广义相对论的三个经典实验，有力地验证了它的正确性！

1905年，爱因斯坦发表了狭义相对论。爱因斯坦利用归纳的方法，将光速不变现象提升为光速不变原理，从而认为所有的参照系都具有相同的物理意义。为了实现这一点，爱因斯坦修改了长度、时间和质量的概念，使这些原本不变的概念随着物体运动速度的提高而发生了相应的变化。

不过，狭义相对论只是一个不完备的物理理论。因为，在现实世界，不仅具有速度，而且还有加速度；不仅存在着作为物理背景的空间，而且空间的分布还受到了物质的影响。

于是，爱因斯坦继续运用归纳法，将不同概念的引力质量和惯性质量的表观等价提升为等效原理，规定这两个概念是完全相同的。于是，作为物理对象的物质与作为物理背景的空间建立起了有机的联系。空间可以影响包括光子在内的任何物体的运动行为，而物质也可以使空间产生几何弯曲。由此，使人类的认识发生了巨大的转变，由原来机械的世界观转变为几何的世界观。

这实际上是使人类的认识，产生了格式塔的转变。对于这一转变，人们需要由实验来予以证实和推动的。早期，验证广义相对论的实验有三个，它们是水星剩余进动、光线弯曲和引力红移。这三个实验对于广义相对论的验证起到了至关重要的作用，因而被称为广义相对论的三个经典实验。

水星与太阳

水星是距离太阳最近的行星，而且具有较大的偏心率，即椭圆轨道的最短距离与最长距离的比值较小。天文学家们早在十九世纪初就发现水星每绕太阳一圈，其最长距离与太阳的连线会前进一个角度。在物理上，该角度被称为进动。经过对历史观测资料的统计，发现水星每世纪有5600秒的进动。根据经典力学的计算，将各种天体对水星摄动所产生的进动排除之后，意外地发现还有43秒的进动无法获得解释。这就是著名的水星剩余进动。

当时经典力学正处于鼎盛时代，无数科学家们希望以此为契机，再次做出重大的发现。于是，在这之后几十年的时间里，科学家们陆续提出了上百个产生这43秒进动的物理因素，比如存在小行星和太阳扁率等。然而，这些理论，要么不能独自解释水星的43秒进动，要么该解释还会进一步要求金星和地球等行星也产生显著的进动，而这是与实际的观测所不相符的。于是，这一寻找解释水星剩余进动的工作陷入了困境之中。

于是，作为一个新的物理理论，广义相对论首当其冲的，就是要解决水星剩余进动的问题。最初，由于计算错误，爱因斯坦在广义相对论中得出的水星进动只有43秒的1/3。然而，功夫不负有心人，爱因斯坦于1916年终于计算出了43秒的水星进动。于是，水星剩余进动实验被认为是广义相对论获得验证的第一个实验。

不过，事情并不那么简单。当时，有科学家提出，即然引起水星进动的原因是多种多样的，为什么水星剩余进动的43秒不是两种以上的因素复合产生的呢？比如，美国物理学家迪克于上个世纪60年代提出了新的物理理论，可以解释40秒的水星进动。于是，如果太阳的扁率只要能够每世纪产生3秒的进动，就证明迪克的理论是正确的。不过，此时已为时已晚，广义相对论已经取得了背景理论的资格，其地位已不容动摇。而且，科学家们奉行奥卡姆剃刀原则，能够用一个理论说明的，就不需要多个理论予以解释。

没有太阳的天空

光线弯曲是爱因斯坦真正预言的第一个实验，也是使广义相对论获得认可的关键实验。该实验的原理是，借助日蚀在太阳的一侧拍摄一张照片，将太阳背景后面的各种星光拍摄下来。然后，再等半年的时间，当地球转到了太阳的前面，在没有太阳的情况下，对着同一天区再拍摄一张照片。将两张照片相互比对，把同一星光在不同照片上的位移记录下来。如果，光线经过太阳确实产生了弯曲现象，则每一个星光都会向中心的位置有一个位移。

