Ученые уже определили, что обычное вещество (так называемое барионное), из которого состоим мы сами, наша планета Земля, Солнце и галактики, составляет лишь около 5% всей материи Вселенной. Природа же остальных ее 95% остается изученной слабо; ученым не совсем ясно, из чего она состоит. Эти 95% можно разделить еще на две части: 25% ученые относят к так называемой темной материи, а оставшиеся 70% — это темная энергия, самая загадочная сущность из перечисленных.

Темная материя по своей сути и проявлениям подобна обычному веществу. Еще в 1933 году ученые Эпик и Цвики указали на то, что количества светящейся материи в галактиках и скоплениях галактик недостаточно, чтобы объяснить наблюдаемые высокие скорости движения галактик и скорости вращения их внешних частей. Притяжения галактик не хватает на то, чтобы удержать их в скоплениях, поэтому при их скоростях (до 1 тыс. км/с) они бы давно разлетелись и скопления разрушились. Однако этого не происходит. Создается ощущение, что видимая часть галактики погружена в некую темную материю, масса которой много больше массы звездной компоненты и притяжение которой сохраняет цельность звездной системы.

Есть еще одно свидетельство существования темной материи: масса скопления галактик больше, чем их звездная масса. Об этом говорит поведение газа с температурой в 100 млн градусов, который оседает в центре скоплений галактик. При такой температуре скорость движения атомов газа такова, что они должны бы неминуемо разлететься в окружающий космос. Но этого не случается — видимо, как раз за счет сил притяжения темной материи. Причем величина этих сил оценивается в 6-7 раз больше величины обычной звездной гравитации.

Дополнительное доказательство дает наблюдение двойных и тройных систем галактик — реальная скорость их движения, вызываемая взаимным притяжением, выше, чем была бы скорость, обусловленная только звездной массой галактик.

Первая гипотеза — о том, что темная материя представляет собой газ — должна быть сразу отметена, ибо если бы такая материя была газом, то его излучение обязательно было бы зарегистрировано в рентгеновском или другом диапазоне волн, чего пока сделать не удалось.

Вторая гипотеза связана с разрешением вопроса: барионной или небарионной формой материи является темная материя? Барионная материя представлена нейтронными звездами, черными дырами, планетами, астероидами и другими элементами. Астрономы научились определять наличие таких объектов в галактике и оценивать их вклад в гравитацию. На основании этого они склоняются к выводу, что темная материя по сути скорее небарионна. Нейтрино как представитель небарионной формы материи имеет слишком малую массу, чтобы создавать внушительную гравитацию, поэтому ученые предполагают, что темная материя представлена некими другими слабо изученными элементарными частицами.

Темная энергия — это равномерно распределенное в пространстве поле, обладающее отрицательным давлением и антигравитацией. Как ученые пришли к такому заключению?

Нет сомнений в том, что Вселенная расширяется; об этом свидетельствует эффект Доплера, проявляющийся при наблюдении галактик. Возникает вопрос: как именно она расширяется? Согласно здравому смыслу расширение должно замедляться, поскольку действие Большого взрыва — изначального толчка, вызвавшего расширение, — закончено, и взаимное притяжение галактик должно замедлять их разбегание. Но оказывается, что на больших расстояниях Вселенная расширяется ускоренно. К такому выводу ученые пришли десять лет назад, наблюдая вспышку сверхновой звезды: благодаря все тому же эффекту Доплера было выявлено ускорение разбегания нашей галактики и той, где вспыхнула сверхновая. Эта картина и навела ученых на мысль о существовании некой энергии, антигравитационное действие которой приводит к ускорению разбегания галактик.

В отличие от темной материи, распределение которой коррелирует с распределением обычного, барионного вещества, темная энергия распределена в пространстве равномерно и не испытывает гравитационного скучивания, то есть это некое равномерное гравитационное поле. Это поле обладает отрицательным давлением, и уточняющие наблюдения показывают, что это скорее есть некая форма вакуума. Согласно теории относительности Эйнштейна тяготение создается не только плотностью среды, но и ее давлением, поэтому суммарный источник гравитации при отрицательности давления становится также отрицательным, то есть темная энергия создает поле не притяжения, а отталкивания.

Черные дыры — объекты от десяти до миллиарда солнечных масс — предсказаны теорией относительности и ни один из открытых кандидатов в черные дыры (а их уже более тысячи) не нарушил эту теорию.

Что такое черная дыра? Это компактный объект, чудовищное тяготение которого таково, что даже свет не может покинуть его пределов. Если, например, мы уменьшим радиус нашей Земли в четыре раза (при сохранении ее массы), то вторая космическая скорость (скорость, необходимая, чтобы некий предмет мог покинуть гравитационное поле Земли) увеличится в два раза, а если мы сожмем Землю всего до 9 мм, то вторая космическая скорость будет равна скорости света, то есть свет не будет в состоянии вырваться из такого объекта.

В центре черной дыры находится особая область — сингулярность, куда необратимо сжалось все имевшееся в первоначальном космическом объекте вещество; там действуют неведомые нам законы физики. Эту область окружает так называемый горизонт событий — пространственно-временная поверхность, где время останавливает свой ход. Если мы пошлем к черной дыре космический корабль, то с точки зрения внешнего наблюдателя на горизонте событий он остановится, как бы мы ни наращивали мощность его двигателей, — ибо и время там стоит. Но в самом корабле время идет обычным порядком, он проходит горизонт событий и приближается к сингулярности и разрывается приливными силами. Горизонт событий окружен фотонной сферой, где имеются вызванные гравитацией завихрения световых лучей. Если же черная дыра вращается, то она окружена эргосферой, где все тела увлекаются вихревым гравитационным полем.

Чтобы получить черную дыру, необходимо сжать барионное вещество. Если же мы будем сжимать вещество с отрицательным тяготением — темную энергию, то мы получим объект, называемый «кротовой норой». У нее в центре нет сингулярности и отсутствует горизонт событий. Поэтому «посетив» кротовую нору, ее можно покинуть в отличие от более драматичной черной дыры. По ней можно гулять в пространстве, а также и во времени. Если мы имеем две галактики, отделенные расстоянием в миллион световых лет, то мы потратим миллион лет, если пойдем напрямик. Если же между этими галактиками создать кротовую нору, то можно преодолеть это расстояние за несколько секунд. Причем в кротовой норе время меняет свой ход, и здесь уже остается несколько шагов до создания столь желанной машины времени.

Ученые полагают, что открытие экзотической формы энергии с отрицательным тяготением (темной энергии) поможет нам сформировать кротовые норы, с помощью которых мы сможем в будущем создать машину времени. Однако, если при путешествии в будущее у нас, кажется, не возникает проблем, то при отправке в прошлое мы столкнемся с так называемым парадоксом дедушки: если мы, отправившись в прошлое, застрелим там нашего дедушку, то возникнет вопрос: откуда тогда появились мы сами? Многие ученые считают наличие такого парадокса запретом на создание кротовых нор. Но немало и тех, кто уверен, что этот парадокс можно обойти: в машине времени на человека влияет не только прошлое, но и будущее. То есть должен существовать принцип согласованности того и другого, потому что в этой машине время течет не по прямой, а по кругу.