在过去的五年中，人类开始实践一种全新的天文学：引力波天文学。我们没有观察来自宇宙的某种形式的光，而是用望远镜、无线电天线、天线或其他对电磁辐射敏感的设备收集的光，或是建立了专门的引力波探测器，可以检测并表征时空的波，这些波是大量物质相互缠绕、融合并相互碰撞而产生的产物。

2015年9月14日，我们首次认识到合并黑洞产生的引力波，从而使我们对世界的了解永远改变了。自那次事件以来，已经看到了约60个额外的引力波信号，不仅包括合并黑洞，还包括合并中子星。过去五年来，爱因斯坦从未有过的验证，证明了广义相对论的许多预测都是正确的。在接下来的几年中，引力波将有前所未有的机会对我们的引力理论进行前所未有的检验。到目前为止，我们没有理由反对爱因斯坦，但探索宇宙的新方法总是有机会向我们表明，它的行为并不像我们期望的那样。下面是引力波如何证明爱因斯坦是错的。

根据广义相对论，引力波是一种全新的辐射形式，与以前已知的任何形式都不一样。 每当质量加速通过弯曲空间的区域时，或者每当不断移动的质量移动通过曲率变化的空间区域时，空间曲率的变化都会产生波纹，类似于雨滴落入池塘时的水波纹 。但是，这些涟漪是：

不需要介质就可以通过，简单说，空间的结构就足够了，从产生能量的系统中带走能量，并以光速行进。直到2015年，所有这些都是理论上的，只有间接测试可用于证实这一点。但是，最初由激光干涉引力波天文台（LIGO）合作利用，后来由室女座干涉仪(VIRGO)加入，使我们能够探测到引力波穿过地球时太空中的波纹。实际上，这些波以光速穿过地球，在垂直方向上交替地拉伸和压缩空间，使我们能够首次“看到”这些引力波。

当波穿过地球时，在一个方向上的拉伸导致光需要更多的时间来穿过它，而在垂直方向上的压缩将光的传播时间减少了相等的量。在引力波的作用下，每个激光臂的长度略有变化，在这些干涉仪臂中传播的光所产生的干涉图案就会发生微小的变化。通过观察多个检测器中变化的模式，我们不仅可以重建产生这些波的源的属性，还可以重建波本身的属性。

此外，现在著名的2017年事件揭示了两个中子星的合并，引力波在一个爆发中到达，然后在爆发结束后仅1.7秒，第一个光信号到达了。最后，我们可以以前所未有的精度测量引力的速度，发现它速度与光速只差10^15分之一。就我们的测量能力而言，这些引力波的速度，频率，振幅和能量与爱因斯坦的预测完全吻合。

但是，每次我们测量新事物时，以更高的精度，更长的持续时间，更高的灵敏度，在新的频率范围内，对于新型的物体等，我们都将有可能使我们看到的东西超越已知的物理学。爱因斯坦的相对论一般理论纯粹是张量理论，其中物质和能量的存在仅指示空间如何弯曲，而空间弯曲仅指示物质和能量如何移动，但还有其他可能性。

也可能存在引力的标量或矢量分量，这是许多尝试对引力理论进行的扩展或修改引入的。尽管广义相对论预测引力的速度必须始终等于光速，但许多其他的引力理论都为各种不同的事物引入了一系列有趣的可能性。事实证明，对黑洞与黑洞合并的详细观察，甚至比我们现在所能衡量的灵敏度更高，可能最终使我们超越了爱因斯坦。

要了解它是如何工作的，让我们首先考虑一些更熟悉的东西：光。当我们观察来自宇宙中任何光源的光时，就会发现它具有多种能量，分别对应于各种波长和频率。但是，光在真空中传播时始终是电磁波，这意味着光在穿过宇宙时会产生交变的电场和磁场。此外，所有波长和能量的光，只要在真空中传播，就始终以完全相同的速度移动：光速。

如果您要从特定光源获取宇宙中的所有光并测量每个单独的能量量子，您会发现光实际上可以分解为两种不同偏振的组合：顺时针和逆时针。在空间真空中，没有任何物质或其他能源干扰，无论能量、波长、强度或偏振如何，所有形式的光都以完全相同的速度传播。

但是，根据它改变我们的行为的旅程，您可以采取一些不同的措施。 您可以将其反射离开物质，从而使光线完全或部分偏振：使其在顺时针和逆时针偏振之间不对称。您可以将其穿过严重弯曲的空间区域，这将导致引力时间延迟，并在引力透镜的一个引人注目的示例中使光线发生偏转、扭曲和放大的机会。

但是，您也可以使光线通过实际的光学透镜，例如棱镜。每当它穿过介质而不是空间真空时，光的传播速度就会下降，对于能量较高的光，它的下降速度会更大。结果，蓝光进入水滴时会比红光弯曲更多，从而形成地球大气中可见的自然彩虹。另外，某些物质不仅对光的波长敏感，而且对偏振敏感，从而产生了双折射的惊人效果。