实际上，这个实验是非常难做的，不仅需要借助日蚀拍摄，而且为避免日冕的影响，只能选取距离太阳较远的星光（10个太阳直径以外的距离），但是又不能太远（20个太阳直径以内的距离），否则的话，光线弯曲的效应太小，被其他背景因素所掩盖。

于是，实验得出的结果，并不是直接的数值，而是一堆需要统计的数据。对于这些数据的统计有两种不同的做法，其一是绝对法，即直接统计两张照片上的差异；其二是相对法，即假定在照片边缘的星光是没有位移的。然而，实际观测到的图像显示是有位移的，需要将边缘的星光位移调整为零。之后，再根据调整的尺度，依次调整其他星光的位移。之所以要这么做的原因，是由于乳胶照片在干的过程中，会向中心收缩产生星光的位移，需要将此因素通过相对法予以排除。

不幸的是，上述两种统计结果是不一样的，至少相差10%以上。然而，幸运的是，进行该实验的主持人，是大力支持广义相对论的爱丁顿。于是，经过统计和修正的实验结果基本上符合爱因斯坦的预言；于是，广义相对论被认为获得了验证。并且，由于光线弯曲与人们原有的直线运动形成了鲜明的对比，从而使爱因斯坦一夜成名。

实际上，面对同一个实验，可以有多种理论予以解释。光线弯曲真正的意义并不在于具体的数值，而是在观念上承认光的粒子性，承认光也是具有质量的。在广义相对论提出之前，人们并没有想到光线可以被物质吸引，产生弯曲现象。实际上，只要把光当作有质量的粒子，牛顿的万有引力也同样可以计算出光线弯曲效应。

只是，当时的计算仅考虑了引力的横向效应，因而只有广义相对论预言的一半，使光线弯曲实验具有了判别作用。然而，如果进一步考虑引力的纵向效应，将引力场视为密度较小的介质空间，则越是接近引力场，光的等效速度就越大；反之，越是离开引力场，则光的等效速度就越小。于是，会产生类似折射效应（引力透镜效应），使万有引力计算的结果与广义相对论是完全一样的，都是1.75秒的弯曲度。

引力红移是广义相对的第三个经典实验，也是最不顺利的实验，因为这一效应实在是太小了，只有百万分之一的量级。其基本原理是，每一个原子的光谱都是相同的。因此，我们可以根据光谱来判定太阳上的元素是什么。由于引力场的作用，当光子离开太阳时，需要克服太阳的引力，使光子的能量部分地转移给了空间，所以光子的频率降低了，这就是引力红移现象。

这一实验最初是对太阳进行观测的，其结果是不利于广义相对论的。后来，又陆续进行了多次观测，但是观测的效果始终都不理想。最后，把该实验搬到了质量较大的白矮星上。不过，质量虽然大了，可以获得较大的红移量。但是，新的问题又产生了。距离的遥远，使得其他的物理参数变得不那么确定了。

白矮星

比如，白矮星的质量和速度以及光线远距离传播对光的频率的影响，都具有一定的不确定性。此实验一直持续到了上世纪60年代，在爱因斯坦已经去世以及广义相对获得广泛承认的情况下，总算是验证了广义相对论。

通过以上的介绍，我们可以看出，实验的验证作用是受到限制的，并不具有绝对性。首先，由于超出宏观范围，受到了未知因素的限制。在我们把所有的未知因素全部一一排除之前，实验是无法绝对地验证理论的。其次，受到了其他理论的限制，同一个实验可以由多个不同的理论予以解释。所以，实验只能帮助我们选择理论，但却无法证明理论的正确。

因此，实验与理论是相辅相成的关系。如果两者彼此互为促进，则理论处于进步的状态；反之，则理论处于退步的状态，需要由新的理论予以取代。