在本书的第一部分，我们能够使用可以对它作简单而直接的物理解释的空时 坐标，而且，按照第 26 节，这种空时坐标可以被看作四维笛卡儿坐标：我们能 够这样做，是以光速恒定定律为基础的。但是按照第 21 节，广义相对论不能保 持这个定律。相反，按照广义相对论我们得出这样的结果，即当存在着一个引力 场时，光速必须总是依赖于坐标。在第 23 节讨论一个具体例子时，我们发现，
曾经使我们导致狭义相对论的那种坐标和时间的定义，由于引力场的存在而失效 了。
鉴于这些论述的结果，我们得出这样的论断，按照广义相对论，空时连续区 不能被看作一个欧几里得连续区；在这里只有相当于具有局部温度变化的大理石 板的普遍情况，我们曾把它理解力一个二维连续区的例子。正如在那个例子里不 可能用等长的杆构成一个笛卡儿坐标系一样，在这里也不可能用刚体和钟建立这 样一个系统（参考物体），使量杆和钟在相互地作好刚性安排的情况下可用以直 接指示位置和时间。这是我们在第 23 节中所遇到的困难的实质所在。
但是第 25 节和第 26 节的论述给我们指出了这个困难的道路。对于四维空时 连续区我们可以任意利用高斯坐标来作参照。我们用四个数 x1,x2,x3,x4（坐标）
标出连续区的每一个点（事件），这些数没有丝毫直接的物理意义，其目的只是 用一种确定而又任意的方式来标出连续区的各点。四个数的排列方法甚至无需一 定要把 x1,x2,x3当作“空间”坐标把 x4 当作“时间”坐标。
读者可能会想到，这样一种，世界的描述是十分不够格的。如果 x1,x2,x3,x4
这些特定的坐标本身并无意义，那么我们用这些坐标标出一个事件又有什么意 义？但是，更加仔细的探讨表明，这种担忧是没有根据的。例如我们考虑一个正 在作任何运动的质点。如果这个点的存在只是瞬时的，并没有一个持续期间，那 么这个点在空时中即由单独一组 x1,x2,x3,x4的数值来描述。因此，如果这个点的 存在是永久的，要描述这个点，这样的数值组就必须有无穷多个，而且其坐标值 必须紧密到能够显示出连续性；对应于这个质点，我们就在四维连续区中有一根
（一维的）线。同样，在我们的连续区中任何这样的线，必然也对应于许多运动 的点，以上对于这些点的陈述中实际上只有关于它们的会合的那些陈述才称得起 具有物理存在的意义。用我们的数学论述方法来说明，对于这样的会合的表述，
就是两根代表所考虑的点的运动的线中各有特别的一组坐标值 x1,x2,x3,x4是彼此 共同的。经过深思熟虑以后，读者无疑将会承认，实际上这样的会合构成了我们 在物理陈述中所遇到的具有时空性质的唯一真实证据。
当我们相对于一个参考物体描述一个质点的运动时，我们所陈述的只不过是 这个点与这个参考物体的各个特定的点的会合。我们也可以借助于观察物体和钟 的会合，井协同观察钟的指针和标度盘上特定的点的会合来确定相应的时间值。
使用量杆进行空间测量时情况也正是这样，这一点稍加考虑就会明白。
下面的陈述是普遍成立的：每一个物理描述本身可分成许多个陈述，每一个 陈述都涉及 A 、B 两事件的空时重合。从高斯坐标来说，每一个这样的陈述，
是用两事件的四个坐标 x1,x2,x3,x4相符的说法来表达的；因此实际上，使用高斯 坐标所作的关于时空连续区的描述可以完全代替必须借助于一个参考物体的描 述，而且不会有后一种描述方式的缺点；国为前一种描述方式不必受所描述的连 续区的欧几里得特性的限制。
28．广义相对性原理的严格表述
