Классический закон тяготения Ньютона до середины 19 века прекрасно объяснял все движения планет. По расчетам небесной механики, как ее и сейчас называют в астрономии, в 1846 году был открыт Нептун. Его нахождение точно совпало с расчетами. Но большую загадку подкинул Меркурий.
В 1859 году было обнаружено аномальное смещение орбиты Меркурия. Вернее сказать, его перигелия (ближайшей к Солнцу точки орбиты). В расчетах астрономов было расхождение с видимым положением Меркурия. Оказалось, что угловая скорость поворота его вытянутой орбиты составляет примерно 500″ (угловых секунд) за 100 земных лет. Т.е. полный оборот перигелий при своем смещении совершает за 260 тыс. лет.
Сначала астрономы пытались перепроверить влияние планет Солнечной системы на движение Меркурия. Но разница во всех случаях составляла около 43″ за столетие. Это было выше любых погрешностей расчетов и наблюдений.
В науке того времени начали предлагать различные объяснения, появились гипотезы, объясняющие смещения в движении Меркурия. Логика подсказывала, что между Солнцем и Меркурием есть еще одна планета, она и оказывает влияние на движение Меркурия. А из-за близости к Солнцу, мы ее не можем рассмотреть. Ей даже дали название – Вулкан.
Тогда предполагалось, что этот объект втрое ближе к Солнцу, чем Меркурий, а период обращения составляет 19 дней 7 часов. Диаметр Вулкана около 2000 км. При этом, если принять, что плотность Вулкана близка к плотности Меркурия, то его масса составляет лишь 1/17 массы Меркурия. Но из расчетов было понятно, что тело с такой небольшой массой не может вызвать наблюдаемый сдвиг перигелия Меркурия. Поэтому предположили, что Вулкан на близкой орбите у Солнца – это не единственная малая планета. Группу тел назвали «вулканоиды». Начались поиски.
Планету Вулкан искали несколько десятилетий. И во время солнечных затмений и рассматривая пятна на Солнце. За Вулкан однажды даже было принято падение кометы на Солнце.
Другая гипотеза предполагала наличие спутника у Меркурия, что не подтверждалось наблюдениями. Предлагали смещение перигелия Меркурия объяснить наличием большого скопления рассеянной массы внутри орбиты Меркурия. Но тогда бы эта масса светилась и долго не смогла бы существовать на такой близкой к Солнцу орбите. Этой проблемой занимались такие крупные физики, как Лоренц, Вин, Пуанкаре, Цёлльнер.
Так же выдвигались объяснения, что массы планет в Солнечной системе занижены. Но небесная механика хорошо рассчитывала движение других планет с учетом их расчетных масс. В общую картину не укладывалось лишь движение Меркурия.
Предлагали объяснение, что Солнце сплюснуто у полюсов и эта деформация влияет на движение Меркурия сильнее, чем форма идеального шара. Наблюдения Солнца это не подтверждали.
Математики предполагали, что рядом с Солнцем пространство обладает не евклидовой геометрией, имеет искажения и аномалии. Но это все так и осталось на уровне предположений. Математических расчетов не последовало.
К концу 19 века смещение перигелия обнаружили и у других планет внутренней части Солнечной системы. Цифры были на уровне погрешностей, но тоже могли подтверждать, что что-то здесь не так, что закон Ньютона нарушается.
Были попытки подогнать классический закон тяготения под видимую аномалию. Даже предлагали ввести в закон тяготения зависимость не только от массы тел, но и от их скорости. Меркурий слишком быстро движется по орбите. Средняя скорость движения планеты по орбите - 48 км/с (в афелии - 38,7 км/с, а в перигелии - 56,6 км/с).
Существовала «баллистическая теория» физика и математика Вальтера Ритца. В этой модели гравитационное взаимодействие осуществляют гипотетические частицы, которые, как думал автор теории, формируют также все электромагнитные явления. Это почти как темная материя в современной космологии. Но развития эта модель не получила.
Вопрос с Меркурием решился с появлением Общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна. Эйнштейн в расчетах перешёл от скалярного гравитационного потенциала к тензорному. Это позволило описать неевклидову геометрию пространства-времени. Если кратко, то вывод звучит так: вблизи массивных тел геометрия пространства-времени отличается от евклидовой, что приводит к отклонениям от классической траектории движения планет.
Эйнштейн в своих расчетах получил практически точное совпадение с наблюдаемым смещением перигелия Меркурия - 43″ за столетие. Но была и критика ОТО. Некоторые ученые считали, что расчеты Эйнштейна – случайное совпадение и подгонка под наблюдения.
У других планет внутренней части Солнечной системы тоже существует отклонения перигелия. У Венеры – 8,6″ за столетие, у Земли – 3,8″, у Марса – 1,35″. Позже теория была проверена на наблюдениях быстро вращающихся двойных звезд и пульсаров, где смещения орбит огромны, до 17 градусов в год.
На сегодня теоретическое обоснование смещения перигелия у Меркурия остается главным подтверждением ОТО. Или по-простому: пространство вблизи Солнца искривлено настолько, что даже время вблизи нашего светила течет иначе, отклоняя планеты.