太陽係——包括地球在內——是我們研究引力時觸手可及的實驗室。太陽係的引力場由比所有係內行星質量大得多的太陽主導。
軌道距離太陽相對比較近的行星有四顆:水星、金星、地球和火星。再遠處是四個大得多的行星:木星、土星、天王星和海王星。太陽係還包括一些其他天體,比如彗星、小行星、衛星和人造宇宙飛船。當我們去觀測它們的運動,或者在某些情況下和它們相對運動,我們就可以了解引力的很多性質。
對太陽係內引力正式的實驗和觀測始於20世紀後半葉。在古代天文學家們幾個世紀以來持續追蹤行星的運動了後,隨著20世紀新技術的發展,人們進行了一係列史無前例的觀測和實驗。為了合理地展示這些結果,我把它們分成如下幾類:對基本假設的探索、驗證牛頓引力定律的實驗和研究愛因斯坦引力定律的實驗。
對基本假設的探索
現代引力理論有很多基本假設,比如,物體的位置以及它們與其他物體的相對運動狀態,和它們的靜質量無關;光速在任何方向上都相等;所有下落物體(不受除引力之外的其他力時)的加速度都一致。這些假設都已在20世紀被驗證過了。我將在這裏列出其中最好的一些實驗,之後再分別詳述牛頓和愛因斯坦關於理論的實驗。
讓我們先回憶一下質量的定義:質量是這樣一個量,它告訴我們使物體以固定的加速度運動時需要施加多少力。我們認為它是物體的基本特征。它與重量不同,重量是你把物體拿在手中時,它施加在你手上的一個向下的力。同一個物體的重量在不同星球上是不一樣的。質量出現在牛頓引力定律中,在愛因斯坦的著名方程中,質量和能量等價。因為這兩個理論是引力理論的核心,所以我們需要了解,質量是不是真的和物體的位置及其在引力場中的運動無關。我們必須通過實驗來證明這一點。