现在我们已经有可能提出广义相对性原理的严格表述来代替第 18 节中的暂 时表达。第 18 节中所用的表述形式是，“对于描述自然现象（表述普遍的自然界 定律）而言，所有参考物体 K、K’等都是等效的，不论它们的运动状态如何，”
这个表述形式是不能够保持下去的，因为，按照狭义相对论的观念所推出的方法 使用刚性参考物体作空时描述，一般说来是不可能的，必须用高斯坐标系代替参
考物体。下面的陈述才与广义相对性原理的基本观念相一致：“所有的高斯坐标 系对于表述普遍的自然界定律在本质上是等效的。”
我们还可以用另一种形式来陈述这个广义相对性原理。用这种形式比用狭义 相对性原理的自然推广形式更加明白易懂，按照狭义相对论，当我们应用洛伦兹 变换，以一个新的参考物体 K’的空时变量 x’,y’,z’,t’代换一个（伽利略）参考物 体 K 的空时变量 x,y,z,t 时，表述普遍的自然界定律的方程经变换后仍取同样的 形式。另一方面，按照广义相对论，对高斯变量 x1,x2,x3,x4应用任意代换，这些 方程经变换后仍取同样的形式；因为每一种变换（不仅仅是洛伦兹变换）都相当 于从一个高斯坐标系过渡到另一个高斯坐标系。
如果我们愿意固执我们“旧时代”的对事物的三维观点，那么我们就可以对 广义相对论的基本观念目前发展的特点作如下的描述，狭义相对论和伽利略区域 相关，亦即和其中没有引力场存在的区域相关。就此而论，一个伽利略参考物体 在充当着参考物体，这个参考物体是一个刚体，其运动状态必须选择得使“孤立”
质点作匀速直线运动的伽利略定律相对于这个刚体是成立的。
从某些考虑来看，我们似乎也应该把同样的伽利略区域引入于非伽利略参考 物体。那么相对于这些物体就存在着一种特殊的引力场（见第 20 节和第 28 节），
在引力场中，并没有象具有欧几里得性质的刚体那样的东西；因此，虚设的 刚性参考物体在广义相对论中是没有用处的。钟的这动也受引力场的影响，由于 这种影响，直接借助于钟而作出的关于时间的物理定义不可能达到狭义相对论中 同样程度的真实感。
由于这个缘故，我们使用非刚性参考物体，这些物体整个说来不仅其运动是 任意的，而且在其运动过程中可以发生任何形变。钟的运动可以遵从任何一种运 动定律，不论如何不规则，但可用来确定时间的定义。我们想象每一个这样的钟 是在非刚性参考物体上的某一点固定着。这些钟只满足这样的一个条件，即从（空 间中）相邻的钟同时观测到的“读数”彼此仅相差一个无穷小量。这个非刚性参 考物体（可以恰当地称作”软体动物参考体”）基本上相当于一个任意选定的高 斯四维坐标系。与高斯坐标系比较，这个“软体动物”所具有的某些校易理解之 处就是形式上保留了空间坐标和时间坐标的分立状态（这种保留实际上是不合理 的）．我们把这个软体动物上的每一点当作一个空间点，相对于空间点保持静止
的每一个质点就当作是静止的，如果我们把这个软体动物视为参考物体的活。广 义相对性原理要求所有这些软体动物都可以用作参考物体来表述普遍的自然界 定律，在这方面，这些软体动物具有同等的权利，也可以取得同样好的结果；这 些定律本身必须不随软体动物的选择而变易。
由于我们前面所看到的那些情况，广义相对性原理对自然界定律作了一些广 泛而具明确性的限制，广义相对性原理所具有的巨大威力就在于此。
29．在广义相对性原理的基础上解引力问题
如果读者对于前面的论述已经全部理解，那么对于理解引力问题的解法，就 不会再有困难。
我们从考察一个伽利略区域开始，伽利略区域就是相对于伽利略参考物体 K 其中没有引力场存在的一个区域。量杆和钟相对于 K 的行为已从狭义相对论得 知，同样，“孤立”质点的行为也是已知的；后者沿直线作匀速运动。
