2016 年 2 月，世界發生了永久性的改變，當時 LIGO 合作組織宣布了一項革命性的訊息，徹底改變了我們對宇宙的看法。距離我們超過十億光年，兩個質素分別為 36 倍和 29 倍太陽質素的巨大黑洞相互吸積並合並。合並後形成的是一個質素為 62 倍太陽質素的黑洞，其余 3 倍太陽質素則透過愛因斯坦的E = mc²轉化為純能量，以重力波的形式在整個宇宙中傳播。從此再沒有人能夠懷疑重力波的物理真實性，其中包括以下事實：
· 它們是如何生產的，
· 它們毫無疑問地在整個宇宙中攜帶著能量，
· 並且它們的運動速度為理論預測的速度c，也就是真空中的光速。
從那時起，LIGO 就加入了 Virgo 等其他重力波探測器的行列，探測次數已上升到三位數，並見證了中子星合並和黑洞合並，探測到的物體質素範圍幾乎翻了 100 倍。重力波現在無疑是真實存在的，觀測重力波的過程讓我們對宇宙有了大量的了解。但所有這些資訊仍然只是探索了我們經典重力理論——廣義相對論的預測。
如果量子物理學是正確的，那麽波粒二象性就一定是真實存在的，即使對於重力波也是如此。
該圖可追溯到 19 世紀初杜文·楊 (Thomas Young) 的作品，是展示從 A 點和 B 點的波源產生的相長幹涉和相消幹涉的最古老的影像之一。該圖與雙縫實驗的物理設定完全相同，盡管它同樣適用於透過水槽傳播的水波。
毫不誇張地說，波粒二象性是迄今為止發現的最奇怪的量子現象之一。波和粒子的獨立概念最初很簡單：物質由粒子組成，比如原子及其成分，而輻射由波組成。你可以判斷某個東西是粒子，因為那些東西會表現出碰撞和與其他粒子反彈的行為，有時它們會粘在一起形成複合粒子，碰撞的粒子經常會交換能量和動量，有時它們可以產生導致其他粒子發射的束縛態等等。
類似地，你可以判斷某種東西是否是波，因為它會表現出波狀現象，例如繞射和幹涉，既與其他波發生幹涉，也與自身發生幹涉。牛頓對光的認識是片面的，他認為光是由粒子組成的，但其他人，如惠更斯（他的同時代人）以及 19 世紀早期的科學家，如楊、菲涅爾和阿拉戈明確地表明，光表現出的內容如果不將其視為波，就無法解釋。
幹涉可能是所有波狀現象中最明顯的一種，當光線穿過雙縫時就會出現幹涉。背景螢幕上顯示的圖案表明光線既發生建設性幹涉（導致亮點），又發生破壞性幹涉（導致暗點）。
電子一次穿過雙縫時的波形。如果你測量電子穿過「哪條縫」，就會破壞此處顯示的量子幹涉圖樣。然而，只要電子的德布羅意波長小於它們穿過的縫隙的尺寸，波狀行為就會保持。這種波狀和粒子狀行為已在電子、光子甚至更大的復合實體中得到證實。
這種幹涉現象是波狀行為的獨特產物。雙縫實驗以及隨後更復雜的類似實驗證實了光是一種波。到 19 世紀末，人們已經很清楚地認識到，有些東西表現出波狀特性，如光、聲音和流體，而另一些東西則表現出粒子狀特性。
然而，隨著光電效應的發現，這兩種行為之間的區別在 20 世紀初變得更加混亂。當你用光照射某種材料時，偶爾會有電子被光「踢出」。
然而，光電效應的詳細原理表明，激發電子的不是光的累積能量（或強度），而是光的特定波長（或能量）成分。如果你讓激發電子的光位元定閾值更紅（因此能量更低）——即使你讓光照射任意長的時間，光也不會激發任何電子。但是，如果你讓光比同一特定「電離」閾值更藍（即能量更高的光），即使你將強度調低，你仍然會激發電子。此後不久，我們發現光被量化為光子，即使是單個光子也可以像粒子一樣電離電子（如果它們的能量合適的話）。
