1905年，愛因斯坦發(fā)表了狹義相對(duì)論。愛因斯坦利用歸納的方法，將光速不變現(xiàn)象提升為光速不變?cè)?，從而認(rèn)為所有的參照系都具有相同的物理意義。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，愛因斯坦修改了長(zhǎng)度、時(shí)間和質(zhì)量的概念，使這些原本不變的概念隨著物體運(yùn)動(dòng)速度的提高而發(fā)生了相應(yīng)的變化。

不過(guò)，狹義相對(duì)論只是一個(gè)不完備的物理理論。因?yàn)?，在現(xiàn)實(shí)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(zhì)的影響。

于是，愛因斯坦繼續(xù)運(yùn)用歸納法，將不同概念的引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量的表觀等價(jià)提升為等效原理，規(guī)定這兩個(gè)概念是完全相同的。于是，作為物理對(duì)象的物質(zhì)與作為物理背景的空間建立起了有機(jī)的聯(lián)系?？臻g可以影響包括光子在內(nèi)的任何物體的運(yùn)動(dòng)行為，而物質(zhì)也可以使空間產(chǎn)生幾何彎曲。由此，使人類的認(rèn)識(shí)發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變，由原來(lái)機(jī)械的世界觀轉(zhuǎn)變?yōu)閹缀蔚氖澜缬^。

這實(shí)際上是使人類的認(rèn)識(shí)，產(chǎn)生了格式塔的轉(zhuǎn)變。對(duì)于這一轉(zhuǎn)變，人們需要由實(shí)驗(yàn)來(lái)予以證實(shí)和推動(dòng)的。早期，驗(yàn)證廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)有三個(gè)，它們是水星剩余進(jìn)動(dòng)、光線彎曲和引力紅移。這三個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)于廣義相對(duì)論的驗(yàn)證起到了至關(guān)重要的作用，因而被稱為廣義相對(duì)論的三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。

水星與太陽(yáng)

水星是距離太陽(yáng)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(zhǎng)距離的比值較小。天文學(xué)家們?cè)缭谑攀兰o(jì)初就發(fā)現(xiàn)水星每繞太陽(yáng)一圈，其最長(zhǎng)距離與太陽(yáng)的連線會(huì)前進(jìn)一個(gè)角度。在物理上，該角度被稱為進(jìn)動(dòng)。經(jīng)過(guò)對(duì)歷史觀測(cè)資料的統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)水星每世紀(jì)有5600秒的進(jìn)動(dòng)。根據(jù)經(jīng)典力學(xué)的計(jì)算，將各種天體對(duì)水星攝動(dòng)所產(chǎn)生的進(jìn)動(dòng)排除之后，意外地發(fā)現(xiàn)還有43秒的進(jìn)動(dòng)無(wú)法獲得解釋。這就是著名的水星剩余進(jìn)動(dòng)。

當(dāng)時(shí)經(jīng)典力學(xué)正處于鼎盛時(shí)代，無(wú)數(shù)科學(xué)家們希望以此為契機(jī)，再次做出重大的發(fā)現(xiàn)。于是，在這之后幾十年的時(shí)間里，科學(xué)家們陸續(xù)提出了上百個(gè)產(chǎn)生這43秒進(jìn)動(dòng)的物理因素，比如存在小行星和太陽(yáng)扁率等。然而，這些理論，要么不能獨(dú)自解釋水星的43秒進(jìn)動(dòng)，要么該解釋還會(huì)進(jìn)一步要求金星和地球等行星也產(chǎn)生顯著的進(jìn)動(dòng)，而這是與實(shí)際的觀測(cè)所不相符的。于是，這一尋找解釋水星剩余進(jìn)動(dòng)的工作陷入了困境之中。

于是，作為一個(gè)新的物理理論，廣義相對(duì)論首當(dāng)其沖的，就是要解決水星剩余進(jìn)動(dòng)的問(wèn)題。最初，由于計(jì)算錯(cuò)誤，愛因斯坦在廣義相對(duì)論中得出的水星進(jìn)動(dòng)只有43秒的1/3。然而，功夫不負(fù)有心人，愛因斯坦于1916年終于計(jì)算出了43秒的水星進(jìn)動(dòng)。于是，水星剩余進(jìn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)被認(rèn)為是廣義相對(duì)論獲得驗(yàn)證的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

不過(guò)，事情并不那么簡(jiǎn)單。當(dāng)時(shí)，有科學(xué)家提出，即然引起水星進(jìn)動(dòng)的原因是多種多樣的，為什么水星剩余進(jìn)動(dòng)的43秒不是兩種以上的因素復(fù)合產(chǎn)生的呢？比如，美國(guó)物理學(xué)家迪克于上個(gè)世紀(jì)60年代提出了新的物理理論，可以解釋40秒的水星進(jìn)動(dòng)。于是，如果太陽(yáng)的扁率只要能夠每世紀(jì)產(chǎn)生3秒的進(jìn)動(dòng)，就證明迪克的理論是正確的。不過(guò)，此時(shí)已為時(shí)已晚，廣義相對(duì)論已經(jīng)取得了背景理論的資格，其地位已不容動(dòng)搖。而且，科學(xué)家們奉行奧卡姆剃刀原則，能夠用一個(gè)理論說(shuō)明的，就不需要多個(gè)理論予以解釋。

