelo conocido como del
03:46Big Bang. Pero aquí hay algo que nos suele confundir. El Big Bang no es que describa una
03:51explosión que ocurrió en un punto del espacio. No fue una bomba cósmica que explotó desde un lugar
03:56determinado hacia el vacío en exterior. Según el modelo cosmológico, se trata de la expansión del
04:02propio universo. Y es una teoría que describe la evolución desde un estado completamente caliente y
04:09denso hasta el estado actual. Por eso, no existe un centro del Big Bang al que podamos señalar desde
04:15la Tierra. Cada región del universo observable estaba formando parte de ese estado temprano que
04:22estaba extremadamente caliente y denso. La NASA describe actualmente el Big Bang como el modelo
04:28más ampliamente aceptado que explica las propiedades que observamos en el universo a partir de un estado
04:35con un calor y una densidad extrema, seguido por expansión y enfriamiento, integrando la formación
04:41de partículas, de átomos, de estrellas y de galaxias. Pero ¿cómo sabemos lo que realmente ocurrió?
04:48Tenemos varias pistas y una de las más importantes llegó por accidente. En 1964, los radioastrónomos
04:56Arno Pencias y Robert Wilson estaban trabajando con una antena de microondas en Nueva Jersey. Cuando
05:03detectaron una señal persistente, como un ruido constante que provenía de todas las direcciones,
05:09intentaron encontrar su origen, descartaron interferencias, descartaron problemas del
05:14instrumento, hasta que finalmente comprendieron que habían detectado una señal que lo llenaba
05:21prácticamente todo. Para 1965, los resultados de sus observaciones fueron publicados y el suceso
05:28posteriormente fue reconocido como la detección del fondo cósmico de microondas. Esta radiación es una
05:36de las evidencias fundamentales del modelo del Big Bang, pero lo más sorprendente es su edad. La
05:42radiación que detectamos hoy fue liberada cuando el universo tenía aproximadamente 380 mil años.
05:49Hasta antes de ese momento, conocido como la recombinación, el universo imagínenselo como un plasma
05:55caliente y superdenso. Otra evidencia fundamental del Big Bang proviene de los elementos ligeros.
06:01Durante los primeros minutos del universo, las condiciones de temperatura y densidad permitieron
06:06principalmente formar núcleos de hidrógeno, de helio y pequeñas cantidades de otros elementos
06:13ligeros. Los electrones libres dispersaban continuamente a los fotones de la luz, haciendo
06:19que el universo fuera opaco a la luz. Cuando se formaron los primeros átomos de hidrógeno y los
06:25electrones dejaron de estar libres, la luz pudo viajar a grandes distancias. Esta luz ha estado
06:32viajando durante casi 13 mil 800 millones de años y todavía podemos detectarla.
06:40Pocas veces el cine se ha atrevido a poner la historia de origen del universo en la pantalla grande.
06:46Vamos con el Dr. Lucas para saber qué hay más allá de la pantalla.
06:58Bienvenidos una vez más a su sección Más Allá de la Pantalla. Yo soy su guía y compañero Dr. Lucas
07:04y el día de hoy
07:05hablaremos de una película que no solo es filme, también es una poesía visual pura. Un viaje que va desde
07:13el
07:13drama familiar en un pequeño pueblo de Texas hasta el mismísimo origen del cosmos. Me refiero a El Árbol
07:20de la Vida, esa cinta donde la pérdida de un hijo te lleva a contemplar todo el Big Bang y
07:26el nacimiento
07:27de las galaxias. Así que ya lo saben, abróchense los cinturones porque despegamos. El Árbol de la Vida
07:35es una aclamada película estadounidense de drama, estrenada en el año 2011, escrita y dirigida por el
07:42enigmático y perfeccionista cineasta Terrence Malick, responsable de joyas como la delgada línea roja.
07:50La historia se centra en los O'Brien, una familia de clase media de los años 50 en Texas, compuesta
07:57por
07:57un padre severo, una madre amorosa y sus tres hijos. Tras la trágica muerte de uno de ellos, el hijo
08:04mayor, Jack, ya de adulto, reflexiona sobre su infancia, el dolor del duelo y el sentido propio
08:10de la existencia. Pero lo que hace única esta película es que en medio de este drama íntimo,
08:17Malick se intercala una secuencia cinematográfica impresionante que nos muestra el nacimiento del
08:23universo, la formación de las estrellas, la aparición de la Tierra y los primeros trazos de la vida
08:29biológica, incluyendo, sí, dinosaurios. Pero bueno, entremos de lleno al terreno científico. Para
08:37reconstruir el nacimiento del cosmos en la pantalla grande, Terrence Malick no utilizó simples efectos
08:43de computadora genéricos, no, no, no, no, no. Recurrió al legendario supervisor de efectos especiales
08:49Douglas Trumbull, quien también trabajó con Stanley Kubrick en la ya mítica 2001 Odisea
08:56del Espacio. Contó además con el asesoramiento de la NASA. Juntos combinaron simulaciones por
09:03computadora con experimentos químicos reales de fluidos y luz para representar visualmente
09:08lo que la cosmología física conoce como el modelo del Big Bang. En la ciencia moderna,
09:15el Big Bang no fue una explosión en el espacio, sino la expansión acelerada del espacio mismo a
09:21partir de un estado de densidad e infinita temperatura conocido como la singularidad inicial.
