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图1-5-1所举的是三维空间中张量的例子。相对论中，时间和空间被统一在一个四维的闵可夫斯基时空中，三维空间的张量也代之以四维空间中的张量。四维空间中的0、1、2、3阶张量分别需要1、4、16、64个数来表示。比如说，一个物体的动量，原来是三维空间的矢量，用3个数值来表示，它们分别是动量在x，y，z 3个方向的分量：px，py，pz。动量等于速度与质量的乘积。在四维时空中的动量应该有4个分量，也就是说，对应于时空坐标（t，x，y，z）的动量矢量成为（p0，px，py，pz），其中的（px，py，pz）是原来动量的3个空间分量，对应于时间坐标的p0又是什么呢？它正好等于一个粒子的总能量除以光速c：（p0＝E/c）。这里的总能量E又是什么呢？除了粒子的动能之外，还包括粒子在静止状态的总能量E0。因为爱因斯坦在狭义相对论中得到过一个著名的质能关系式：E0＝m0c2。只要有静止质量m0，就有与其相对应的一份能量。因此，四维动量的时间分量（p0＝E/c＝m0c），与物体的质量和能量有关。
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除了四维动量之外，原来三维空间的所有矢量（或者高阶张量）都有可能扩充到四维，至于与时间相关的那些分量所代表的物理意义是什么，就要具体问题具体分析了。比如电磁场中的磁矢势和标量电势，构成一个统一的四维电磁势A，今后我们便使用这个四维势：
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（2）度规张量
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现在我们可以举出一个2阶张量的例子：度规张量。
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度规，就像是量度空间大小的一把尺子，用它来度量空间中的弧长（或称“距离”），可以写成一个2阶张量，也就是看起来像一个矩阵的形式。欧几里得空间的度规表达式很简单，可以从勾股定理得到。在上一节的图1-4-3中，我们实际上已经使用了二维欧几里得空间的度规（ds2＝dy2＋dx2），和二维闵可夫斯基空间的度规（ds2＝dt2-dx2）。这里的s就是弧长。图中所示的矩阵，就分别是两种度规的矩阵表示。
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一般的n维黎曼流形上的弧长平方如何计算呢？将上面两种度规表示推广一下，可以表达为一个一般的二项式：
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ds2＝gijdxidxj （1-1）
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注意，这里使用了一上一下的重复指标i和j，意思是表示对i和j从1到n求和。用上下指标重复来表示“求和”，而省略了求和的符号，使得表达式看起来简单明了，这是理论物理学中的一种约定，被称为“爱因斯坦约定”。
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式（1-1）中的gij便是度规。指标i和j可以取不同的数值。比如说，在三维空间中，因为两个指标都可以取3个不同的数字，所以度规便有9个数值。这意味着，一般来说，三维空间的弧长平方（ds2）可以写成如下形式：
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ds2＝gxxdx2＋gxydxdy＋gxzdxdz＋gyxdydx＋gyydy2＋gyzdydz＋gzxdzdx＋gzydzdy＋gzzdz2
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度规的一般形式看起来挺复杂的，但读者不必害怕，我们一般不会使用它，你只需要知道度规是像上面那种求和形式就可以了。并且，如果对于平坦三维空间的直角坐标，矩阵所有交叉项都为0，3个对角项都为1，表达式就成为简单的勾股定理的三维形式。这里我们写出它的一般形式，是因为在广义相对论中，空间一般不是平坦的，也不一定使用直角坐标。因而，度规张量，或者说是从度规计算出来的“曲率”，可以用来度量空间的弯曲程度。如果我们考虑四维“时空”，度规张量所包含的数值就更多了，不止9个，应该有16个值。并且，正如我们在介绍闵可夫斯基空间，解释图1-4-3时所强调的，包括了时间维的“空间”，具有一些特别的性质。比如，那种“空间”中的“距离”，不一定是正数，可以是正、负、0，根据两个事件之间的关系是类时、类空或者类光而决定。广义相对论中，除了仍然必须记住上述概念之外，还需记住“时空”可能是不平坦的、弯曲的，度规张量gij有16个分量，也许很复杂。