沒有太陽(yáng)的天空

光線彎曲是愛因斯坦真正預(yù)言的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)，也是使廣義相對(duì)論獲得認(rèn)可的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)的原理是，借助日蝕在太陽(yáng)的一側(cè)拍攝一張照片，將太陽(yáng)背景后面的各種星光拍攝下來(lái)。然后，再等半年的時(shí)間，當(dāng)?shù)厍蜣D(zhuǎn)到了太陽(yáng)的前面，在沒有太陽(yáng)的情況下，對(duì)著同一天區(qū)再拍攝一張照片。將兩張照片相互比對(duì)，把同一星光在不同照片上的位移記錄下來(lái)。如果，光線經(jīng)過(guò)太陽(yáng)確實(shí)產(chǎn)生了彎曲現(xiàn)象，則每一個(gè)星光都會(huì)向中心的位置有一個(gè)位移。

實(shí)際上，這個(gè)實(shí)驗(yàn)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(yáng)較遠(yuǎn)的星光（10個(gè)太陽(yáng)直徑以外的距離），但是又不能太遠(yuǎn)（20個(gè)太陽(yáng)直徑以內(nèi)的距離），否則的話，光線彎曲的效應(yīng)太小，被其他背景因素所掩蓋。

于是，實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果，并不是直接的數(shù)值，而是一堆需要統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)。對(duì)于這些數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)有兩種不同的做法，其一是絕對(duì)法，即直接統(tǒng)計(jì)兩張照片上的差異；其二是相對(duì)法，即假定在照片邊緣的星光是沒有位移的。然而，實(shí)際觀測(cè)到的圖像顯示是有位移的，需要將邊緣的星光位移調(diào)整為零。之后，再根據(jù)調(diào)整的尺度，依次調(diào)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(guò)程中，會(huì)向中心收縮產(chǎn)生星光的位移，需要將此因素通過(guò)相對(duì)法予以排除。

不幸的是，上述兩種統(tǒng)計(jì)結(jié)果是不一樣的，至少相差10%以上。然而，幸運(yùn)的是，進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)的主持人，是大力支持廣義相對(duì)論的愛丁頓。于是，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)和修正的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本上符合愛因斯坦的預(yù)言；于是，廣義相對(duì)論被認(rèn)為獲得了驗(yàn)證。并且，由于光線彎曲與人們?cè)械闹本€運(yùn)動(dòng)形成了鮮明的對(duì)比，從而使愛因斯坦一夜成名。

實(shí)際上，面對(duì)同一個(gè)實(shí)驗(yàn)，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(shù)值，而是在觀念上承認(rèn)光的粒子性，承認(rèn)光也是具有質(zhì)量的。在廣義相對(duì)論提出之前，人們并沒有想到光線可以被物質(zhì)吸引，產(chǎn)生彎曲現(xiàn)象。實(shí)際上，只要把光當(dāng)作有質(zhì)量的粒子，牛頓的萬(wàn)有引力也同樣可以計(jì)算出光線彎曲效應(yīng)。

只是，當(dāng)時(shí)的計(jì)算僅考慮了引力的橫向效應(yīng)，因而只有廣義相對(duì)論預(yù)言的一半，使光線彎曲實(shí)驗(yàn)具有了判別作用。然而，如果進(jìn)一步考慮引力的縱向效應(yīng)，將引力場(chǎng)視為密度較小的介質(zhì)空間，則越是接近引力場(chǎng)，光的等效速度就越大；反之，越是離開引力場(chǎng)，則光的等效速度就越小。于是，會(huì)產(chǎn)生類似折射效應(yīng)（引力透鏡效應(yīng)），使萬(wàn)有引力計(jì)算的結(jié)果與廣義相對(duì)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(duì)的第三個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，也是最不順利的實(shí)驗(yàn)，因?yàn)檫@一效應(yīng)實(shí)在是太小了，只有百萬(wàn)分之一的量級(jí)。其基本原理是，每一個(gè)原子的光譜都是相同的。因此，我們可以根據(jù)光譜來(lái)判定太陽(yáng)上的元素是什么。由于引力場(chǎng)的作用，當(dāng)光子離開太陽(yáng)時(shí)，需要克服太陽(yáng)的引力，使光子的能量部分地轉(zhuǎn)移給了空間，所以光子的頻率降低了，這就是引力紅移現(xiàn)象。

這一實(shí)驗(yàn)最初是對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行觀測(cè)的，其結(jié)果是不利于廣義相對(duì)論的。后來(lái)，又陸續(xù)進(jìn)行了多次觀測(cè)，但是觀測(cè)的效果始終都不理想。最后，把該實(shí)驗(yàn)搬到了質(zhì)量較大的白矮星上。不過(guò)，質(zhì)量雖然大了，可以獲得較大的紅移量。但是，新的問(wèn)題又產(chǎn)生了。距離的遙遠(yuǎn)，使得其他的物理參數(shù)變得不那么確定了。

白矮星

比如，白矮星的質(zhì)量和速度以及光線遠(yuǎn)距離傳播對(duì)光的頻率的影響，都具有一定的不確定性。此實(shí)驗(yàn)一直持續(xù)到了上世紀(jì)60年代，在愛因斯坦已經(jīng)去世以及廣義相對(duì)獲得廣泛承認(rèn)的情況下，總算是驗(yàn)證了廣義相對(duì)論。

通過(guò)以上的介紹，我們可以看出，實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證作用是受到限制的，并不具有絕對(duì)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(shí)驗(yàn)是無(wú)法絕對(duì)地驗(yàn)證理論的。其次，受到了其他理論的限制，同一個(gè)實(shí)驗(yàn)可以由多個(gè)不同的理論予以解釋。所以，實(shí)驗(yàn)只能幫助我們選擇理論，但卻無(wú)法證明理論的正確。

因此，實(shí)驗(yàn)與理論是相輔相成的關(guān)系。如果兩者彼此互為促進(jìn)，則理論處于進(jìn)步的狀態(tài)；反之，則理論處于退步的狀態(tài)，需要由新的理論予以取代。