09:28La película retrata con gran acierto cómo, tras este evento inicial, el universo primitivo era una
09:35sopa caliente de radiación y partículas elementales que se fue enfriando lentamente. A medida que el
09:42espacio se expandía, la gravedad comenzó a agrupar los gases de hidrógeno y helio para formar las
09:48primeras estructuras. La película nos muestra visualmente todo este proceso, la nucleosíntesis
09:54estelar y la formación de las primeras galaxias y estrellas. Aunque el árbol de la vida utiliza el
10:01origen del universo como una metáfora lírica sobre el destino y la gracia, su representación visual de la
10:07cosmología es increíblemente respetuosa con los modelos científicos actuales sobre cómo la nada
10:14se convirtió en el todo. Yo soy Dr. Lucas y ya lo sabes, nos vemos en la próxima.
10:29Pues, como lo acaban de notar, ni el cine más ambicioso puede mostrarnos el instante exacto en
10:36el que todo comenzó. Y eso nos regresa a una de las preguntas más honestas que puede hacer la ciencia.
10:41¿Qué pasó antes? Aquí llegamos a uno de los límites más importantes de nuestro conocimiento.
10:48Sabemos mucho sobre el universo después de sus primeros etapas. Podemos describir cómo se expandió
10:54y se enfrió. Podemos calcular cómo se formaron los primeros núcleos atómicos. Podemos estudiar la
11:00radiación cósmica de fondo. Pero cuando intentamos retroceder hasta los primeros instantes, nuestros
11:06modelos dejan de ser suficientes. La NASA señala que aún no sabemos qué ocurrió antes de la inflación ni
11:13qué mecanismo la produjo. Y esto es importante. El Big Bang no significa que hoy sepamos qué ocurrió en
11:20el instante inicial. El modelo describe con enorme éxito la evolución de un universo extremadamente caliente
11:26y denso. Pero aún no tenemos una teoría completa que combine la relatividad general con la mecánica
11:33cuántica en esas condiciones extremas. Por eso, preguntas como qué ocurrió exactamente al principio
11:40o incluso, ¿existió un antes? siguen abiertas. El Big Bang no apareció de inmediato como la
11:47explicación definitiva. Durante buena parte del siglo XX existió una propuesta rival, el modelo del estado
11:53estacionario. Esta teoría planteaba que el universo se expandía, pero mantenía aproximadamente las mismas
12:01propiedades globales a lo largo del tiempo. Para conseguirlo, proponía que se creaba materia
12:07continuamente mientras el universo se expandía. El universo en este modelo no tendría un comienzo en
12:13el sentido tradicional. Y durante un tiempo ambas ideas compitieron. Pero entonces apareció una evidencia
12:20difícil de explicar para el estadio estado estacionario, el fondo cósmico de microondas.
12:26Este descubrimiento fue decisivo para la cosmología moderna y el Big Bang se convirtió en el marco
12:31dominante y hablando de las evidencias. Hay dos piezas del universo que hasta ahora se resisten a
12:38revelarnos de qué están hechas. Y para hablar de ellas y de hacia dónde apunta la cosmología actual,
12:44platicamos con la doctora Alma Xochit González Morales, astrofísica de la Universidad de Guanajuato,
12:50especialista en la materia oscura y colaboradora del proyecto internacional DESI,
12:55Dark Energy Spectroscopic Instrument.
13:05Hoy le preguntamos a la doctora Alma González, doctora en astrofísica por la UNAM,
13:11profesora de la Universidad de Guanajuato y coordinadora del grupo de trabajo Laiman Alpha,
13:17sobre cómo se obtiene la información sobre el origen del universo y los conceptos de materia y energía oscura.
13:25Doctora Alma, cuéntenos más al respecto.
13:29Parte de mi trabajo es dentro de un proyecto que se llama Dark Energy Spectroscopic Instrument,
13:34que lo que hacemos es medir la distancia hacia millones de galaxias.
13:43Entonces, con esa información podemos calcular cómo ha sido la expansión del universo a lo largo de la historia de
13:53evolución de este.
