在過去的五年中，人類開始實踐一種全新的天文學：引力波天文學。我們沒有觀察來自宇宙的某種形式的光，而是用望遠鏡、無線電天線、天線或其他對電磁輻射敏感的設備收集的光，或是建立了專門的引力波探測器，可以檢測並表徵時空的波，這些波是大量物質相互纏繞、融合並相互碰撞而產生的產物。

2015年9月14日，我們首次認識到合併黑洞產生的引力波，從而使我們對世界的瞭解永遠改變了。自那次事件以來，已經看到了約60個額外的引力波信號，不僅包括合併黑洞，還包括合併中子星。過去五年來，愛因斯坦從未有過的驗證，證明了廣義相對論的許多預測都是正確的。在接下來的幾年中，引力波將有前所未有的機會對我們的引力理論進行前所未有的檢驗。到目前爲止，我們沒有理由反對愛因斯坦，但探索宇宙的新方法總是有機會向我們表明，它的行爲並不像我們期望的那樣。下面是引力波如何證明愛因斯坦是錯的。

根據廣義相對論，引力波是一種全新的輻射形式，與以前已知的任何形式都不一樣。 每當質量加速通過彎曲空間的區域時，或者每當不斷移動的質量移動通過曲率變化的空間區域時，空間曲率的變化都會產生波紋，類似於雨滴落入池塘時的水波紋 。但是，這些漣漪是：

不需要介質就可以通過，簡單說，空間的結構就足夠了，從產生能量的系統中帶走能量，並以光速行進。直到2015年，所有這些都是理論上的，只有間接測試可用於證實這一點。但是，最初由激光干涉引力波天文臺（LIGO）合作利用，後來由室女座干涉儀(VIRGO)加入，使我們能夠探測到引力波穿過地球時太空中的波紋。實際上，這些波以光速穿過地球，在垂直方向上交替地拉伸和壓縮空間，使我們能夠首次“看到”這些引力波。

當波穿過地球時，在一個方向上的拉伸導致光需要更多的時間來穿過它，而在垂直方向上的壓縮將光的傳播時間減少了相等的量。在引力波的作用下，每個激光臂的長度略有變化，在這些干涉儀臂中傳播的光所產生的干涉圖案就會發生微小的變化。通過觀察多個檢測器中變化的模式，我們不僅可以重建產生這些波的源的屬性，還可以重建波本身的屬性。

此外，現在著名的2017年事件揭示了兩個中子星的合併，引力波在一個爆發中到達，然後在爆發結束後僅1.7秒，第一個光信號到達了。最後，我們可以以前所未有的精度測量引力的速度，發現它速度與光速只差10^15分之一。就我們的測量能力而言，這些引力波的速度，頻率，振幅和能量與愛因斯坦的預測完全吻合。

但是，每次我們測量新事物時，以更高的精度，更長的持續時間，更高的靈敏度，在新的頻率範圍內，對於新型的物體等，我們都將有可能使我們看到的東西超越已知的物理學。愛因斯坦的相對論一般理論純粹是張量理論，其中物質和能量的存在僅指示空間如何彎曲，而空間彎曲僅指示物質和能量如何移動，但還有其他可能性。

也可能存在引力的標量或矢量分量，這是許多嘗試對引力理論進行的擴展或修改引入的。儘管廣義相對論預測引力的速度必須始終等於光速，但許多其他的引力理論都爲各種不同的事物引入了一系列有趣的可能性。事實證明，對黑洞與黑洞合併的詳細觀察，甚至比我們現在所能衡量的靈敏度更高，可能最終使我們超越了愛因斯坦。

要了解它是如何工作的，讓我們首先考慮一些更熟悉的東西：光。當我們觀察來自宇宙中任何光源的光時，就會發現它具有多種能量，分別對應於各種波長和頻率。但是，光在真空中傳播時始終是電磁波，這意味着光在穿過宇宙時會產生交變的電場和磁場。此外，所有波長和能量的光，只要在真空中傳播，就始終以完全相同的速度移動：光速。

如果您要從特定光源獲取宇宙中的所有光並測量每個單獨的能量量子，您會發現光實際上可以分解爲兩種不同偏振的組合：順時針和逆時針。在空間真空中，沒有任何物質或其他能源干擾，無論能量、波長、強度或偏振如何，所有形式的光都以完全相同的速度傳播。

但是，根據它改變我們的行爲的旅程，您可以採取一些不同的措施。 您可以將其反射離開物質，從而使光線完全或部分偏振：使其在順時針和逆時針偏振之間不對稱。您可以將其穿過嚴重彎曲的空間區域，這將導致引力時間延遲，並在引力透鏡的一個引人注目的示例中使光線發生偏轉、扭曲和放大的機會。

但是，您也可以使光線通過實際的光學透鏡，例如棱鏡。每當它穿過介質而不是空間真空時，光的傳播速度就會下降，對於能量較高的光，它的下降速度會更大。結果，藍光進入水滴時會比紅光彎曲更多，從而形成地球大氣中可見的自然彩虹。另外，某些物質不僅對光的波長敏感，而且對偏振敏感，從而產生了雙折射的驚人效果。