我们现在参照作为参考物体 K’的一个任意高斯坐标系或者一个“软体动物”
来考察这个区域。那么相对于 K'，就存在着一个引力场 G（一种特殊的引力场）。
我们只利用数学变换来察知量杆和钟以及自由运动的质点相对于 K’的行为。我 们把这种行为解释力量杆、钟和质点在引力场 G 的影响下的行为。此处我们引 进一个假设：引力场对量杆、钟和自由运动的质点的影响将按照同样的定律继续 发生下去，即使当前存在着的引力场不能简单地通过坐标变换从伽利略的特殊情 况推导出来。
下一步是研究引力场 G 的空时行为，引力场 G 过去是简单地通过坐标变换 由伽利略的特殊情况导出的。将这种行为表述为一个定律，不论在描述中所使用 的参考物体（软体动物）如何选定，这个定律始终是有效的。
然而这个定律还不是普遍的引力场定律，固为所考虑胁引力场是一种特殊的 引力场。为了求出普遍的引力场定律。我们还需要将上述定律加以推广，这一推 广可以根据下述要求妥善地得出： 、
（1）所要求的推广必须也满足广义相对性公设。
（2）如果在所考虑的区域中有任何物质存在，对其激发一个场的效应而言，
只有它的惯性质量是重要的，按照第 15 节，也就是只有它的能量是重要的。
（3）引力场加上物质必须满足能量（和冲量）守恒定律。
最后，广义相对性原理使我们能够确定引力场对于不存在引力场时按照已知 定律已在发生的所有过程的整个进程的影响，这样的过程也就是已经纳入狭义相 对论的范围的过程，对此，我们原则上按照已对量杆。钟和自由运动的质点解释 过的方法去进行。
照这样从广义相对性公设导出的引力论，其优越之处不仅在于它的完美性；
不仅在于消除第 21 节所显示的经典力学所带的缺陷；不仅在于解释惯性质量和 引力质量相等的经验定律；而且也在于它已经解释了经典力学对之无能为力的一 个天文观测结果。
如果我们把这个引力论的应用限制于下述的情况，即引力场可以认为是相当 弱的，而且在引力场内相对于坐标系运动着的所有质量的速度与光速比较都是相 当小的，那么，作为第一级近似我们就得到牛顿的引力理论。这样上牛顿的引力 理论在这里无需任何特别的假定就可以得到，而牛顿当时却必须引进这样的假 设，即相互吸引的质点问的吸引力必须与质点问的距离的平方成反比、如果我们 提高计算的精确度，那么它与牛顿理论下一致的偏差就会表现出来，但是由于这 些偏差相当小；实际上都必然是观测所检验不出来的。
过里我们必须指出过些偏差中的一个提请读者注意。按照牛领的理论，行星 沿椭圆轨道绕日运行，如果我们能够略而不计恒星本身的运动以及所考虑的其他 行星的作用，这个椭圆轨道相对于恒星的位置将永久保持不变。因此，如果我们 改正所观测的行星运动而把这两种影响消去，而且如果牛顿的理论真能严格正 确，那么我们所得到的行星轨道就应该是一个相对于恒星系是固定不移的椭圆轨 道。这个可以用相当高的精确以验证的推断，除了一个行星之外；对于所有其他 的行全而言，己经得到了证实，其精确度是目前可能获致的观测灵敏度所能达到 的精确度。唯一例外的就是水星，它是离太阳最近的行星。从轨韦里耶（Leverrier）
的时候起人们就知道，作为水星轨道的椭圆，经过改正消去上述影响后，相对于 恒星系并不是固定不移的，而是非常缓慢地在轨道的平面内转动，并且顺着沿轨 道的运动时方向转动。所得到的这个轨道椭圆的这种转动的值是每世纪 43"（角 度），其误差保证下会超过几秒（角度）．经典力李解释这个效应只能借助于设立 假设，而这些假设是下大可能成立的，这些假设的设立仅仅是为了解释这个效应