13:54Entonces, por un lado, se confirma evidencia que ya teníamos desde hace muchos años
14:01de que en las etapas más actuales el universo se expande aceleradamente.
14:08Pero no sabíamos si esa expansión acelerada había sido o ha sido igual durante toda la evolución del universo
14:16o se ha expandido a diferentes ritmos, lo que sabemos es que tenemos dos componentes de materia y energía
14:26que no sabemos exactamente qué son, que son la energía y la materia oscura.
14:31Y estos dos ingredientes son necesarios para entender toda la evolución del universo.
14:38Y esto lo sabemos justamente a partir de analizar observaciones de la primera luz que se emitió en el universo
14:48y que ha viajado a través del espacio-tiempo y que podemos detectar a día de hoy, entre otras observaciones.
14:55Pero esa primera luz, por ejemplo, tiene mucha información justamente de cómo era el universo temprano.
15:01Y estas observaciones y este modelo también están enmarcados dentro del modelo más exitoso que tenemos a día de hoy
15:11del origen del universo, que es este modelo del Big Bang o de la gran explosión,
15:17en la cual el universo en sus inicios había un estado de muy alta densidad
15:25y eso tuvo que evolucionar hasta un universo donde ahora vemos estructuras como galaxias, estrellas, sistemas planetarios
15:33y planetas como el nuestro, en donde además tenemos vida, etc.
15:39Entonces, para poder explicar y poder seguir esa historia del universo,
15:45son necesarios estos ingredientes de la materia y la energía oscura.
15:50Entonces, con DESI podemos justamente medir esa tasa de expansión del universo
15:55y actualmente lo que hemos estado encontrando es que no, que no se expande a la misma tasa todo el
16:05tiempo,
16:05sino que va cambiando.
16:07Y ese cambio, pues nos da mucha información porque en este modelo actual que tenemos del Big Bang,
16:15la hipótesis más sencilla es que esa tasa de expansión era constante y era producida,
16:20ya sea por una nueva constante de la naturaleza, una, le llamamos constante cosmológica,
16:26o bien un tipo de energía oscura, pero cuya densidad también se mantiene constante
16:32y es lo que produce esa aceleración de la expansión del universo.
16:36Entonces, pues nos empieza a dar indicios de que la energía oscura en realidad puede ser algo más complejo
16:43de lo que habíamos estado pensando.
16:45O sea, ahorita sabemos que tiene que haber estado presente
16:49tanto la energía oscura como la materia oscura durante toda la evolución del universo,
16:53desde su origen hasta ahora y van a seguir estando, ¿no?
16:57Esperamos justamente en los próximos años saber qué es esta materia oscura,
17:02qué es esta energía oscura.
17:03Sabemos que al menos tenemos que esperar a analizar los datos de Desi, por ejemplo.
17:11Estas evidencias que está encontrando Desi justamente difieren un poco de las hipótesis
17:17o de la información que teníamos hasta hace pocos años.
17:21El hecho, por ejemplo, de que la energía oscura pueda ser una constante cosmológica
17:27tiene implicaciones sobre cuál es el origen del universo y cuál es como el siguiente, su destino, ¿no?
17:43Como lo acabamos de escuchar, todavía quedan piezas fundamentales del rompecabezas cósmico por resolver.
17:50Y eso nos lleva a hacer un balance honesto de todo lo que hemos recorrido hasta ahora.
17:54¿El Big Bang explica todo?
17:57No.
17:58Y reconocerlo es bien importante.
18:01El modelo del Big Bang explica una enorme cantidad de observaciones.
18:04La expansión del universo, el fondo cósmico de microondas,
18:08la abundancia de elementos ligeros,
18:11la evolución de las estructuras cósmicas,
18:13pero todavía existen grandes preguntas.
18:16¿Qué es realmente la materia oscura?
18:18¿Qué es la energía oscura?
18:20¿Qué ocurrió durante las primeras fracciones del segundo del universo?
18:24¿Qué produjo la inflación?
18:26¿Existe una teoría cuántica de la gravedad?
18:30Y quizá la pregunta más profunda.
18:33¿Por qué existe el universo en primer lugar?
18:36El modelo cosmológico estándar, conocido como Lambda-CDM,
18:40describe la evolución del universo desde sus primeras etapas observables,
18:45pero no constituye una respuesta definitiva a todas estas preguntas.
18:49Este modelo combina la relatividad general
18:52con un universo dominado a gran escala por materia oscura
18:56y un componente de energía oscura representada en su versión más sencilla
19:01por la constante cosmológica Lambda.
19:04Entonces, ¿sabemos cómo empezó el universo?
19:07Después de todo este recurrido,
19:10podemos regresar a nuestra pregunta inicial.
