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早在1859年，法国天文学家乌尔班·勒威耶就已经分析过水星轨道的异常。这颗行星具有椭圆轨道，但不是那种本身固定的绕日椭圆，而是椭圆轨道平面的指向每经过一个周期就有一定的偏离[6]，画出的是一条经典的螺旋形图案（如图24所示）。这种偏离非常小，每百年仅有574角秒，水星需要经过20万年完成100万个轨道周期运动才能回到原初的轨道取向。
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天文学家原先认为，水星的这种怪异行为是由太阳系的其他行星的引力拖拽作用造成的，但是当勒威耶用牛顿引力公式计算后发现，其他行星的综合效果只可能解释每个世纪574角秒里的531角秒。就是说，有43角秒的偏离无法解释。按照某些天文学家的看法，肯定还存在某个未发现的天体，如内侧小行星带或水星的未知卫星，它们对水星轨道的看不见的影响造成了这43角秒的偏离。甚至有人提出在水星轨道之内还存在一颗至今未被发现的行星，即所谓火神星。换句话说，天文学家认为牛顿的万有引力公式是不会错的，这个问题之所以没解决，是因为我们只掌握了部分要素。一旦我们找到了新的小行星带，或卫星，或行星，再来重做计算就肯定能给出正确的答案，即574角秒。
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但爱因斯坦确信，不存在未被发现的小行星带、卫星或行星，问题出在牛顿的万有引力公式上。牛顿的理论在描述比地球引力要弱的情形下的现象时十分管用，但在遇到像太阳附近这种极端强大的引力情形时就显得无能为力了。这是检验两种对立的引力理论的一个完美的舞台，而且爱因斯坦信心满满地预言，他的理论将能够精确解释水星的轨道变动。
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他坐下来，用他自己的公式进行了必要的计算，结果确实是574角秒，与观察结果完全一致。“几天来，”爱因斯坦写道，“我简直高兴得乐不可支。”
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不幸的是，物理学界对爱因斯坦的计算并不完全信服。正如我们所知，科学信念本质上是保守的，这部分是出于实际考虑，部分是出于情绪使然。如果一个新理论推翻了旧理论，那么旧的理论就不得不被放弃，留下的科学框架就不得不与新理论相协调。这种剧变只有在整个学界确信了新理论确实有效之后，才能获得正当性。换句话说，举证责任总是落在新理论的倡导者身上。情绪对接受性的阻碍同样很高。大半辈子都信奉牛顿理论的资深科学家们很自然不愿放弃他们现有的理解去相信某个颠覆性的新理论。马克·吐温就曾敏锐地提出：“一个科学家永远不会对那种不是他打小就开始学习的理论显露出善意。”
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图24 19世纪的天文学家对水星轨道的进动感到困惑。这是一个夸张的图，因为实际的水星轨道没这么扁（即要更圆一点），太阳更接近于该轨道的中心。更重要的是，轨道平面的转动被高度夸张。在实际中，轨道平面每个周期仅转过0.00038°。对于这样小的角度的处理，科学家们更倾向于使用角分和角秒而不是度：
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1角分=（1/60）°
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1角秒=（1/60）弧分=（1/3 600）°
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所以水星每经过一个轨道周期，其轨道平面相对于前一个平面转过0.00038°，或0.023弧分，或1.383角秒。水星绕着太阳转一周需要88个地球日，因此，一个地球世纪后水星完成415个轨道周期，其轨道平面转过415×1.383=574角秒。
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毫不奇怪，科学界坚持其观点：牛顿公式是正确的，天文学家迟早会发现某个能充分解释水星轨道进动的新天体。如果经过更仔细的核查，发现确实不存在内小行星带、卫星或行星的迹象，那么天文学家就必须提供另一种解决方案来支撑牛顿的病态理论。其中方法之一就是将牛顿方程中的r2改成r2.00000016，这样多少可以挽救一下传统方法和对水星轨道的解释：
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然而，这只是玩弄数学技巧，它在物理学上说不通。但这只是挽救牛顿引力理论的一个绝望的最后努力。事实上，这种临时性修修补补不过是早年托勒密的地球中心说所采取的不断增加更多的周期运动的狭隘逻辑在今天的翻版。
