一个世纪前，阿尔伯特·爱因斯坦成名了。
当然，他在物理学家中早已闻名。但世界在1919年11月之后才得知他的名字，当时有消息称他的引力理论得到了证实——这让许多艾萨克·牛顿的粉丝感到失望。
《纽约时报》的头条标题是“天上的光线都歪了”。副标题补充说：“爱因斯坦理论获胜”。正如文章所述，在日食期间对太阳附近恒星的观测发现，它们的视位置发生了移动，正如爱因斯坦所预测的那样。牛顿的引力定律，被认为是两个多世纪以来不可侵犯的，已被废除。
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但是，尽管爱因斯坦的理论——广义相对论——取得了胜利，物理学家们仍然想知道它是否有一天会面临与牛顿定律相同的命运。虽然爱因斯坦的引力已经通过了迄今为止的每一次测试，但没有人能确定它是否适用于所有地方、所有条件。特别是，不能保证广义相对论统治着整个宇宙的广阔空间。而且，为了以防万一，多年来已经提出了几种竞争理论。
爱因斯坦广义相对论的第一次重大考验来自1919年的一次日食，这张图片来自科学论文，报告称来自遥远恒星的光线像爱因斯坦的理论预测的那样被太阳的引力弯曲。图片来源：F.W.戴森、A.S.爱丁顿和C.戴维森
在爱因斯坦提出他的新理论后，它在几十年里基本上被忽视了。但在20世纪后半叶，广义相对论成为宇宙的理论。它的方程式描述了宇宙从最初的高密度、热大爆炸开始膨胀到目前快速加速膨胀的过程。今天，随着科学家们验证了其更奇特的预测，包括黑洞和被称为引力波的空间振动，广义相对论越来越受到公众的关注。
但广义相对论的一连串成功可能并非无穷无尽。诚然，该理论（以及自然界其他三种基本力的理论）很好地描述了可观测宇宙。这种描述包括大量的不可见质量，即暗物质，以及一种特殊的排斥力，称为暗能量，弥漫在整个空间中。但暗物质的存在是从广义相对论是正确的假设中推断出来的。
“鉴于没有其他（非引力）证据表明存在暗区，质疑构成证据的一些基本假设是常识。而主要假设是广义相对论是引力的基础理论，”英国牛津大学的天体物理学家佩德罗·费雷拉在当前的《天文学和天体物理学年评》中写道。如果你不假设广义相对论实际上是正确的，那么“暗区的证据可能表明广义相对论在宇宙尺度上崩溃了，”费雷拉指出。
换句话说，可能根本没有暗物质。如果真是这样，那么暗物质存在的明显证据实际上可能表明，宇宙引力的真实理论与爱因斯坦的理论不同。如果是这样，那么当前的宇宙图景将不得不被彻底改写。
尽管如此，物理学家们有充分的理由对广义相对论的可靠性充满信心。首先，它解决了一个困扰天文学家关于水星的棘手问题：其轨道与牛顿引力预测的轨道存在差异。爱因斯坦在1915年宣布了他的理论，因为他能够证明该理论正确地预测了水星的实际轨道。
爱因斯坦解决水星之谜的关键是将引力概念化为空间几何（或者更准确地说，是时空几何，因为他早期的工作表明空间和时间是不可分割的）的影响。爱因斯坦说，引力不是大质量物体之间的相互拉扯，而是一个质量扭曲其周围时空的结果。物体围绕一个大质量物体运行或坠入其中，取决于其周围时空的弯曲程度。质量不是对某种吸引力做出反应，而是遵循时空几何的轮廓。
作为几何学的引力导致了1919年日食中验证的著名预测。爱因斯坦指出，太阳附近的时空弯曲会导致来自遥远恒星的光线在经过附近时弯曲，从而改变从地球上看到的恒星视位置。这一预测启发了1919年5月由英国天体物理学家亚瑟·爱丁顿领导的日食探险队前往西非的普林西比岛。爱丁顿的团队发现，几颗恒星的位置发生了偏移，偏移量正好是爱因斯坦的数学计算表明的量，是牛顿定律预测量的两倍。当日食团队在1919年11月宣布结果时，一家新闻报道称这些结果预示着需要“一种新的宇宙哲学”。