19:12¿Cómo comenzó?
19:13La respuesta científica actual tiene varias capas.
19:18Sabemos que el universo tiene aproximadamente 13.800 millones de años.
19:22Sabemos que se encuentra en expansión.
19:25Sabemos que en el pasado fue mucho más caliente y denso.
19:28Sabemos que la radiación cósmica de fondo
19:31conserva información de cuando el universo tenía aproximadamente 380.000 años.
19:36Sabemos que pequeñas diferencias de densidad presentes en el universo temprano
19:42actuaron como semillas gravitacionales
19:45y que con el paso del tiempo la gravedad amplió esas diferencias
19:49hasta formar estrellas, galaxias y grandes estructuras cósmicas.
19:53Y tenemos modelos como la inflación, que es una hipótesis cosmológica según la cual el universo presentó una expansión exageradamente
20:03rápida durante una fracción muy pequeña de segundo.
20:05Esta idea ayuda a explicar algunas propiedades que observamos en el universo como su gran uniformidad y su geometría aproximadamente
20:14plana a escalas cosmológicas.
20:16Pero todavía no conocemos la historia completa.
20:20Recuerda, la ciencia también sabe decir, todavía no lo sabemos.
20:25Y antes de cerrar el episodio, hay algo que puedes comprobar tú mismo esta noche, sin ningún instrumento.
20:32Cada vez que miramos al cielo, en realidad estamos mirando hacia el pasado.
20:46¿Alguna vez has escuchado que mirar al cielo es literalmente viajar en el tiempo?
20:53Aunque pueda sonar extraño, es completamente cierto.
20:58Cuando observamos el universo, no lo vemos como es en ese instante,
21:03sino como era cuando la luz que emitió emprendió su viaje hasta nuestros ojos.
21:08La razón es muy sencilla.
21:11La luz es lo más rápido que conocemos.
21:13Viaja a una velocidad de casi 300.000 kilómetros por segundo.
21:19Aún así, no se desplaza de forma inmediata.
21:23Necesita tiempo para recorrer una distancia.
21:26En la Tierra casi no lo notamos, porque las distancias son relativamente pequeñas.
21:32Pero cuando hablamos del universo, las escalas también cambian por completo.
21:37Las distancias entre los astros son tan enormes, que el tiempo que tarda la luz en recorrerlas se vuelve evidente.
21:46Por eso, los astrónomos utilizan una medida llamada años luz.
21:51Y aunque su nombre pueda confundirnos, no mide tiempo, sino distancia.
21:57Un año luz es la distancia que recorre la luz en un año.
22:01Por ejemplo, cuando observamos la luna, no la vemos como es ahora, sino como era hace aproximadamente 1.3 segundos,
22:11que es el tiempo que tarda su luz en viajar hasta nosotros.
22:15Con el sol ocurre lo mismo.
22:18La luz que vemos salió de nuestra estrella hace aproximadamente 8 minutos.
22:23Eso significa que si el sol desaparece de repente, no nos daríamos cuenta al instante.
22:30Seguiríamos viéndolo por algunos minutos más.
22:34Y si observamos la estrella del norte, mejor conocida como Polaris,
22:38la estamos viendo como era aproximadamente 430 años atrás,
22:44ya que su luz ha tardado todo ese tiempo en llegar hasta nosotros.
22:48Cada vez que levantamos la vista al cielo, observamos la historia del universo.
22:54Algunas estrellas que vemos podrían haber cambiado desde que emitieron su luz,
22:59o incluso haber dejado de existir.
23:02Así que la próxima vez que mires al cielo,
23:05recuerda que no estás viendo solamente el espacio,
23:08estás viendo al pasado.
23:19Como lo hemos visto en este episodio,
23:21todavía existen enormes piezas de esta historia que desconocemos.
23:25No sabemos con certeza qué ocurrió antes de la inflación.
23:28No sabemos qué la produjo.
23:30Y no tenemos una explicación completa para el origen mismo del espacio,
23:34el tiempo y las leyes físicas que gobiernan nuestro universo.
23:38Por eso, cuando nos preguntamos cómo comenzó todo,
23:41la ciencia no nos entrega una historia completamente terminada,
23:45pero nos responde con algo muy valioso,
23:48evidencias.
23:49Cada observación nos permite retroceder un poco más.
23:53Cada telescopio nos permite mirar un poco más lejos.
23:56Yo soy César y esto fue Un Pixel del Universo.
23:59Nos vemos en el próximo episodio
24:01para seguir explorando los secretos que esconde el cosmos.
24:04Continúa en La Señal de Suma TV,
24:06canal de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo.
24:37La Señal de Suma TV
24:59de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo.