不尋常的觀點應有不尋常的證據。——卡爾·薩根（Carl Sagan）
平行宇宙、空間入口（dimensional portal）以及高維度等這些概念雖然令人叫絕，但需要有嚴絲合縫的證據來證明它們的存在。正如天文學家肯·克羅斯威爾（Ken Croswell）評價的：“其他的宇宙會令人陶醉！關於它們，你想說什麼就可以說什麼，隻要天文學一天沒有找到它們，就一天不能說你是錯的。”以前，要對許多這類預言進行測試似乎是毫無指望的，因為我們的試驗設備太原始。然而，由於計算機、激光和衛星技術的最新發展，對許多這類理論進行實驗驗證已經近在眼前。
對這些思想進行直接驗證也可能異常困難，但間接驗證是可能做到的。我們有時會忘記，天文學中的大部分驗證都是間接完成的。例如，從沒有人訪問過太陽或恒星，但我們還是通過對這些發光體所發出的光進行分析，知道了恒星的構成成分。通過對星光的光譜進行分析，我們間接地知道，恒星主要是由氫和一些氦構成的。同樣，從來沒有人看到過黑洞，而且事實上，黑洞是無形的，無法直接看到。然而，我們通過尋找吸積盤（accretion disks）以及計算這些死恒星的質量，找到了它們存在的間接證據。
在所有這些實驗中，我們尋找恒星和黑洞的“回聲”，以確定它們的性質。同樣，第 11 維度或許不是我們所能直接接觸到的，但由於我們現在有了新的帶有革命性的儀器，我們有可能對膨脹和超弦理論進行驗證。
GPS與相對論
衛星技術使相對論的研究得到了革命性的發展，最簡單的一個例子就是全球定位係統（GPS），24顆衛星持續圍繞地球運轉，發射出精確的同步脈衝，使人可以對自己在地球上所處的位置進行三角測量，準確度驚人。GPS 係統已成為航行、商務乃至戰爭中的一個要素。所有的東西，從汽車中的電子地圖到巡航導彈都要求能在五百億分之一秒內將信號同步化，以便以15碼（13 1 716米）以內的精確度找到地球上的物體。但是要確保這種難以置信的精確度，科學家必須做出計算，對牛頓定律稍做修正，因為根據相對論，衛星在外太空翱翔時，無線電波的頻率會稍有偏移[17]。事實上，如果我們傻乎乎地省略掉根據相對論進行修正這一步，那麼GPS時鍾每天就會走快四十萬億分之一秒（原文40 000 billions似應為40 000 billionths。——譯者注），整個係統就變得不可靠了。所以，相對論對於商務和軍事是不可缺少的。物理學家克利弗德·威爾（Clifford Will）（他曾為一位美國空軍將領講解根據愛因斯坦的相對論對GPS係統進行至關重要的修正的問題）曾經評論說：他知道，當連五角大樓的高級官員都需要了解相對論的時候，相對論的時代就到來了。
引力波探測器
迄今為止，我們對天文學所了解的幾乎一切知識都是以電磁輻射的形式得到的，不論它是星光、無線電還是宇宙深處的微波。現在科學家們正在首次引入一種新的科學發現介質，這就是引力本身。“每次我們用一種新的方式看天空的時候，我們都會看到一個新的宇宙。”引力波項目的副主任、加利福尼亞工學院的蓋利·桑德斯（Gary Sanders）說。
是愛因斯坦本人於 1916 年首次提出存在引力波。讓我們回想一下前麵提到過的一個例子，即，如果太陽消失了，會發生什麼。我們應該還記得那個關於保齡球陷在蹦床網中的比喻。如果把保齡球突然取出，蹦床網將立刻彈回原來的狀態，產生衝擊波，沿蹦床網向外擴散。如果把保齡球換成太陽，那麼我們會看到引力的衝擊波會以一個特定的速度，即光速擴散。
雖然愛因斯坦後來為他的方程找到了一個包含了引力波的精確的解，但令他失望的是，在他的有生之年他未能看到他的預言得到驗證。引力波非常微弱，即使是恒星碰撞所產生的衝擊波也不足以被當前所能夠做的試驗測量到。
目前，引力波隻是被間接探測到了。有兩位物理學家，盧塞爾·哈爾斯（Russell Hulse）和小約瑟夫·泰勒（Joseph Taylor）推測，如果對在太空中互相追逐旋轉的雙中子星進行分析，則隨著它們的軌道慢慢衰退，每顆星都會放射出一股引力波，與攪動糖蜜時出現的波痕差不多。他們對兩顆中子星緩慢盤旋彼此接近過程中的固定軸旋繞進行分析。他們把研究集中在離地球16 000光年的雙中子星PSR 1913+16上，它們每7小時45分鍾對繞一圈，在此過程中，它們向外太空發射出引力波。
運用愛因斯坦的理論，他們發現，這兩顆星每轉一圈就應該互相靠近 1毫米。雖然這個距離小到微乎其微，但一年時間加起來就是1碼（0 1 914 4米），這個435 000英裏（700 045千米）的軌道會慢慢變小。他們這項開創性的工作顯示，軌道恰好是按照愛因斯坦理論在引力波基礎上所做的預言進行衰退的。（愛因斯坦的方程事實上預言，由於能量以引力波的形式向宇宙中輻射消耗，這些恒星最終會在 21 4 億年內相互栽進對方的懷中。）由於他們的這項工作，他們獲得了1993年的諾貝爾物理學獎。
我們還可以繼續回溯，運用這項精確的實驗，來測量廣義相對論本身的精確性。在進行反向計算的過程中，我們發現，廣義相對論的精確度至少達到了99 1 7%。
LIGO引力波探測器
但是，要獲取有關早期宇宙的可用信息，必須對引力波進行直接觀察，而不是間接觀察。2003 年，第一台可操作的引力波探測器，LIGO（“激光幹涉引力波觀測站”的英文首字母縮寫，Laser Interferometer Gravitational 2 Wave Observatory）終於啟動了，利用引力波探究宇宙奧秘的長達10年之久的夢想得以實現。LIGO的目標是探測對於地球上的望遠鏡來說太遙遠太微弱的宇宙事件，例如黑洞或中子星之間的碰撞。
LIGO有兩項巨型的激光設備，一個設在華盛頓州的罕弗德（Hanford），另一個設在路易斯安那州的利文斯頓教區。這兩個設備各有兩條長管子，每條長2 1 5英裏（4千米），形成一個L形的管道。在每條管子內發射激光，在L形的接頭處，兩個激光束相撞，它們的光波彼此幹涉。正常情況下，如果沒有幹擾，兩個光波是同步的，彼此抵消。但是如果黑洞或中子星相撞發射出的最微弱的引力波到達了這個裝置，一條管道的收縮和擴張就會與另一條不同。這種幹擾足以破壞兩股激光束之間精密的抵消過程，結果，兩股光束不是互相抵消，而是產生出典型的波狀幹擾圖，可用計算機詳加分析。引力波越強，兩股激光束之間的不匹配就越強，幹擾圖形也就越強。
LIGO是個工程奇跡。由於空氣分子會吸收激光，容納激光的管子必須抽空至萬億分之一大氣壓力。每個探測器的容積為 300 000 立方英尺（8 495立方米），也就是說，LIGO具有世界上最大的人造真空。LIGO具有這樣高的靈敏度，部分地歸功於鏡子的設計，它們是由非常小的磁體控製的，一共有6 個，每個都像螞蟻那麼大。鏡子打磨得非常光滑，精準到三百億分之一英寸。“想象一下，如果地球也有那麼光滑的話，那麼山的平均高度不會超過1英寸（2 1 54 厘米）。”負責監控鏡子的蓋利林·比林斯利（GariLynn Billingsley）說。它們非常精密，移動精確到小於百萬分之一米，所以LIGO的鏡子可能是世界上最敏銳的鏡子。“多數控製係統的工程師們聽說我們想做什麼事情的時候，都驚訝得目瞪口呆。”LIGO科學家米歇爾·薩克（Michael Zucker）說。
由於 LIGO 異常平衡，有時一些最意想不到的振動源發出了輕微的、多餘的振動，也會使它不得安寧。例如位於路易斯安那州的那個探測器在白天就不能工作，因為伐木工人在離開現場1 500英尺（457 1 2米）的地方伐樹。（LIGO 靈敏到哪怕在 1 英裏〔1 609 米〕以外伐樹，也會使它白天不能工作。）即使在夜間，半夜過路運輸車輛的振動和早晨 6 點支座的振動也會使它不能工作。LIGO能連續運轉的時間有多長呢？
有時，甚至幾英裏以外海浪拍岸的輕微振動也會影響到結果。衝擊北美沙灘的海浪平均每6秒鍾衝刷一次海岸，由此產生的低沉咆哮聲也能實實在在地被這些激光器捕捉到。實際上，由於這種聲響的頻率非常低，因此它可以直接穿透陸地。“它感覺起來像一陣隆隆聲。”薩克（Zucker）對這種潮汐聲這樣評價。“在路易斯安那州的颶風季節，這是非常令人頭痛的問題。”LIGO還受到月球和太陽的引力拖拽地球時產生的潮汐的影響，產生幾百萬分之一英寸的幹擾。
