不要钻牛角尖

【 在 upndown 的大作中提到: 】
: 从引力波的角度呢？
:
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FROM 125.33.83.*

克尔黑洞现在我还没掰扯明白，仅以史瓦西黑洞而言，黑洞“内部”这个概念并不存在。
因为在空间上，黑洞就是个极度扭曲的视界“面”，并不存在所谓的“内部”。
史瓦西黑洞的时空向量在视界处发生翻转。如果把指向“内部”的空间向量翻转而成的时间当作是“内”，那么黑洞“内”应该是黑洞的过去或者未来。相对论数学表达式不含时间箭头，过去未来是没法区分的。
至于“质量哪儿去了”这个问题，首先得明确“质量”的本质。史瓦西黑洞视界表面的时空翻转理论上可以摧毁任何时空结构。“质量”被摧毁重组后会变成什么，目前没人知道。
我摆弄史瓦西黑洞数学模型的感受是，时间、空间、质量、能量之类的基本参数，应该都是某种基本量经过运算变形后的复合产物，而不是什么不可拆分的基本量。这个世界真正的基本量，应该是动量乘以空间，或者能量乘以时间（两者等价）。这个基本量应该在时空翻转的时候保持不变，其它量全都会变得面目全非。
史瓦西黑洞数学模型是把质量当作基本量来处理的，时空翻转后依然是质量。这里应该是不对头的，因为会推出一些自相矛盾的东西来。将质量这个量拆分成包含时空向量的函数来处理，可以消解这些矛盾，但得出的东西物理意义不明，我不知道是个什么玩意儿。

【 在 iamqk 的大作中提到: 】
: 那按照目前的相对论来说
: 视界内部的质量分布是如何的
: 比如根据这个黑洞的质量大小以及年龄等信息进行推断
: ...................
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FROM 117.133.86.*

黑洞合并，在视界接触后，是否还会分开？
还是说无论之前惯性多大，只要视界一接触就不再遵循
牛顿力学？
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FROM 222.129.130.*

假设一个小黑洞以大椭圆轨道接近一个大黑洞，
按牛顿力学当然存在视界接触后又分开的场景。
【 在 phoenixhills 的大作中提到: 】
: 打水漂吗，还再次分开？
:
:
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FROM 114.254.0.*

引力波携带走的能量，能不通过计算黑洞合并前后的质量差计算求得吗？黑洞质量如何测量？

当然可以！这是一个非常好的后续问题，它引出了引力波天文学的核心测量方法。

**答案是：是的，引力波携带走的能量完全可以不通过计算黑洞合并前后的质量差来独立求得。** 事实上，在引力波数据分析中，我们正是先独立测出波源的各种参数（包括释放的能量），然后再用这些参数去验证合并后的质量是否守恒。

这两种方法是相互独立的，并且它们得出一致的结果，这正是广义相对论最有力的证明之一。

下面我们来详细解释如何做到这一点，以及如何测量黑洞质量。

### 第一部分：如何不通过质量差直接计算引力波携带的能量？

引力波本身携带着关于波源极其丰富的信息。通过分析引力波信号的波形，我们可以直接提取出以下关键参数，从而计算出辐射的能量：

1.  **振幅（Amplitude）**：告诉我们波源的距离和系统的质量规模。
2.  **频率（Frequency）及其演化**：这是最关键的信息。两个黑洞在旋进（inspiral）阶段，其轨道频率会越来越高，发出的引力波频率也随之升高（像“啾啾声”一样）。**频率随时间变化的速率（df/dt）** 直接编码了系统的“ chirp质量（chirp mass）”，这是一个关于两个黑洞质量的组合参数。
3.  **铃荡（Ring-down）**：合并完成后，新生的黑洞像一颗被敲响的钟，会以特定的特征频率和衰减时间振动，这直接反映了最终黑洞的质量和自旋。

