一個世紀前，阿爾伯特·愛因斯坦成名了。
當然，他在物理學家中早已聞名。但世界在1919年11月之後才得知他的名字，當時有訊息稱他的引力理論得到了證實——這讓許多艾薩克·牛頓的粉絲感到失望。
《紐約時報》的頭條標題是“天上的光線都歪了”。副標題補充說：“愛因斯坦理論獲勝”。正如文章所述，在日食期間對太陽附近恆星的觀測發現，它們的視位置發生了移動，正如愛因斯坦所預測的那樣。牛頓的引力定律，被認為是兩個多世紀以來不可侵犯的，已被廢除。
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但是，儘管愛因斯坦的理論——廣義相對論——取得了勝利，物理學家們仍然想知道它是否有一天會面臨與牛頓定律相同的命運。雖然愛因斯坦的引力已經通過了迄今為止的每一次測試，但沒有人能確定它是否適用於所有地方、所有條件。特別是，不能保證廣義相對論統治著整個宇宙的廣闊空間。而且，為了以防萬一，多年來已經提出了幾種競爭理論。
愛因斯坦廣義相對論的第一次重大考驗來自1919年的一次日食，這張圖片來自科學論文，報告稱來自遙遠恆星的光線像愛因斯坦的理論預測的那樣被太陽的引力彎曲。圖片來源：F.W.戴森、A.S.愛丁頓和C.戴維森
在愛因斯坦提出他的新理論後，它在幾十年裡基本上被忽視了。但在20世紀後半葉，廣義相對論成為宇宙的理論。它的方程式描述了宇宙從最初的高密度、熱大爆炸開始膨脹到目前快速加速膨脹的過程。今天，隨著科學家們驗證了其更奇特的預測，包括黑洞和被稱為引力波的空間振動，廣義相對論越來越受到公眾的關注。
但廣義相對論的一連串成功可能並非無窮無盡。誠然，該理論（以及自然界其他三種基本力的理論）很好地描述了可觀測宇宙。這種描述包括大量的不可見質量，即暗物質，以及一種特殊的排斥力，稱為暗能量，瀰漫在整個空間中。但暗物質的存在是從廣義相對論是正確的假設中推斷出來的。
“鑑於沒有其他（非引力）證據表明存在暗區，質疑構成證據的一些基本假設是常識。而主要假設是廣義相對論是引力的基礎理論，”英國牛津大學的天體物理學家佩德羅·費雷拉在當前的《天文學和天體物理學年評》中寫道。如果你不假設廣義相對論實際上是正確的，那麼“暗區的證據可能表明廣義相對論在宇宙尺度上崩潰了，”費雷拉指出。
換句話說，可能根本沒有暗物質。如果真是這樣，那麼暗物質存在的明顯證據實際上可能表明，宇宙引力的真實理論與愛因斯坦的理論不同。如果是這樣，那麼當前的宇宙圖景將不得不被徹底改寫。
儘管如此，物理學家們有充分的理由對廣義相對論的可靠性充滿信心。首先，它解決了一個困擾天文學家關於水星的棘手問題：其軌道與牛頓引力預測的軌道存在差異。愛因斯坦在1915年宣佈了他的理論，因為他能夠證明該理論正確地預測了水星的實際軌道。
愛因斯坦解決水星之謎的關鍵是將引力概念化為空間幾何（或者更準確地說，是時空幾何，因為他早期的工作表明空間和時間是不可分割的）的影響。愛因斯坦說，引力不是大質量物體之間的相互拉扯，而是一個質量扭曲其周圍時空的結果。物體圍繞一個大質量物體執行或墜入其中，取決於其周圍時空的彎曲程度。質量不是對某種吸引力做出反應，而是遵循時空幾何的輪廓。
作為幾何學的引力導致了1919年日食中驗證的著名預測。愛因斯坦指出，太陽附近的時空彎曲會導致來自遙遠恆星的光線在經過附近時彎曲，從而改變從地球上看到的恆星視位置。這一預測啟發了1919年5月由英國天體物理學家亞瑟·愛丁頓領導的日食探險隊前往西非的普林西比島。愛丁頓的團隊發現，幾顆恆星的位置發生了偏移，偏移量正好是愛因斯坦的數學計算表明的量，是牛頓定律預測量的兩倍。當日食團隊在1919年11月宣佈結果時，一家新聞報道稱這些結果預示著需要“一種新的宇宙哲學”。