2019年，事件视界望远镜项目制作了黑洞的第一张图像，显示了星系M87的核心。此类图像中显示的黑洞对光的扭曲细节可能有助于检验爱因斯坦引力理论的有效性。图片来源：EHT合作组织
自那以来的一个世纪里，爱因斯坦的引力通过了许多额外的测试，例如2016年报道的引力波的惊人探测。但不可能在所有可以想象的条件下测试该理论。专家们长期以来一直怀疑，广义相对论在质量密度极高的区域可能是错误的。例如，在黑洞的中心，该理论的方程式不再有意义，因为它们暗示物质密度将变得无限大。
出于许多原因，前往黑洞内部以测试广义相对论将是一个糟糕的策略。但是，安全待在地球上的科学家可以探测到相当强引力的区域，这可能会提供线索。一个项目使用一个望远镜网络来拍摄黑洞外边缘附近的区域——它的“事件视界”（任何落入其中的东西的临界点）。这样的图像可以提供物质如何从其“吸积盘”（事件视界外部的轨道物质环）流入黑洞的细节。
费雷拉写道：“通过分析吸积流的结构，将有可能探测时空的结构……并测试它是否与广义相对论相一致。”
引力波也可以提供极端条件下引力的细节，例如当两个黑洞碰撞时。分析源自此类碰撞的时空涟漪可能会揭示广义相对论预测中可能存在的缺陷。
当两个黑洞合并时，会产生引力波，正如爱因斯坦广义相对论所预测的那样。
如果广义相对论最终失效，近几十年提出的多种竞争性引力理论将蓄势待发。它们中的大多数都归结为在自然界的引力、电磁力以及强核力和弱核力的清单中增加一种新的力。除了引力之外，其他三种已知的力都由“标准模型”准确描述，标准模型是一组遵循量子力学要求的方程式。然而，广义相对论不能容纳量子数学，因此长期以来一直在努力开发一种结合引力和量子理论的理论。
宾夕法尼亚州立大学物理学家阿拜·阿什特卡尔在最近一次科学作家研讨会上说：“广义相对论和量子物理学的统一被广泛认为是基础物理学中最突出的未决问题。”
大多数专家认为，这样一种统一的理论将需要对广义相对论进行某种修改。
修改该理论的一种方法是引入一个弥漫空间的新的能量场。这种场在不同位置的强度可能会改变广义相对论对物质行为的预测。
一些理论家反而提出，时空扭曲的额外来源——额外的几何层——可能是一种更有效的方法。还有一些其他提议，例如超弦理论，可以通过允许比通常遇到的三个空间维度更多的空间维度来修改广义相对论。通过一些数学运算，所有这些方法都相当于增加第五种力。
到目前为止，寻找第五种新力的迹象的测试一无所获。但这些测试都是在相对较小的尺度上进行的（与整个宇宙相比）。广义相对论在这些测试中占上风可能是因为其他物理效应掩盖或屏蔽了第五种力会引起的偏差。费雷拉写道，但在小尺度上被屏蔽掉的效应可能在大尺度上变得明显。“这是未知的领域，也是我们可能找到新物理学证据的少数几个原始竞技场之一。”
广义相对论的另一个可检验的原则是其要求引力以光速传播。引力波提供了一种检验这一点的方法。2017年，两颗中子星的合并不仅向地球发送了引力波（穿越了1.3亿光年的距离），还释放了包括X射线和伽马射线在内的电磁辐射爆发，这些辐射以与光速完全相同的速度传播。电磁射线和引力波的到达时间表明它们的传播速度相同（在万亿分之一以内）——排除了许多预测速度差异的替代引力理论。
进一步的此类测试，以及对其他宇宙学特征（例如宇宙早期产生的遗留微波背景辐射）的更精细的观测，可能有一天仍会发现广义相对论的缺陷。如果是这样，一些爱因斯坦的粉丝可能会感到失望，但大多数物理学家不会。他们会津津乐道于开启物理学史新篇章的兴奋。
费雷拉写道：“随着引力宇宙的多个新窗口……，人们会希望新的力和现象即将被发现。”但费雷拉说，如果爱因斯坦在宇宙距离上占上风，那么还有一个安慰奖。“至少，我们将最终得到一个经过令人羡慕的尺度和制度范围测试的坚如磐石的引力理论。”