為了消除這些令人難以置信的輕微幹擾，LIGO工程師們走了一個極端，把該裝置的大部分都與地球其他部分隔絕起來。每個激光係統都架在4個巨型的不鏽鋼平台之上，一個平台摞在另一個之上，每層之間以彈簧分隔以消除任何振動。所有精密的光學設備都有自己的地震絕緣係統；地板是一塊30英尺（10 1 44米）厚的混凝土，不與牆壁接合。
LIGO事實上是國際聯合努力的一部分，其中包括名叫VIRGO的法國意大利探測器，位於比薩；名叫 TAMA 的日本探測器，位於東京郊外；以及一個名叫GEO 600的英國德國探測器，位於德國漢諾威。LIGO的最終造價加起來將達到2 1 92億美元（再加上8 000萬美元的調試和升級費用），這使其成為國家科學基金會有史以來所出資的最昂貴的項目。
但即使靈敏到了這種程度，許多科學家承認，LIGO可能仍然不夠靈敏，無法在其壽命期限內探測到真正令人感興趣的事件。對該設施的下一次升級，也就是LIGOⅡ，如果資金被批準了的話，計劃將於2007年進行。如果LIGO探測不到引力波，人們打賭LIGOⅡ將能探測到。LIGO科學家肯尼思·利布雷希特（Kenneth Libbrecht）聲稱：LIGOⅡ將使該設備的靈敏度翻1 000番，“從每10年（探測到）一次，這是相當痛苦的，到每3天探測到一次，非常愜意。”
要讓LIGO探測到兩個黑洞的碰撞（距離3億光年以內），科學家要等上1年到1 000年之久。如果說，用LIGO來探測這樣一個事件，意味著要由天文學家的重重重……重孫的子女才能等得到，那麼許多天文學家可能就要對此重新考慮了。但正如LIGO科學家彼得·索爾森（Peter Saulson）說的：“人們從解決這類技術挑戰中獲得樂趣，這很像中世紀的教堂建築師們，明知自己可能看不到建成後的教堂，但還是繼續工作。但如果說在我的有生之年無論如何努力也不可能看到引力波，那我可能就不會鑽研這個領域了。這不隻是在追逐諾貝爾獎……我們為之奮鬥的這種精準水平，是我們這項工作的特點；隻有這樣才算走對了路子。”有了 LIGOⅡ，一個人的有生之年發現真正有趣的事件的可能性就大大提高了。LIGOⅡ有可能以每天 10 次到每年10次的速率，在60億光年這一大得多的範圍內探測到黑洞碰撞。
然而，即使是 LIGO Ⅱ的威力也不足以探測到宇宙形成那一瞬間發射出的引力波。要達到這個目的，我們必須再等15~20年，等到LISA問世。
LISA引力波探測器
LISA（激光幹涉宇宙天線，Laser Interferometry Space Antenna）將是下一代的引力波探測器。與LIGO不同的是，它將被設在外太空。2010年前後，NASA（美國國家航空航天局）和歐洲空間署（European Space Agency）計劃向太空發射3顆衛星，它們將在離地球大約3 000萬英裏（5 080 1 32萬千米）的軌道上圍繞太陽轉。這3顆衛星的激光探測器將在太空中形成等邊三角形（每邊 500 萬千米）。每顆衛星將有兩個激光器，使之與另外兩顆衛星保持聯絡。雖然每個激光器隻用半瓦能量發射激光束，但其光學靈敏度非常高，能夠以十億萬億分之一（one part in a billion trillion）的精確度探測到來自引力波的振動（相當於移動了單個原子百分之一的寬度）。LISA應能夠探測到90億光年處傳來的引力波，穿越了大部分的可見宇宙。
LISA的精確度將能夠探測到大爆炸本身發出的原始衝擊波。這將給我們提供宇宙形成一刹那時遠為最精確的樣貌。如果一切都能按計劃進行[18]，LISA應能窺探到大爆炸之後第一個萬億分之一秒時的情形，這或許就使其成為宇宙學中最強大的工具。人們相信，LISA可能將會找到統一場理論，即包羅萬象的理論的確切性質的第一手實驗數據。
