廣義相對論的三個經典實驗，有力地驗證了它的正確性！

1905年，愛因斯坦發表了狹義相對論。愛因斯坦利用歸納的方法，將光速不變現象提升為光速不變原理，從而認為所有的參照系都具有相同的物理意義。為了實現這一點，愛因斯坦修改了長度、時間和質量的概念，使這些原本不變的概念隨著物體運動速度的提高而發生了相應的變化。

不過，狹義相對論只是一個不完備的物理理論。因為，在現實世界，不僅具有速度，而且還有加速度；不僅存在著作為物理背景的空間，而且空間的分布還受到了物質的影響。

于是，愛因斯坦繼續運用歸納法，將不同概念的引力質量和慣性質量的表觀等價提升為等效原理，規定這兩個概念是完全相同的。于是，作為物理對象的物質與作為物理背景的空間建立起了有機的聯系。空間可以影響包括光子在內的任何物體的運動行為，而物質也可以使空間產生幾何彎曲。由此，使人類的認識發生了巨大的轉變，由原來機械的世界觀轉變為幾何的世界觀。

這實際上是使人類的認識，產生了格式塔的轉變。對于這一轉變，人們需要由實驗來予以證實和推動的。早期，驗證廣義相對論的實驗有三個，它們是水星剩余進動、光線彎曲和引力紅移。這三個實驗對于廣義相對論的驗證起到了至關重要的作用，因而被稱為廣義相對論的三個經典實驗。

水星與太陽

水星是距離太陽最近的行星，而且具有較大的偏心率，即橢圓軌道的最短距離與最長距離的比值較小。天文學家們早在十九世紀初就發現水星每繞太陽一圈，其最長距離與太陽的連線會前進一個角度。在物理上，該角度被稱為進動。經過對歷史觀測資料的統計，發現水星每世紀有5600秒的進動。根據經典力學的計算，將各種天體對水星攝動所產生的進動排除之后，意外地發現還有43秒的進動無法獲得解釋。這就是著名的水星剩余進動。

當時經典力學正處于鼎盛時代，無數科學家們希望以此為契機，再次做出重大的發現。于是，在這之后幾十年的時間里，科學家們陸續提出了上百個產生這43秒進動的物理因素，比如存在小行星和太陽扁率等。然而，這些理論，要么不能獨自解釋水星的43秒進動，要么該解釋還會進一步要求金星和地球等行星也產生顯著的進動，而這是與實際的觀測所不相符的。于是，這一尋找解釋水星剩余進動的工作陷入了困境之中。

于是，作為一個新的物理理論，廣義相對論首當其沖的，就是要解決水星剩余進動的問題。最初，由于計算錯誤，愛因斯坦在廣義相對論中得出的水星進動只有43秒的1/3。然而，功夫不負有心人，愛因斯坦于1916年終于計算出了43秒的水星進動。于是，水星剩余進動實驗被認為是廣義相對論獲得驗證的第一個實驗。

不過，事情并不那么簡單。當時，有科學家提出，即然引起水星進動的原因是多種多樣的，為什么水星剩余進動的43秒不是兩種以上的因素復合產生的呢？比如，美國物理學家迪克于上個世紀60年代提出了新的物理理論，可以解釋40秒的水星進動。于是，如果太陽的扁率只要能夠每世紀產生3秒的進動，就證明迪克的理論是正確的。不過，此時已為時已晚，廣義相對論已經取得了背景理論的資格，其地位已不容動搖。而且，科學家們奉行奧卡姆剃刀原則，能夠用一個理論說明的，就不需要多個理論予以解釋。

沒有太陽的天空

光線彎曲是愛因斯坦真正預言的第一個實驗，也是使廣義相對論獲得認可的關鍵實驗。該實驗的原理是，借助日蝕在太陽的一側拍攝一張照片，將太陽背景后面的各種星光拍攝下來。然后，再等半年的時間，當地球轉到了太陽的前面，在沒有太陽的情況下，對著同一天區再拍攝一張照片。將兩張照片相互比對，把同一星光在不同照片上的位移記錄下來。如果，光線經過太陽確實產生了彎曲現象，則每一個星光都會向中心的位置有一個位移。