該圖顯示了鋅原子中電子的能量與光子能量的關系，表明在特定頻率（或能量）以下，鋅原子不會發射出任何光子。這與強度無關。但是，在特定能量閾值以上（波長足夠短），光子總會發射出電子。隨著電離光子能量的不斷增加，電子會以越來越快的速度被彈射出去。
到了 20 世紀，我們發現了更奇怪的事實：
· 當單個光子逐個穿過雙縫時，它們仍然會發生自身幹涉，產生與波的性質一致的圖案。
· 電子被認為是粒子，也表現出這種幹涉和繞射圖案。
· 複合粒子，甚至是微小的生物體，在透過雙縫時都會發生相互幹擾。
· 然而，如果你測量光子或電子穿過了哪個狹縫，你根本就得不到幹涉圖樣。只有你不進行測量，你才會得到幹涉圖樣。
似乎我們觀察到的每一個粒子都可以被描述為波和粒子。量子物理學的重大教訓不是事物本質上要麽是「波」要麽是「粒子」，而是它告訴我們，我們需要將所有物體視為波和粒子，這取決於所考慮場景的物理環境。如果我們堅持將一種現象 100% 的時間都視為「波」或「粒子」，我們根本無法得到與實驗一致的結果。
重力波事件 GW190521 的訊號，當時所有三個活躍的重力波探測器都看到了它：LIGO 漢福德、LIGO 利雲斯頓和 Virgo。整個訊號持續時間僅為約 13 毫秒，但代表了透過愛因斯坦的 E = mc² 轉換為純能量的 8 個太陽質素的能量。這是有史以來直接觀測到的最大質素黑洞-黑洞合並之一。原始數據和理論預測都顯示在前 3 個面板中，它們的匹配程度令人難以置信，清楚地顯示了波浪狀圖案的存在。
現在，我們終於可以開始考慮重力波了。就物理學而言，重力波是獨一無二的，因為我們只看到了它們波狀的部份，從未看到過粒子部份。這是因為，盡管我們經常假設現實本質上是量子的，但我們從未能夠對重力進行測試，以確定它是否表現出這種固有的量子行為。
然而，就像水波是由粒子組成的波一樣，我們完全可以預料到重力波也是由粒子組成的。當你看到池塘裏的漣漪、海洋裏的波浪，或者跳進遊泳池的人濺起的水花時，你顯然是在宏觀上觀察一種類似波浪的現象。但從微觀上講，水是由單個分子組成的，它們數量巨大，而且相互作用。只有從它們的綜合運動中，所有的運動加在一起，才能出現類似波浪的行為。
對於重力，組成重力波（與水波相反）的粒子應該是重力子（而不是水分子），在所有已知的可以給出重力量子理論的理論下，重力子是傳遞重力的粒子。重力是自然界固有的量子力，因此重力子完全可以作為重力的結果出現，正如光由光子組成一樣，重力波也應該由重力子組成。
一系列沿圓形路徑移動的粒子似乎可以產生宏觀的波浪幻覺。同樣，以特定模式移動的單個水分子可以產生宏觀水波，單個光子可以產生我們感知為光波的現象，而我們看到的重力波很可能是由組成它們的單個量子粒子構成的。（
因為它是一種波，而且人們觀察到這種波的行為與廣義相對論的預測完全一致，其中包括：
· 在螺旋階段，
· 在合並階段，以及
· 在振鈴階段，
我們可以放心地推斷，它將繼續產生廣義相對論所預測的所有波狀現象。它們在細節上與我們習慣的其他波略有不同：它們不是像水波那樣的純量波，也不是像光那樣的向量波，光中存在同相、振蕩的電場和磁場。
