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按照这个指导思想，爱因斯坦开始了他寻找引力场方程的摸索。这真的是在黑暗中摸索，因为爱因斯坦也清楚自己并不是个出色的数学家，对他来说构建数学方程可比思考几个思想实验困难太多了，根本无从下手。后来，爱因斯坦在他大学同学的帮助下，找到了黎曼几何这个有效的数学工具，黎曼几何不仅可以研究闵可夫斯基的四维时空性质，而且黎曼几何的空间性质不依赖于坐标系的选择。在指导思想和数学工具都已经清楚的情况下，爱因斯坦终于在 1915 年成功构建出了引力场方程：
引力场方程是一个二阶非线性偏微分方程组，实际上是包含了 16 个方程的方程组，方程左边是对时空曲率的描述，右边是对物质存在状态的描述。引力场方程是个非常复杂的方程，数学上求解方程是很困难的一件事，爱因斯坦在构建出方程后一时也给不出方程解，后来运用很多近似的方法，从引力场方程中得出了很多关于宇宙最初的预言。引力场方程表明，引力场的存在会造成时空弯曲，而引力只是物体在弯曲时空中运动时所表现出的一种假象力。爱因斯坦又通过引力场方程进一步推导出运动方程，对物体在弯曲的时空中如何运动进行了描述。至此，整个广义相对论的理论体系得以完整建立。