幾十年前，物理學家意識到引力波不僅僅是短暫的現象。相反，空間中的這些漣漪應該留下永久的印記：在其尾跡中產生固定的扭曲。到目前為止，這種“記憶”效應仍未被探測到，但下一代引力波探測器應該能夠找到它們。如果他們真的找到了，這將為檢驗我們對引力的理解開闢一條新途徑。
愛因斯坦的記憶
1916年，阿爾伯特·愛因斯坦本人預言了引力波的存在，這是他的廣義相對論的必然結果。空間本身的這些振動會從經歷任何型別不對稱加速的質量中向外擴散。引力波源的例子包括恆星爆炸、黑洞合併，甚至是一個人在辦公室椅子上旋轉！但引力是迄今為止最弱的力，而引力波只是其上的微小皺紋。愛因斯坦最終得出結論，儘管它們存在，但不太可能被探測到。
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近一個世紀後，一支富有進取心的物理學家團隊最終證明愛因斯坦錯了——透過證明他是對的。研究人員建造並使用了雷射干涉引力波天文臺（LIGO）來探測兩個合併黑洞的特徵振動模式。
大約在半個世紀前，LIGO 首次構思的時候，其他理論家發現了一些非凡的東西：引力波可以在穿過某個區域後永久性地改變空間。乍一看，這個結果似乎是不可能的，就像海浪永久性地扭曲不斷變化的海面一樣。波按定義是瞬態現象。如果你站在一個地方，一個波浪會從無到有地衝過你，升到頂峰，然後又退回到虛無。一旦波浪消失，它就消失了。
為了理解這種效應，即引力波記憶，我們必須記住愛因斯坦最初的洞見：任何不對稱的動作、運動或事件都會導致引力波的產生。事實證明，引力波本身就表現出這種不對稱性。
一個經過的引力波會扭曲空間，使物體更靠近，然後再將它們恢復到原來的位置。空間的這種扭曲本身就是一個不對稱事件，它會產生新一輪的引力波，這些引力波會在第一波的尾跡中發出。這些新的波浪也會做同樣的事情：扭曲空間並將物體拉近。然後，第二波會產生第三波，依此類推，一直持續下去。每一輪波浪都比上一輪弱，但仔細的計算表明，透過將無限生成的波浪的不斷減少的貢獻相加，會導致永久性扭曲：一旦初始波浪過去，兩個自由漂浮的物體將永遠保持彼此靠近。
當然，現實世界是複雜的。行星繞太陽執行，岩石碎片相互碰撞等等。這意味著記憶效應通常會被日常生活的變幻莫測所沖刷掉。因此，計算和預測依賴於理想化的場景，在理想化的場景中，我們想象兩個物體不受任何其他影響。如果你站在一個物體上並測量到另一個物體的距離，在波浪過去後，你會發現該測量值比以前小。
值得慶幸的是，這種理想化的場景正是我們設計引力波探測器來複制的場景，這意味著我們有可能測量記憶效應。
LISA 的記憶
也許最令人驚訝的是，這種記憶效應的強度與初始波浪的引力影響大致相同（需要明確的是，這根本不大：即使是最強的沖刷地球的引力波也只會引起小於原子核寬度的位移）。然而，儘管有這種強度，但該效應至今仍未被探測到。目前，引力波記憶效應仍然是廣義相對論的純粹假設、未經檢驗的預測。
但理論家們強烈懷疑這種記憶效應的存在。畢竟，廣義相對論（惱人地）迄今為止經受住了每一個可能使其預測失效的測試——或者至少找到了其計算中的裂縫。愛因斯坦最初用來預測引力波存在的相同數學方法直接導致了記憶效應。
那麼，為什麼我們沒有測量到這種記憶效應呢？簡而言之，還沒有人去尋找它。要探測引力波記憶，你需要兩件事。第一，你的儀器需要自由漂浮，以便“記住”引力波的印記。第二，你需要測量長時間尺度的引力波效應，因為記憶效應需要在初始波浪過去後一段時間才能積累起來。
我們目前的引力波探測器在這兩個方面都失敗了。LIGO 使用連線到擺錘的質量，擺錘會在波浪過去後機械地恢復其位置，從而掩蓋了任何記憶測量。LIGO 的設計是為了調諧到短期的、高頻的引力波爆發。
然而，這一切即將改變，最近宣佈 LISA——雷射干涉空間天線——已獲得歐洲航天局的批准，預計將於 2035 年發射。LISA 將配備三個共軌衛星，這意味著各個元件將自由漂浮，並且其站點相距 250 萬公里，LISA 將專門尋找低頻引力波——檢查並確認。
LISA 應該能夠透過測量波浪穿過後太陽系內空間的永久性扭曲來探測引力波記憶。同樣，儘管它們的來源非常巨大（LISA 將目標鎖定為超大質量黑洞碰撞產生的波浪），但這些記憶效應扭曲將非常微小，不超過原子核的大小。
未來的記憶
當理論家設計新的實驗測試時，他們希望得到兩個同時存在的、矛盾的結果。LISA 發現記憶效應也不例外。一方面，這可以作為對廣義相對論的又一次檢驗，對波浪記憶的確認探測將使愛因斯坦的理論更加穩健和強大。
另一方面，我們確實需要一種超越愛因斯坦的方法。我們知道他的理論是不完整的。它沒有描述黑洞中心或宇宙最早時刻發生的事情。它與量子力學格格不入。它沒有解釋暗物質和暗能量，這兩個共同構成宇宙內容 95% 的謎團。
如果我們未能看到記憶效應——或者發現記憶效應的強度與預測的不同——那麼我們可能已經找到了相對論近乎堅不可摧的盔甲上的一個缺口，我們可以利用並撬開這個缺口，以揭示這個珍貴理論的更深層次的缺陷，併為我們制定更好的引力理論奠定更堅實的基礎。
但即使我們沒有發現缺陷，並且 LISA 測量的記憶效應與預測完全一致，這仍然會在其他方面有用。例如，當宇宙中某處兩個巨大的物體碰撞時，它們可以從我們的視點以任何角度進行碰撞——我們沒有很好的方法來確定該角度，這使得我們更難知道此類合併發生在多遠的地方。對記憶效應的觀測可以打破這種困惑，因為記憶效應具有不同的距離和視角依賴性，因此組合測量可以更詳細地瞭解情況。
在另一項提議中，下一代恆星巡天應該能夠看到整個過去引力波歷史的綜合效應，這些效應印刻在恆星自身的位置上。畢竟，引力波已經在宇宙中盪漾了數十億年，在其尾跡中導致了無數的記憶效應扭曲。每個星系中的恆星都會以微小而微妙的方式相對於彼此移動——但我們可以隨著時間的推移來測量這些方式。
這項工作的最終教訓是，我們對固定空間的世俗觀念是不正確和不完整的。引力波不僅會暫時改變和改變現實的結構，而且還會在其尾跡中留下永久的印記。任何兩點之間的距離都在不斷變化，這樣做，我們宇宙最基本的方面之一也在發生變化。