實際上，這個實驗是非常難做的，不僅需要借助日蝕拍攝，而且為避免日冕的影響，只能選取距離太陽較遠的星光（10個太陽直徑以外的距離），但是又不能太遠（20個太陽直徑以內的距離），否則的話，光線彎曲的效應太小，被其他背景因素所掩蓋。

于是，實驗得出的結果，并不是直接的數值，而是一堆需要統計的數據。對于這些數據的統計有兩種不同的做法，其一是絕對法，即直接統計兩張照片上的差異；其二是相對法，即假定在照片邊緣的星光是沒有位移的。然而，實際觀測到的圖像顯示是有位移的，需要將邊緣的星光位移調整為零。之后，再根據調整的尺度，依次調整其他星光的位移。之所以要這么做的原因，是由于乳膠照片在干的過程中，會向中心收縮產生星光的位移，需要將此因素通過相對法予以排除。

不幸的是，上述兩種統計結果是不一樣的，至少相差10%以上。然而，幸運的是，進行該實驗的主持人，是大力支持廣義相對論的愛丁頓。于是，經過統計和修正的實驗結果基本上符合愛因斯坦的預言；于是，廣義相對論被認為獲得了驗證。并且，由于光線彎曲與人們原有的直線運動形成了鮮明的對比，從而使愛因斯坦一夜成名。

實際上，面對同一個實驗，可以有多種理論予以解釋。光線彎曲真正的意義并不在于具體的數值，而是在觀念上承認光的粒子性，承認光也是具有質量的。在廣義相對論提出之前，人們并沒有想到光線可以被物質吸引，產生彎曲現象。實際上，只要把光當作有質量的粒子，牛頓的萬有引力也同樣可以計算出光線彎曲效應。

只是，當時的計算僅考慮了引力的橫向效應，因而只有廣義相對論預言的一半，使光線彎曲實驗具有了判別作用。然而，如果進一步考慮引力的縱向效應，將引力場視為密度較小的介質空間，則越是接近引力場，光的等效速度就越大；反之，越是離開引力場，則光的等效速度就越小。于是，會產生類似折射效應（引力透鏡效應），使萬有引力計算的結果與廣義相對論是完全一樣的，都是1.75秒的彎曲度。

引力紅移是廣義相對的第三個經典實驗，也是最不順利的實驗，因為這一效應實在是太小了，只有百萬分之一的量級。其基本原理是，每一個原子的光譜都是相同的。因此，我們可以根據光譜來判定太陽上的元素是什么。由于引力場的作用，當光子離開太陽時，需要克服太陽的引力，使光子的能量部分地轉移給了空間，所以光子的頻率降低了，這就是引力紅移現象。

這一實驗最初是對太陽進行觀測的，其結果是不利于廣義相對論的。后來，又陸續進行了多次觀測，但是觀測的效果始終都不理想。最后，把該實驗搬到了質量較大的白矮星上。不過，質量雖然大了，可以獲得較大的紅移量。但是，新的問題又產生了。距離的遙遠，使得其他的物理參數變得不那么確定了。

白矮星

比如，白矮星的質量和速度以及光線遠距離傳播對光的頻率的影響，都具有一定的不確定性。此實驗一直持續到了上世紀60年代，在愛因斯坦已經去世以及廣義相對獲得廣泛承認的情況下，總算是驗證了廣義相對論。

通過以上的介紹，我們可以看出，實驗的驗證作用是受到限制的，并不具有絕對性。首先，由于超出宏觀范圍，受到了未知因素的限制。在我們把所有的未知因素全部一一排除之前，實驗是無法絕對地驗證理論的。其次，受到了其他理論的限制，同一個實驗可以由多個不同的理論予以解釋。所以，實驗只能幫助我們選擇理論，但卻無法證明理論的正確。

因此，實驗與理論是相輔相成的關系。如果兩者彼此互為促進，則理論處于進步的狀態；反之，則理論處于退步的狀態，需要由新的理論予以取代。