現在，讓我們遠離電磁波，回到引力波。與光不同，引力波根本不在乎物質。您可以通過空間真空、透鏡、棱鏡或其他材料，甚至固體地球本身傳遞引力波，它們將繼續以引力的速度傳播。它們不受物質以任何方式影響，除了一種方式：它們關心物質和能量如何導致空間結構彎曲。

就像光一樣，引力波也應該以引力的速度運動，引力應等於光的速度。無論引力波的能量、波長、強度或偏振（polarization）如何，這都應該始終不變。就像光一樣，引力波具有兩個極化，但它們不是“順時針”和“逆時針”，而是被稱爲“plus”（+）和“cross”（×），具有拉伸和壓縮的方向。對於兩個偏振（polarization），它們以45度彼此旋轉。引力波檢測器相對於波本身的方向確定了波的多少是+，而波的多少是×，每個波都是兩者的組合。

如果廣義相對論是完全正確的，那麼這些屬性都不重要。引力波將始終以引力的速度移動，並且都將受到它們所經過的空間曲率的同等影響。

但是，如果引力具有標量分量或矢量分量——就像許多，甚至對廣義相對論的大多數修改都引入了方程式一樣——突然之間，對於每個引力波，引力的速度可能並不總是相同的。在一篇引人入勝的新論文中，科學家若澤·瑪麗亞·埃茲奎加（JoseMaríaEzquiaga）和米格爾·祖瑪拉卡瑞格（MiguelZumalacárregui）得出了有關廣義相對論不是全文的彎曲空間將如何不同地影響引力波的細節。

值得注意的是，在除了標準張量分量之外還涉及引力的標量分量的一大類理論中，他們發現+和×兩個偏振（polarization）將在空間強烈彎曲的情況下以不同的速度移動。如果在一對正在合併的黑洞附近存在大量物體，例如一個超大質量的黑洞，或者沿着合併的黑洞的視線有一個巨大的星系、類星體或星系團，那麼我們應該會看到上升信號。如果+偏振（polarization）運動更快，則它首先到達，而×偏振（polarization）隨後到達。如果我們發現檢測到的信號重複出現，或者信號的兩個相同分量重疊（產生某種加擾信號），則我們應該能夠立即識別出該信號。這不取決於信號本身的任何屬性，而是取決於我們的檢測器以及它們相對於信號的方向。現在有3個獨立的引力波探測器運行，並且至少還有2個正在運行，不同的探測器將觀察到+和×偏振（polarization）的比率不同。

這是一個無可辯駁的信號，畢竟愛因斯坦錯了，引力比廣義相對論讓我們相信的更爲複雜。

在大多數情況下，在一般相對論中，距離較大，引力場相對較弱，我們只需採取牛頓極限，從相對論中添加第一個修正：我們稱之爲"前階"近似值。但是，在引力場很強的地方——就像黑洞合併附近一樣——我們需要做更多。更準確的近似值包括查看"前導階"和"次前導階"，並利用該分析展示了另一種可能性：引力波可能會減慢速度，扭曲程度取決於其波長！

當兩個啓發性和合並性的黑洞發生引力波事件時，實際上分爲三個階段：啓發性，合併和振鈴。就在合併開始之前，由吸氣階段產生的引力波的頻率和振幅都會增加（波長會減小），並且在合併之後，在振鈴階段，兩個引力波的頻率和振幅也會迅速變化。就像棱鏡或透鏡可以將不同波長的光彎曲不同的量一樣，引力透鏡可以想到地將不同波長的引力波彎曲和減慢不同的量。隨着我們繼續觀察越來越多的引力波事件，其中一個發生在空間曲率強的區域附近只是時間問題，這爲驗證愛因斯坦理論提供了前所未有的機會。

在未來的幾年中，LIGO探測器和Virgo探測器將進行多次升級，從而提高其靈敏度和範圍，發現的事件發生率比令人印象深刻的觀測結果還要高，而且不久後至少還有兩個探測器：日本的KAGRA和印度的LIGO加入其中。在線使用額外的檢測器，每個檢測器都具有獨特的三維配置，事件發生只是時間問題，愛因斯坦的理論因此而能得到前所未有的檢驗。如果引力波信號具有很強的引力透鏡效應，即使它們比我們目前設定的極限小數千倍，也可以顯示出各種波長或偏振之間的引力速度差異。

每當您有機會以一種全新的方式來檢驗您已建立的自然法則時，您都必須接受它。真正實現物理學進步的唯一途徑是，當我們獲得決定性且明確的實驗或觀察結果時。如果愛因斯坦的廣義相對論不是萬有引力的故事，那麼我們就應該到處尋找可以嘗試揭示有史以來最成功的物理理論中任何裂縫的地方。未來十年以及未來幾十年引力波事件的爆發，將使我們最終超越愛因斯坦，或者將證明愛因斯坦在一個全新的領域中是正確的。