现在，让我们远离电磁波，回到引力波。与光不同，引力波根本不在乎物质。您可以通过空间真空、透镜、棱镜或其他材料，甚至固体地球本身传递引力波，它们将继续以引力的速度传播。它们不受物质以任何方式影响，除了一种方式：它们关心物质和能量如何导致空间结构弯曲。

就像光一样，引力波也应该以引力的速度运动，引力应等于光的速度。无论引力波的能量、波长、强度或偏振（polarization）如何，这都应该始终不变。就像光一样，引力波具有两个极化，但它们不是“顺时针”和“逆时针”，而是被称为“plus”（+）和“cross”（×），具有拉伸和压缩的方向。对于两个偏振（polarization），它们以45度彼此旋转。引力波检测器相对于波本身的方向确定了波的多少是+，而波的多少是×，每个波都是两者的组合。

如果广义相对论是完全正确的，那么这些属性都不重要。引力波将始终以引力的速度移动，并且都将受到它们所经过的空间曲率的同等影响。

但是，如果引力具有标量分量或矢量分量——就像许多，甚至对广义相对论的大多数修改都引入了方程式一样——突然之间，对于每个引力波，引力的速度可能并不总是相同的。在一篇引人入胜的新论文中，科学家若泽·玛丽亚·埃兹奎加（JoseMaríaEzquiaga）和米格尔·祖玛拉卡瑞格（MiguelZumalacárregui）得出了有关广义相对论不是全文的弯曲空间将如何不同地影响引力波的细节。

值得注意的是，在除了标准张量分量之外还涉及引力的标量分量的一大类理论中，他们发现+和×两个偏振（polarization）将在空间强烈弯曲的情况下以不同的速度移动。如果在一对正在合并的黑洞附近存在大量物体，例如一个超大质量的黑洞，或者沿着合并的黑洞的视线有一个巨大的星系、类星体或星系团，那么我们应该会看到上升信号。如果+偏振（polarization）运动更快，则它首先到达，而×偏振（polarization）随后到达。如果我们发现检测到的信号重复出现，或者信号的两个相同分量重叠（产生某种加扰信号），则我们应该能够立即识别出该信号。这不取决于信号本身的任何属性，而是取决于我们的检测器以及它们相对于信号的方向。现在有3个独立的引力波探测器运行，并且至少还有2个正在运行，不同的探测器将观察到+和×偏振（polarization）的比率不同。

这是一个无可辩驳的信号，毕竟爱因斯坦错了，引力比广义相对论让我们相信的更为复杂。

在大多数情况下，在一般相对论中，距离较大，引力场相对较弱，我们只需采取牛顿极限，从相对论中添加第一个修正：我们称之为"前阶"近似值。但是，在引力场很强的地方——就像黑洞合并附近一样——我们需要做更多。更准确的近似值包括查看"前导阶"和"次前导阶"，并利用该分析展示了另一种可能性：引力波可能会减慢速度，扭曲程度取决于其波长！

当两个启发性和合并性的黑洞发生引力波事件时，实际上分为三个阶段：启发性，合并和振铃。就在合并开始之前，由吸气阶段产生的引力波的频率和振幅都会增加（波长会减小），并且在合并之后，在振铃阶段，两个引力波的频率和振幅也会迅速变化。就像棱镜或透镜可以将不同波长的光弯曲不同的量一样，引力透镜可以想到地将不同波长的引力波弯曲和减慢不同的量。随着我们继续观察越来越多的引力波事件，其中一个发生在空间曲率强的区域附近只是时间问题，这为验证爱因斯坦理论提供了前所未有的机会。

在未来的几年中，LIGO探测器和Virgo探测器将进行多次升级，从而提高其灵敏度和范围，发现的事件发生率比令人印象深刻的观测结果还要高，而且不久后至少还有两个探测器：日本的KAGRA和印度的LIGO加入其中。在线使用额外的检测器，每个检测器都具有独特的三维配置，事件发生只是时间问题，爱因斯坦的理论因此而能得到前所未有的检验。如果引力波信号具有很强的引力透镜效应，即使它们比我们目前设定的极限小数千倍，也可以显示出各种波长或偏振之间的引力速度差异。

每当您有机会以一种全新的方式来检验您已建立的自然法则时，您都必须接受它。真正实现物理学进步的唯一途径是，当我们获得决定性且明确的实验或观察结果时。如果爱因斯坦的广义相对论不是万有引力的故事，那么我们就应该到处寻找可以尝试揭示有史以来最成功的物理理论中任何裂缝的地方。未来十年以及未来几十年引力波事件的爆发，将使我们最终超越爱因斯坦，或者将证明爱因斯坦在一个全新的领域中是正确的。