2019年，事件視界望遠鏡專案製作了黑洞的第一張影像，顯示了星系M87的核心。此類影像中顯示的黑洞對光的扭曲細節可能有助於檢驗愛因斯坦引力理論的有效性。圖片來源：EHT合作組織
自那以來的一個世紀裡，愛因斯坦的引力通過了許多額外的測試，例如2016年報道的引力波的驚人探測。但不可能在所有可以想象的條件下測試該理論。專家們長期以來一直懷疑，廣義相對論在質量密度極高的區域可能是錯誤的。例如，在黑洞的中心，該理論的方程式不再有意義，因為它們暗示物質密度將變得無限大。
出於許多原因，前往黑洞內部以測試廣義相對論將是一個糟糕的策略。但是，安全待在地球上的科學家可以探測到相當強引力的區域，這可能會提供線索。一個專案使用一個望遠鏡網路來拍攝黑洞外邊緣附近的區域——它的“事件視界”（任何落入其中的東西的臨界點）。這樣的影像可以提供物質如何從其“吸積盤”（事件視界外部的軌道物質環）流入黑洞的細節。
費雷拉寫道：“透過分析吸積流的結構，將有可能探測時空的結構……並測試它是否與廣義相對論相一致。”
引力波也可以提供極端條件下引力的細節，例如當兩個黑洞碰撞時。分析源自此類碰撞的時空漣漪可能會揭示廣義相對論預測中可能存在的缺陷。
當兩個黑洞合併時，會產生引力波，正如愛因斯坦廣義相對論所預測的那樣。
如果廣義相對論最終失效，近幾十年提出的多種競爭性引力理論將蓄勢待發。它們中的大多數都歸結為在自然界的引力、電磁力以及強核力和弱核力的清單中增加一種新的力。除了引力之外，其他三種已知的力都由“標準模型”準確描述，標準模型是一組遵循量子力學要求的方程式。然而，廣義相對論不能容納量子數學，因此長期以來一直在努力開發一種結合引力和量子理論的理論。
賓夕法尼亞州立大學物理學家阿拜·阿什特卡爾在最近一次科學作家研討會上說：“廣義相對論和量子物理學的統一被廣泛認為是基礎物理學中最突出的未決問題。”
大多數專家認為，這樣一種統一的理論將需要對廣義相對論進行某種修改。
修改該理論的一種方法是引入一個瀰漫空間的新的能量場。這種場在不同位置的強度可能會改變廣義相對論對物質行為的預測。
一些理論家反而提出，時空扭曲的額外來源——額外的幾何層——可能是一種更有效的方法。還有一些其他提議，例如超弦理論，可以透過允許比通常遇到的三個空間維度更多的空間維度來修改廣義相對論。透過一些數學運算，所有這些方法都相當於增加第五種力。
到目前為止，尋找第五種新力的跡象的測試一無所獲。但這些測試都是在相對較小的尺度上進行的（與整個宇宙相比）。廣義相對論在這些測試中佔上風可能是因為其他物理效應掩蓋或遮蔽了第五種力會引起的偏差。費雷拉寫道，但在小尺度上被遮蔽掉的效應可能在大尺度上變得明顯。“這是未知的領域，也是我們可能找到新物理學證據的少數幾個原始競技場之一。”
廣義相對論的另一個可檢驗的原則是其要求引力以光速傳播。引力波提供了一種檢驗這一點的方法。2017年，兩顆中子星的合併不僅向地球傳送了引力波（穿越了1.3億光年的距離），還釋放了包括X射線和伽馬射線在內的電磁輻射爆發，這些輻射以與光速完全相同的速度傳播。電磁射線和引力波的到達時間表明它們的傳播速度相同（在萬億分之一以內）——排除了許多預測速度差異的替代引力理論。
進一步的此類測試，以及對其他宇宙學特徵（例如宇宙早期產生的遺留微波背景輻射）的更精細的觀測，可能有一天仍會發現廣義相對論的缺陷。如果是這樣，一些愛因斯坦的粉絲可能會感到失望，但大多數物理學家不會。他們會津津樂道於開啟物理學史新篇章的興奮。
費雷拉寫道：“隨著引力宇宙的多個新視窗……，人們會希望新的力和現象即將被發現。”但費雷拉說，如果愛因斯坦在宇宙距離上佔上風，那麼還有一個安慰獎。“至少，我們將最終得到一個經過令人羨慕的尺度和制度範圍測試的堅如磐石的引力理論。”