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（3）爱因斯坦场方程
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求解任何方程的目的，都是从某些已知条件，得到未知函数。对广义相对论场方程而言，已知条件是空间的物质分布，未知函数就是刚才介绍的时空的“度规”gij。
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图1-5-2 爱因斯坦场方程
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爱因斯坦场方程的右边描述空间的物质分布和能量分布，用一个称为“能量动量张量”的数学形式表示。另外一边是时空的几何性质，用黎曼几何中的曲率张量表示。图1-5-2（a）中所示的就是爱因斯坦场方程，两边都是2阶张量。也就是说，爱因斯坦场方程看起来如同一个矩阵方程。方程右边的G是万有引力常数，T是系统的能量动量张量。左边的矩阵R与时空的曲率有关，即与时空的度规张量gij有关。场方程的意义就是对于系统中给定的质量分布，计算空间的弯曲情况。能量动量张量T包括了系统中（或宇宙中）所有的物质和能量，也可以包括电磁场。
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既然电磁力可以作为能量动量张量的一部分被考虑进场方程中，是否意味着爱因斯坦场方程已经将电磁作用统一起来了呢？事实并不如此，因为将电磁场包括在能量动量张量中，只不过是将它像普通物质一样地考虑了它产生的引力效应，只不过使得最后得到的场方程的解所描述的时空弯曲中也包括了电磁场能量的贡献，但并没有涉及电磁场对带电粒子的电磁作用。换言之，能量动量张量中包括电磁能量的做法与麦克斯韦方程无关。
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如何扩展广义相对论时空的几何范围，才能将麦克斯韦方程与引力场方程统一在一起？显然，维数在这里是一个限制。大家都知道，我们生活的空间是三维的，加上一维时间，不过是四维而已，是否能够找一个额外的空间来容纳麦克斯韦方程呢？
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（4）五维空间
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德国数学家西奥多·卡鲁扎（Theodor Kaluza，1885—1954年）提出一种将四维空间增加到五维的办法来统一引力场和电磁场。
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引力场的方程建立在四维空间的基础上。在数学上，空间的维数n没有限制，可以是任何正整数，表示需要n个数值来决定这个空间中一点的位置。比如说，我们的物理空间是三维的，需要3个数值来决定我们在其中的位置，这3个数值在数学公式中可以写成（x，y，z），在地理上可以写成经度、纬度、高度，这是维数在物理上的意义。相对论将时间作为另外的一维，和3个空间维组合在一起，构成四维时空模型。这只是构造物理理论之需要，并非唯一的道路和方法。也就是说，如果不使用闵可夫斯基四维时空的方法，而仍然将空间和时间分开看待，但只要不忽视它们之间的内在联系，即洛伦兹变换，也一样可以建立相对论，得到同样的结果。但是，那样得到的理论，描述和计算均会很复杂，公式写起来也可能会不对称、不漂亮了。
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因此，总结上面的观点，使用统一的四维时空，是为了建立数学模型的需要。时间和空间虽然是不同的物理对象，具有不同的物理本质，但是它们互相关联。将它们统一在一个数学空间中，能够更方便、简洁地表现它们之间的内在联系，体现数学美。并且，相对论将时间和空间统一在一个框架中，让理论看起来漂亮，并不只是为了满足数学家和理论物理学家的“美感”，也不仅仅是为了计算更简单，最终目的还是为了更深入地理解物理规律之间互相联系的内在本质，更容易发现新的自然规律，发展再下一层次的理论。这也就是理论“统一”的意义所在。
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那么，为什么一定要将电磁作用和描述引力的时间空间统一在一起呢？引力场方程和麦克斯韦方程不是分别工作得好好的吗？我们也可以类比于相对论来寻求这个问题的答案。时间和空间在物理上是完全不同的，统一起来处理是因为它们之间具有紧密的内在联系。电磁现象发生在时空中，也应该与时空有紧密的内在联系，将它们与时间空间统一在一个数学空间的框架中，有利于探索发掘它们之间更多更深刻的内在联系，发展新理论，预测新现象。
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