在1905年，那個時代的物理學界迎來了愛因斯坦的顛覆性之作——狹義相對論的誕生。在這一理論中，愛因斯坦透過演繹法展現了他的獨特洞察力，提出光速不變的現象升級為光速不變原理，將所有參考系置於平等的物理地位上。為了達到這一平等，愛因斯坦重新界定了長度、時間和質素的概念，使它們在速度的加持下發生相應的變化。
然而，狹義相對論本身並不是一個完全成熟的理論。現實中的物體不僅有速度，還涉及加速度；宇宙不僅是物理背景，空間結構也會因物質的存在而異。
於是，愛因斯坦又一次運用演繹法，將重力質素和慣性質素的表面等價性提升為等效原理，將兩者視為同一概念。這樣，作為物質實體的物體與空間建立了一種內在的聯系。空間能夠影響包括光子在內的所有物體的運動，反之，物質亦能使空間發生幾何性質的彎曲。這種認知的轉變，從機械世界觀過渡到了幾何世界觀，產生了質的飛躍。
這實際上是人類的認知模式，發生了很大的轉變。對於這種轉變，需要透過實驗來確認和推進。廣義相對論的早期驗證實驗共有三個，分別是水星剩余進動、光線彎曲和重力紅移，這三大實驗對廣義相對論的確立起到了關鍵作用，因此被譽為三大經典實驗。
水星作為最接近太陽的行星，其橢圓軌域的偏心率很大。自19世紀初，天文學家便註意到水星繞太陽一圈後，其與太陽的連線會有微小的前移，這在物理上被稱為進動。根據歷史數據統計，水星每百年約有5600秒的進動。經過對各種天體對水星的攝動效應的計算，竟然還剩下43秒的進動無法得到解釋，這便是著名的水星剩余進動。
當時，科學家們寄望於這個現象能帶來新的發現，並在隨後幾十年提出了多種物理解釋，包括小行星和太陽的扁率等。然而，這些解釋或是無法單獨解釋水星的43秒進動，或是要求其他行星也存在顯著的進動，與實際觀測不符。因此，這個謎題遲遲未能解開。
廣義相對論提出後，自然而然地擔負起了解釋水星剩余進動的重任。最初，由於計算失誤，愛因斯坦得出的進動數值僅為43秒的三分之一。但經過不懈努力，愛因斯坦在1916年修正了計算，終於得出了與觀測相符的43秒進動。因此，水星剩余進動實驗被認為是廣義相對論的首個驗證實驗。
盡管如此，仍有科學家質疑，水星剩余進動是否由多種因素共同作用產生。例如，美國物理學家迪克在20世紀60年代提出新的理論，可以解釋40秒的水星進動。如果太陽的扁率能產生3秒的進動，迪克的理論便能成立。然而，此時廣義相對論已經根深蒂固，奧卡姆剃刀原則表明，一個理論能解釋的問題，無需多個理論來解答。
光線彎曲是愛因斯坦預言的第一個實驗，也是廣義相對論獲得廣泛認可的關鍵。實驗的基本原理是，利用日蝕時拍攝太陽一側的星光，半年後再在無太陽的情況下拍攝同一區域的星光，透過比較兩張照片記錄星光的位移。如果光線確實因太陽重力彎曲，那麽每個星光都會有向中心的位移。
實驗的實施具有挑戰性，既需要利用日蝕拍攝，又需挑選距離太陽較遠的星光（10個太陽直徑以上），但又不能過遠（20個太陽直徑以內），以避免光線彎曲效應過小，被其他背景因素掩蓋。
實驗結果不直接為數值，而是一系列統計數據。統計方法有絕對法和相對法兩種。絕對法直接對比兩張照片的差異，相對法則假定照片邊緣星光無位移，調整星光位移至零，再根據調整尺度校正其他星光位移。乳膠照片在幹燥過程中會向中心收縮，產生星光位移，相對法旨在排除這一影響。
不幸的是，兩種統計方法的結果差異至少10%。幸運的是，實驗主持人愛丁頓大力支持廣義相對論，經過統計和修正後，實驗結果與愛因斯坦的預言基本相符，廣義相對論因此獲得了驗證。光線彎曲實驗也因與傳統直線運動的對比，使愛因斯坦名聲大噪。
事實上，光線彎曲的真正意義不在於具體數值，而在於承認光的粒子性和質素。廣義相對論之前，人們並未料到光線可被物質吸引而彎曲。只要將光視為有質素的粒子，牛頓萬有重力也可計算出光線彎曲效應。
然而，早期的計算僅考慮了重力的橫向效應，只預測了廣義相對論一半的彎曲度。進一步考慮重力的縱向效應，將重力場視為密度較小的介質空間，靠近重力場時，光的等效速度增大；遠離重力場時，等效速度減小。這會產生類似折射效應（重力透鏡效應），使得萬有重力和廣義相對論的預測完全一致，均為1.75秒的彎曲度。
重力紅移作為第三個經典實驗，卻並不那麽順利，因其效應微小，僅有百萬分之一的量級。基本原理是，每個原子的光譜相同，可以根據光譜判斷元素。由於重力作用，光子離開重力場時，需消耗能量以克服重力，導致頻率降低，產生重力紅移。
實驗最初對太陽進行，結果並不利於廣義相對論。後續多次觀測效果也不理想。最後，將實驗移至質素更大的白矮星。盡管質素增大導致紅移量增大，但距離遙遠導致其他物理參數不確定。這一實驗持續到20世紀60年代，在愛因斯坦去世及廣義相對論獲得廣泛認可後，最終驗證了廣義相對論。
透過這些實驗的介紹，我們看到實驗驗證並非絕對，受到諸多因素限制。首先，宏觀範圍之外的未知因素限制了實驗效果。在排除所有未知因素前，實驗無法絕對驗證理論。其次，其他理論亦可解釋同一實驗，實驗只能幫助選擇理論，而非證明理論正確。
因此，實驗與理論相輔相成。兩者互為促進，理論則進步；反之，理論則退步，需新理論替代。
