Как уже упоминалось ранее, изображение удалённых объектов позволяет судить лишь о том, как они выглядели, когда их покинул наблюдаемый сейчас свет. Чем дальше объект, тем старше его изображение. Это значит, что, наблюдая в телескоп Вселенную, мы, по сути, вглядываемся в прошлое. Сегодня мы видим галактики такими, какими они выглядели миллионы лет назад. В начале 20-х годов сотрудник обсерватории Маунт-Вилсон Эдвин Хаббл начал изучать эти галактики. Через несколько лет он сделал открытие, поразившее и озадачившее астрономов. Оказалось, что все галактики, за исключением нескольких, расположенных в нашей местной группе, удаляются от нас; причём чем больше расстояние, тем выше скорость разлёта. Значит, Вселенная расширяется!

Туманность Андромеды, спиральная галактика, подобная нашему Млечному Пути

Заглядывая всё дальше в глубь Вселенной, мы видим, что многие галактики не похожи на нашу – они находятся в состоянии хаоса. В них бушуют невероятные силы, отдирающие звёзды одну от другой и выбрасывающие их на периферию; при этом генерируются радиоволны, которые мы регистрируем на Земле. По сути, это взрывающиеся галактики, которые носят название радиогалактик. Ещё дальше находятся квазары – объекты, которые остаются загадкой, хотя их активно исследуют уже 20 лет. Они излучают такое количество энергии, что по мощности их можно сравнить с крупными радиогалактиками, однако по остальным признакам они невелики – не больше звёзд-супергигантов. Они так малы и далеки от нас, что непонятно, как их вообще можно увидеть.

Сразу же за квазарами проходит граница наблюдаемой Вселенной. Может показаться странным, что у нашей Вселенной есть граница, ведь тут же возникает вопрос, а что за этой границей? Чтобы понять, откуда берётся граница, нужно рассмотреть скорость разбегания сильно удалённых объектов – она близка к скорости света, а согласно теории относительности (с которой мы познакомимся позже) ни одно тело не может двигаться относительно нас со скоростью света или большей (её обычно обозначают латинской буквой c). Итак, сразу же за квазарами находится область, где объекты – если бы они там были – должны были бы двигаться со скоростью c, а это невозможно. Это и есть граница наблюдаемой Вселенной. За последние десять лет астрономы многое узнали о Вселенной: были открыты новые типы объектов – пульсары, квазары, предсказано существование сверхэкзотических объектов, таких как чёрные дыры, и астрономы считают, что они действительно есть, хотя неопровержимо доказать это пока не удалось. Каждое новое достижение, каждое новое открытие расширяют наши знания о Вселенной, но в то же время приносят новые тайны, новые загадки, требующие решения. Невольно возникает вопрос – а истощится ли когда-нибудь поток этих загадок?

До сих пор речь шла о тайнах вселенского масштаба, связанных с макрокосмосом. Но в ином пространственном масштабе проходит ещё одна граница, граница микрокосмоса – мира атомов и элементарных частиц. И в этом мире тайн ничуть не меньше.

Во Вселенной встречается много различных частиц, но преобладают среди них три – электроны, протоны и нейтроны. Электрон имеет отрицательный заряд, протон гораздо массивнее его, имеет заряд той же величины, но положительный, а у нейтрона заряда вообще нет.

Первая частица другого вида была предсказана в 1932 году английским физиком-теоретиком Полем Дираком. Работая над теорией электрона, он обнаружил, что должна существовать частица, во всём подобная электрону, но имеющая положительный заряд. Несколько лет спустя был обнаружен положительно заряженный электрон, названный позитроном. Позже установили, что каждой частице соответствует античастица, а при их встрече происходит удивительная вещь – они уничтожают друг друга, аннигилируют, и при этом выделяется значительная энергия.

В 1935 году было сделано ещё одно важное предсказание. Японский физик Хидэки Юкава постулировал существование частицы с массой, большей чем у электрона, но меньшей чем у протона – так называемого мезона. В течение следующих трёх лет действительно удалось обнаружить частицу с промежуточной массой (мюон), но оказалось, что у неё совсем не те свойства, которые предсказывал Юкава. В конце концов нашли и частицу Юкавы, которая носит название «пион».

Шли годы, и учёные обнаруживали всё новые и новые частицы. По мере увеличения размеров ускорителей тоненький ручеёк открытий превратился в мощный поток, и в конце концов физиков захлестнуло «море» элементарных частиц. Они даже начали задумываться, иссякнет ли когда-нибудь этот поток. Для удобства было решено разделить все частицы на два типа – лептоны и адроны. К лептонам отнесли лёгкие частицы (наиболее известная из них – электрон), а к адронам – тяжёлые. Адроны подразделены ещё на две группы – барионы и мезоны. Самый известный из барионов – протон; к ним принадлежит также и нейтрон. Как уже упоминалось раньше, мезоны имеют промежуточную массу.

И всё же простая классификация частиц по типам отнюдь не помогла решить проблему. С ростом числа частиц в семействах пришло понимание того, что в основе классификации должна быть некая система; все эти частицы, в особенности огромное семейство барионов, никак не могли быть «по-настоящему элементарными». Они явно состоят из каких-то более фундаментальных частиц.

В 1964 году Мюррей Гелл-Манн из Калифорнийского технологического института и независимо от него Георг Цвейг из Женевы предложили решение проблемы. Они предположили, что адроны состоят из трёх фундаментальных частиц, которые Гелл-Манн назвал кварками (в предложенной схеме есть и антикварки). С физической точки зрения теория была замечательной – она предсказывала все наблюдаемые частицы и позволяла свести число действительно элементарных типов адронов во Вселенной всего к трём; с таким числом справиться значительно легче. Существовала, впрочем, одна трудность – кварков никто никогда не видел. След одиночного кварка ни разу не наблюдался в пузырьковой камере, более того, ниоткуда, кроме этой теории, их существование не следовало! И всё же, несмотря на то что кварки до сих пор не обнаружены, теория осталась. В неё внесли некоторые изменения, но по сей день она лучшая из всех теорий элементарных частиц.

Итак, все элементарные частицы, из которых построена Вселенная, самые фундаментальные (насколько можно судить) составляющие материи можно разделить на два класса: лептоны и кварки. Лептон нельзя расщепить на что-то более элементарное, и уж, конечно, нельзя расщепить кварк, который к тому же до сих пор не удалось изолировать. Сейчас принято считать, что кварк в принципе изолировать нельзя.

Весь мир построен из этих различным образом сгруппированных частиц. Но если бы существовали только они, наш мир выглядел бы весьма странно: в пространстве беспорядочно носились бы бесчисленные миллиарды частиц. Нам известно, что на самом деле частицы движутся не беспорядочно, на них действуют силы, удерживающие их вместе. В природе известны четыре типа сил, два из которых проявляются внутри атомов. Атом состоит из ядра, в котором плотно упакованы протоны и нейтроны (в ядре сосредоточена почти вся масса атома), и вращающихся вокруг него электронов. В электрически нейтральном атоме число электронов равно числу протонов. Так как протоны имеют положительный заряд, а электроны – отрицательный, они удерживаются на орбите в результате электрического притяжения противоположных по знаку зарядов.