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幾千年來，我們對這個變化萬千的宇宙的了解僅限於我們的行星和月亮。而對於恆星和銀河，自古以來好像沒什麼變化，或者似乎發生的變化如此之少，又如此罕見，而且如此不緊不忙，以至於我們從未注意到。但如果擦亮眼睛仔細觀察，我們就會注意到，行星不只是夜復一夜地"遊蕩"，而是以可預測的方式移動，同時會表現出順行和逆行的運動。
圖片來源：E.西格爾，從即將出版的書，超越銀河。
有兩種主要方法可以解釋它們在天空中的明顯運行模式：
要麼行星在地球周圍的由天星、順從和表皮所賦予的軌道上移動，或者行星繞著太陽移動，而地球只是其中一顆行星。近2000年來，第一種解釋一直統治著我們的思想宇宙。但是，在哥白尼在16世紀提出第二種解釋，伽利略、克卜勒和艾薩克·牛頓的著述緊隨其後，最終日心模型贏得了勝利。
圖片來源：美國宇航局/JPL-加州理工學院/R.赫特。
牛頓帶來的進展是迄今為止最大的，因為他不僅著手描述這些天體的行為——行星以橢圓圍繞太陽移動，太陽是一個焦點——還因為他加入了一種解釋這些行星行為的機制：萬能引力定律。這個定律不僅在地球上適用，而且還給出了所有天體間的引力。它解釋了為什麼衛星繞著自己的行星運行，為什麼彗星反覆出現，還經常被其他行星幹擾，為什麼我們的世界有潮汐，以及為什麼行星彼此之間不會相互幹擾，導致頻繁拋射的發生。
它還解釋了一些更微妙的影響，那些需要幾代人才能注意到。
圖片來源：維基共享資源用戶阿帕德霍瓦斯和韋爾·杜克。
如果宇宙只有兩個點質量——太陽和一顆行星——那麼那顆行星的軌道將產生一個完美的、閉合的橢圓，這樣，它每次繞太陽的旅行，都會使世界回到起始位置。但是，在一個這樣一個由牛頓引力控制的宇宙中，因為我們的太陽系有大量的天體，使得橢圓會在其軌道上產生進動或輕微旋轉。在19世紀中葉，天王星偏離其預測運動的軌道偏差導致海王星的發現，因為來自最外層的引力導致了天王星的過度運動。
但是在太陽系內部，離太陽最近的行星——水星，也遇到了類似的問題。
隨著詳細、準確的觀測可追溯到15世紀晚期（多虧了第谷·布拉赫），我們可以測量水星的近地點——它最接近太陽的軌道點——是如何前進的。我們得到的數字是每世紀進動5，600"，這是令人難以置信的緩慢：剛剛超過1.5度！但其中5025"來自地球春分點的進動——一個眾所周知的現象，而剩下的532"是由於牛頓引力。
圖片來源：維基共享資源用戶Mpfiz。
但 5025 + 532不等於 5600;這個差異值雖然很小但是不可忽略。當然，最大的問題是為什麼。
當然，科學家們提出了許多可能的解釋。
也許數據是錯誤的;不到百分之一的誤差似乎很難成為恐慌的理由。然而，當時的誤差小於0.2%，這意味著數據是顯著的。也許有一個額外的內部行星，它甚至比水星更靠近太陽。這一解釋是由預測海王星存在的科學家烏爾班·勒·韋裡爾提出的。然而，經過詳盡的探測，包括對太陽日冕的修正，也沒有發現任何新的行星。或者牛頓力定律需要稍作調整。可能它並不是平方反比定律，而是有一個微小的額外的力：比如也許不是2次冪，而是2點幾次冪（某種東西）——這是西蒙·紐科姆和阿薩夫·霍爾提出的解釋。但是，這些方案都沒有解決問題;它們沒有一個是令人滿意的。此外，後一種選擇——儘管可以想像為這個軌道的解釋——沒有給出一個預測性的"a-ha"，讓人們可以尋找其他的東西來驗證或否定它。
圖片來源：ESO/L. 卡拉達。
但是在1905年愛因斯坦的狹義相對論發表之後，亨利·龐加萊指出，尺縮和鍾慢效應對解決方案的貢獻很小——在15-25%之間——，它取決於誤差。再加上閔可夫斯基將空間和時間不再表述為獨立的實體，而是作為由它們的結合（即時空）聯繫在一起的整體結構，幫助愛因斯坦發展了廣義相對論。
1915 年 11 月 25 日，他介紹了自己的成果，計算得到了一個驚人的數字，即空間額外曲率的貢獻預測水星每世紀額外進動 43"，這正是解釋此觀測所需的正確數字。
這個結果對天文學和物理學界的衝擊是巨大的。不到兩個月後，卡爾·史瓦西找到了一個確切的結果，預測了黑洞的存在。星光和引力紅移、藍移的偏轉作為可能的實驗得以實現，最後1919年的日食驗證了廣義相對論，能夠很好取代牛頓引力。
圖片來源：《紐約時報》，1919年11月10日（L）;插圖倫敦新聞，1919年11月22日（R）。
本世紀以來，廣義相對論的預測，從引力透鏡到參考系拖拽，到軌道衰變等，都得到了驗證，觀測從未與理論相矛盾。本世紀，我們慶祝愛因斯坦最偉大的成就100周年。一個世紀後，對太陽系的改進觀測和了解驗證了水星近地點進動到每世紀百分之一弧秒的精度，理論和觀測之間的不確定性繼續下降。
誰知道未來100年會有什麼新的發現，又會有什麼新的可能性呢？
作者: Ethan Siegel
FY: 綠色系
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