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如果爱因斯坦打算克服这种保守性，赢得对手的信任并推翻牛顿理论，他就必须收集更多的证据来支持他的理论。他必须找到另一种可由他的理论来解释但牛顿理论无法解释的现象，这种现象如此非同寻常，它要能够为爱因斯坦的引力概念、广义相对论和时空概念提供压倒性的、无可辩驳的证据支持。
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终极伙伴：理论与实验
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一个新的科学理论要想得到认真对待，那么它就必须通过两项重要的检验。首先，它需要能够给出符合所有现有观测的理论结果。爱因斯坦的引力理论已经通过了这项检验，因为它在众多备选的解释方案中能够完全正确地给出水星轨道进动的量。第二项检验更加苛刻，要求理论应能够预言尚未有过的观测结果。一旦科学家能够做出这些观测，且观测结果符合理论预言，那么这一证据就将令人信服地表明该理论是正确的。当开普勒和伽利略认为地球绕太阳旋转而不是相反时，他们能够迅速通过第一项检验，就是给出一种与已知的行星运动相符的理论结果。然而，第二项检验则要等到伽利略对金星星象的观察与几十年前哥白尼所做的理论预言完全相符后才算通过。
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之所以单给出第一项检验还不足以说服持怀疑态度者，就是怕出现这个理论可能仅通过修修补补来给出正确结果。然而，通过理论修正是不可能给出与尚未做出的观察结果相一致的理论预言的。想象一下，你打算与爱丽丝或与鲍勃一块儿做一项投资，两人都宣称他们拥有各自完善的炒股系统或理论。鲍勃试图说服你，他的理论较好，能显示昨天的股市数据，然后向你展示了他的理论是如何完美地预测这些结果的。另一方面，爱丽丝向你展示了她预测的第二天的交易结果。24小时后，果然她被证明是正确的。你会与鲍勃和爱丽丝当中的谁一起做投资？显然，你会怀疑鲍勃可能调整了他的理论以符合前一天的交易数据，所以他的理论是不能完全令人信服的。但爱丽丝炒股理论似乎真的有效。
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同样，如果爱因斯坦要证明他是正确的，牛顿是错的，他就必须用他的理论对尚未有人观察过的现象做非常可信的预言。当然，这种现象必须是发生在极端引力的环境下，否则，牛顿的和爱因斯坦的预言会一致，就没有赢家。
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最后，这项非成即败的检验将是一个涉及光的行为的现象。甚至在他将他的理论应用到水星轨道进动之前——事实上，他甚至在完成他的广义相对论之前——爱因斯坦就已经开始探索光与引力之间的相互作用了。根据他的引力的时空效应，任何光束在途径一个恒星或大质量行星附近时都会被引力吸引而弯向恒星或行星，即光束将稍稍偏离原来的路径。牛顿的引力理论也预言了重物体会使光线弯曲，但程度较轻。因此，如果有人能够测得光线被大质量天体弯曲的效应，那么根据光线弯曲的轻微程度就能够判定爱因斯坦和牛顿到底谁的理论是正确的。
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早在1912年，爱因斯坦就已开始与欧文·弗雷德里希合作探讨如何来开展这项关键性的测量。与作为理论物理学家的爱因斯坦不同，弗雷德里希是一位声名卓著的天文学家，因此在决定如何进行这项检验广义相对论预言的光线弯曲效应的观察研究中处于一个更有利的位置。起初，他们选定的观察对象是木星——太阳系中质量最大的行星。其质量大到足以使遥远的恒星星光发生弯曲，如图25所示。但当爱因斯坦用他的公式进行了相关计算后发现，很明显，木星造成的弯曲量过于微弱很难被检测出来，尽管这颗行星的质量是地球的300倍。爱因斯坦写信给弗雷德里希：“但愿大自然能给我们一颗比木星更大的行星！”
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图25 爱因斯坦曾对木星造成的星光弯曲感兴趣。木星的质量大到足以使时空平面发生凹陷。图中展示了遥远恒星发出的星光穿越空间的情形。如果没有木星，星光走的是一条直线；如果存在木星，星光的路径在木星所在的凹陷处附近就将发生弯曲。不幸的是，按照爱因斯坦的计算，这种弯曲太小了无法被检测到。
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接着，他们将注意力集中到太阳上。太阳的质量是木星质量的一千倍。这一次，爱因斯坦的计算结果表明，太阳的引力会对遥远恒星的光线产生显著的影响，所造成的弯曲应该是可检测的。例如，如果一颗恒星出现在太阳边缘的后方，因此进入不了我们的视线，我们不能指望在地球上看到它（如图26）。但在太阳的巨大引力作用下，时空的变形就有可能使星光发生偏折，结果在地球上能够看见它。这颗躲在太阳背后的恒星应该能在太阳的边缘被看到。尽管视位置偏离实际位置的量非常微小，但它足以表明谁是正确的，因为牛顿公式预言的偏转量要比爱因斯坦公式给出的更小。
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