LISA的一個重要目的，就是要提供膨脹理論的確鑿證據。迄今為止，膨脹說與所有的宇宙數據都吻合（例如均勻度、宇宙背景的漲落等）。但這並不意味著這個理論就是正確的。為了給這項理論做定論，科學家想要研究由膨脹過程本身所產生出來的引力波。大爆炸一刹那間產生的引力波如同指紋一樣，將能夠顯示出膨脹說和任何其他待選理論之間的區別。有些人，例如加利福尼亞工學院的基普·索恩（Kip Thorne）相信 LISA 還可能顯示某些版本的弦理論是否正確。如我在第7章中解釋過的，膨脹宇宙理論預言：從大爆炸中產生的引力波應該相當猛烈，與宇宙早期迅猛的擴張相符；而火劫宇宙模型（ekpyrotic model）則預言：擴張過程要溫和得多，引力波也平緩得多。LISA應能排除各種有關大爆炸的待選理論，對弦理論做出至關重要的測試。
愛因斯坦透鏡和愛因斯坦環
在探測宇宙方麵的另一個強大的工具是使用引力透鏡和“愛因斯坦環”。早在1801年，柏林天文學家約翰·喬治·馮·索爾德納（Johan Georg von Soldner）就已經能夠計算出，太陽的引力可能使恒星的光發生偏轉。（盡管由於索爾德納嚴格采用了牛頓學說，他少了一個關鍵的因數 2.愛因斯坦寫道：“這種偏轉一半是由於太陽的牛頓引力場造成的，另一半是由太陽對空間的幾何修正〔‘曲率’〕造成的。”）
1912年，就在他完成廣義相對論之前，愛因斯坦還考慮過是否可以把這種偏轉當做一個“透鏡”，就像你的眼鏡在光線到達你的眼睛之前使它發生偏轉一樣。1936年，一位捷克工程師魯迪·曼德爾（Rudi Mandl）寫信給愛因斯坦，問他引力透鏡是否可以把來自附近恒星的光放大。回答是可以，但是由於他們的技術所限，還不能探測到。
愛因斯坦還特別意識到，你可能會看到光學錯覺，例如同一個客體的雙影，或還有一個因畸變而形成的光環。例如，當從非常遙遠的星係發出的光經過我們的太陽時，光束會先從太陽的左右經過，再合攏來達到我們的眼睛。當我們盯住遙遠星係看的時候，我們看到的會像一個環，這是由廣義相對論造成的光學錯覺。愛因斯坦的結論是：“直接觀察到這一現象的希望不大。”事實上，他寫道：這項工作“沒什麼價值，隻是能讓可憐人（曼德爾）有點成就感”。
40多年以後，在1979年，英格蘭約代爾邦克（Jordel Bank）天文台的丹尼斯·沃爾士（Dennis Walsh）首次發現了透鏡作用的局部證據，他是雙類星體Q 0957+561的發現者。1988年，從射電源MG 1131+0456觀測到第一個愛因斯坦環。1997年，哈勃空間望遠鏡和英國的MERLIN射電天文望遠鏡陣通過對遙遠星係1938+666進行分析，捕捉到了第一個完整圓形的愛因斯坦環，再一次證實了愛因斯坦的理論。（這個環非常小，隻有1弧秒〔1″≈〈1/3 600〉°〕，或大致相當於從兩英裏〔3 1 22千米〕以外看一便士硬幣的大小。）目睹了這一曆史性事件的天文學家們這樣描述他們的興奮心情：“第一眼看去，它像是人為造成的，我們還以為它是圖像中的某種缺陷，但後來我們意識到，我們看到的正是一個完善的愛因斯坦環！”曼徹斯特大學的伊恩·布朗（Ian Brown）博士說。
今天，愛因斯坦環已成為天體物理學家手中一件必不可缺的武器。在外太空中已經發現了約 64 個雙類星體、三類星體以及多類星體（愛因斯坦透鏡作用造成的幻象），或者說，每500顆觀察到的類星體中就有一顆。
甚至不可見形式的物質，如暗物質，也可以通過分析它們所造成的光波畸變而“看到”。用這種方法，人們可以湊成一些顯示宇宙中暗物質分布情況的“地圖”。由於愛因斯坦透鏡作用會歪曲星係團，造成大的弧形（而不是環形），這就有可能對這些星係團中暗物質的分布情況進行估計。1986年，國家光學天文台（National Optical Astronomy Observatory）、斯坦福大學以及法國南比利牛斯天文台（Midi 2 Pyrenees Observatory）發現了首批巨大的星係弧（galactic arcs）。從那以後，已經發現了大約100個星係弧，其中最令人驚歎的是在Abell 2218星係團中。
愛因斯坦透鏡還可以被當做一種獨立的方法，對宇宙中MACHOs（重的緊湊的光環物體，包括死恒星、黃矮星和塵埃雲）的數量進行測量。1986年，普林斯頓大學的波丹·帕欽斯基（Bohdan Paczynski）意識到，如果MACHOs在恒星麵前經過的話，它會放大它的亮度，造成第二個圖像。