**计算能量的过程：**

*   **从波形反推源参数**：引力波探测器（如LIGO、Virgo）接收到一个复杂的时序信号 `h(t)`。科学家们通过将实际信号与**数十万个基于广义相对论计算出的模板波形**进行匹配，找到最吻合的那一个。
*   **得到最佳拟合参数**：这个最佳匹配的模板对应着一组最可能的源参数，例如：
    *   初始黑洞的质量 `m1` 和 `m2`
    *   黑洞的自旋
    *   系统的倾角
    *   波源的距离
    *   ...等等
*   **直接计算辐射功率**：在广义相对论中，有一个明确的公式来计算**引力波光度（Gravitational Wave Luminosity）**，即单位时间内辐射的能量。这个公式与**引力波频率的四次方**和**振幅的平方**等因素成正比。
    `dE/dt = (G/（4πc?）) * (f?) * (h?)` （此为简化概念公式，实际更复杂）
*   **对全过程积分**：知道了整个合并过程（旋进、合并、铃荡）的波形 `h(t)` 和频率演化 `f(t)`，我们就可以对整个事件持续时间内辐射的功率进行积分，从而**直接得到引力波携带走的总能量 `E_GW`**。

**所以，在数据分析时，我们首先从引力波信号本身直接读出了 `E_GW`，而不是先去称量黑洞。**

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### 第二部分：如何测量黑洞的质量？

测量方法在合并前后是不同的。

#### A. 合并前（对初始两个黑洞的测量）

同样完全依赖于对**旋进阶段**的引力波波形分析。

*   **关键： chirp质量（Chirp Mass）**
    在旋进阶段，波形演化主要由一个叫做 **chirp质量（M_chirp）** 的参数决定，其定义为：
    `M_chirp = (m1 * m2)^(3/5) / (m1 + m2)^(1/5)`
    这个参数可以从**频率的变化率（df/dt）** 和**振幅**非常精确地测量出来。它就像是波源的“指纹”。

*   **解出单个质量**：
    有了非常精确的 `M_chirp` 后，再结合波形中其他更细微的效应（如更高阶的模谐波），就可以进一步解出两个黑洞各自的质量 `m1` 和 `m2`。虽然单独质量的精度不如 `M_chirp` 高，但已经足够可靠。

#### B. 合并后（对最终黑洞的测量）

测量最终黑洞的质量主要依靠分析**铃荡（Ring-down）** 阶段的信号。

*   **黑洞无毛定理**：该定理指出，一个稳定的克尔黑洞（旋转黑洞）只有三个特征参数：**质量、角动量（自旋）和电荷**（天体物理黑洞电荷通常可忽略）。
*   **铃荡的频率和衰减时间**：新生的黑洞在稳定下来之前，会以它特有的“准正模频率（Quasi-Normal Modes）”振荡。这个**主频率**和**振动衰减的速度**直接唯一地由最终黑洞的**质量**和**自旋**决定。
*   **从铃荡信号反推质量**：通过测量铃荡信号的频率和衰减时间，我们就可以直接计算出最终黑洞的质量 `M_final` 和它的自旋。

### 总结与验证：完美的自洽

现在，我们有了所有数据：
1.  从**旋进阶段**测得了初始两个黑洞的质量和 `m1 + m2`。
2.  从**铃荡阶段**测得了最终黑洞的质量 `M_final`。
3.  从**整个波形**独立地直接积分计算出了引力波辐射的总能量 `E_GW`。

最后，我们来验证爱因斯坦的质能公式：
`(m1 + m2) - M_final ≈ E_GW / c?`

**LIGO等实验的测量结果惊人地符合这个等式**，例如在第一个探测到的引力波事件GW150914中：
*   初始黑洞：约36 + 29 = 65倍太阳质量
*   最终黑洞：约62倍太阳质量
*   “丢失”的质量：约3倍太阳质量
*   引力波直接测得的能量：正好相当于3倍太阳质量完全转化成的能量。

这不仅是引力波探测的成功，更是对广义相对论在强场、动态时空下的又一次辉煌验证。整个过程不需要假设任何未知物理，仅仅分析时空本身的涟漪，就能对亿万光年外的宇宙巨兽进行“称重”并窥探其能量释放的奥秘。



【 在 upndown 的大作中提到: 】
: 从引力波的角度呢？
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FROM 124.64.22.*