廣義相對論成功解釋了水星近日點進動、光線偏折、引力紅移,這讓很多人對牛頓理論產生了三大誤解,他們認為牛頓理論並不能解釋上述三個現象,但事實卻恰恰相反。
水星近日點進動
事實上,行星的軌道並不是封閉的。由於水星離太陽較近,它近日點的進動會更明顯。每一百年,水星近日點進動的測量值為5600.73''。這個數值並不是全部由太陽的廣義相對論效應引起的,物理學家根據行星的歲差和其它行星的引力攝動,利用牛頓理論預測了5557.62''的進動值,還餘下了大約43''無法得到解釋。
如果物理學家沒有對此深究,那麼該問題就到此為止了。因為每一百年才43''的差值可以看成是小於1%的誤差,這在理論上是可以接受的。所以,牛頓理論是可以解釋水星近日點進動的。但是,問題在於,這小差值對應的直線距離太大了,物理學家無法忽略,這也就是廣義相對論大顯身手的地方。
我在前面的文章(廣義相對論中的行星軌道方程)也計算了牛頓理論和廣義相對論所對應的行星軌道方程。我們可以看到,廣義相對論的結果比牛頓理論的結果多了一個附加項,而這一項剛好可以解釋43''的差值。除此之外,前面的項還要依靠牛頓理論計算更加方便。
光線偏折
廣義相對論認為,太陽的存在使時空發生了彎曲,零測地線不再是直線,從而無窮遠處的觀察者會覺得光的運動發生了偏折,不再是直線。1919年,愛丁頓利用日全食的機會進行了光線偏折實驗,得到了1.89''的結果,支援了愛因斯坦的廣義相對論。
那麼,牛頓理論是如何預測光線偏折的呢?牛頓理論認為,太陽附近的時空仍然是平直的,並且光是一種粒子,也會受到引力的作用。當光子從太陽附近經過時,太陽對它的引力充當向心力,使它的運動方向發生了改變,從而我們看到了光的偏折。
雖然牛頓理論可以這麼解釋光線偏折,但是它計算出來的結果卻比實際測量值少了一半。如果大家感興趣,我也可以出一篇廣義相對論和牛頓理論關於光線偏折的計算。
引力紅移
廣義相對論認為,引力紅移的產生是因為時空幾何,時空曲率大的地方鍾走得更慢,造成了光的紅移。而牛頓理論認為,光是一種粒子,在引力場中向上運動,它的動能就會向勢能轉換,而動能的減少會造成紅移。
從二者的計算結果來看,它們在GM/c²R的一級近似之下是一致的,只有在二級近似之下才會表現出差異。不過,當時的天文觀測水平只能測得到一級近似,因此不能分辨哪種理論更正確。不過,在用牛頓理論計算時,使用了“引力質量和慣性質量相等”的假設,也從側面支援了廣義相對論的基本假設——等效原理。