這些波浪與任何類別的波浪都有很多相同的作用，包括
· 它們以特定的速度透過介質傳播（光速，透過空間結構本身），
· 它們會以建設性和破壞性的方式幹擾空間中的任何其他漣漪，
· 這些波「騎」在已經存在的其他時空曲率之上，
· 如果有某種方法可以使這些波發生繞射——比如透過繞過黑洞等強重力源——它們就會發生繞射。
此外，隨著宇宙的膨脹，我們知道這些波將會做膨脹宇宙中所有波所做的事——隨著宇宙背景空間的膨脹而伸展和膨脹。
隨著宇宙結構的膨脹，任何存在的輻射波長都會被拉長。這既適用於重力波，也適用於電磁波；隨著宇宙的膨脹，任何形式的輻射的波長都會被拉長（並損失能量）。當我們觀察任何在膨脹的宇宙中傳播了很長時間的輻射時，到達的輻射，無論是電磁輻射還是重力輻射，都會被拉長到更長的波長和更低的能量。
那麽，真正的問題是，我們如何檢驗這一想法的「量子」部份？我們如何尋找重力波的「粒子」性質？
理論上，重力波類似於之前的影像，該影像顯示了由許多移動的粒子產生的表觀波，而這些粒子就是重力子，整體表觀波是 LIGO 探測到的。我們有充分的理由期待存在一種重力子，而且它具有以下性質：
· 自旋為 2 ，
· 沒有質素，
· 以光速傳播，
· 並且只能透過重力相互作用。
雖然 LIGO 和其他重力波觀測站不太可能在目前的狀態下進行任何測試，但實際上還是有不少機會進行此類測試的。量子重力效應在距離極小的地方有強重力場時最強烈、最明顯。除了合並黑洞，還有什麽更好的工具可以探測這種狀態呢？
當兩個奇異點合並在一起時，這些量子效應（應該與廣義相對論不同）將在合並時、合並行生之前（螺旋階段結束時）和合並行生之後（振鈴階段開始時）顯現出來。實際上，我們正在研究探測皮秒時間尺度，而不是 LIGO 敏感的微秒到毫秒時間尺度，這將需要重力波實驗在時間域靈敏度方面取得巨大進步。
這在物理上是不可能的嗎？不一定。記住，LIGO 是由激光驅動的，激光穿過真空腔，在鏡子上反射數千次，然後重建並重新組合。現在考慮這個事實：我們已經開發出在飛秒甚至阿秒（10^-15 秒到 10^-18 秒）時間範圍內工作的激光脈沖，因此，如果我們有足夠多的幹涉儀同時執行，我們可以對相對論的微小偏差敏感。這需要技術上的巨大飛躍，包括大量的幹涉儀，以及顯著降低噪音和提高靈敏度。但這在技術上並非不可能；只是技術上很難！
從低功率激光脈沖開始，你可以將其拉伸，降低其功率，然後將其放大，而不會損壞放大器，然後再次壓縮，從而產生比原本可能的更高功率、更短周期的脈沖。就激光而言，我們現在已經從飛秒（~10^-15 秒）時代過渡到阿秒（10^-18 秒）物理學時代。
盡管我們有充分的理由相信重力波只是電磁波的量子類別似物，但與電磁光子不同，我們尚未應對直接探測重力波對應物重力粒子（理論重力子）的技術挑戰。雖然目前的重力波探測器還沒有時間域靈敏度來探測黑洞與黑洞合並前後可能出現的任何量子重力效應，但這並非技術或理論上的不可能。
理論家仍在計算可能出現的獨特量子效應，並與實驗者合作設計量子重力的桌面測試，與此同時，重力波天文學家也在思考未來一代探測器有朝一日如何揭示這些波的量子性質。雖然我們預計重力波會表現出波粒二象性，但在我們探測到它之前，我們無法確定。希望我們的好奇心能迫使我們投入其中，希望大自然能如我們所願，希望我們能一勞永逸地找到答案！
