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原标题:天崩地坼都频频!宇宙的4种终极消亡格局 - 宇宙

浏览次数:114 时间:2019-11-29

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北京时间6月8日消息,据英国广播公司网站报道,对于本文以下将要叙述的内容请保持镇定:我们的地球注定将会毁灭。但如果你幸灾乐祸,那么还有一个消息,那就是你可能还需要等上一段时间,比如60亿年——在那之后,膨胀为红巨星的太阳将吞噬整个地球。

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然而地球也仅仅是太阳系中的行星之一,太阳也只是银河系中数千亿颗恒星之一,而在我们可以观测的宇宙之中,还有着数以千亿计的其他星系。所有这一切的命运将会是什么?宇宙会终结吗?

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自诞生以来,我们的宇宙便处于不停的膨胀之中

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目前认为,宇宙有4种可能的最终命运,但它们的共同点都是毁灭

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M47星系,所有的星系都在远离我们,宇宙正在加速膨胀

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宇宙微波背景辐射。这是宇宙大爆炸的余晖

据国外媒体报道大约60亿年后,地球很可能被蒸发,因为届时垂死的太阳将膨胀成一颗红巨星吞没地球。但地球只是太阳系里的一颗行星,太阳只是银河系里几千亿颗恒星中的一颗,整个可观测宇宙里存在几千亿个星系,那么它们的命运是什么呢?宇宙将如何终结?

“热寂就要降临”

科学很少关注于这将如何发生,我们甚至不确定宇宙是否会到达一个确定的终点,或者就是慢慢缩小。我们对物理学最好的理解表明宇宙模式可能存在几种可能性,这将提供某些我们将如何存活的暗示。

依照我们目前的科学认识水平甚至还无力去探讨这一切为何会如此,我们甚至还无法断言宇宙是否将会迎来一个确定的突然终结或是缓慢的消亡。但按照目前我们对于物理学的最佳理解,宇宙最终将会有几种不同的结局,但它们无一例外都将是灾难性的。物理学同时也给出了我们该如何做,或许就可以逃脱灭亡的一些线索。

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我们对于宇宙终结的第一个线索来自热力学,也就是对热的研究。热力学就像是个一脸狰狞的物理学传道士,沿着街道行走,手上拿着一张大大的海报,上面写着:“热寂就要降临”。

有关宇宙终结的第一个线索来自热力学。宇宙的热死亡并不是火焰的地狱,而是死于不同差异的热。这听上去可能并不令人害怕,但热寂比活活烧死更糟糕。这是因为几乎日常生活的一切事物都需要某种温度差异,无论是直接的还是间接的。例如,你的汽车能够跑动是因为发动机内部比外部更热。你的电脑依靠当地电厂提供的电运行,而电可能来源于加热水或者风力发电。

但尽管从名字上听起来非常恐怖,但它的实际意义并非是说我们将会被活活烧死,这里的“热寂”更多指代的是热力差的消亡。

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这听上去似乎并没有什么大不了的,但实际上这样的前景甚至要比将我们直接烧死更加糟糕。这是因为我们生活中的几乎任何事物都需要仰赖于某种程度温差的存在,不管是直接的还是间接的。

图为像M74这样的星系正在远离我们。然而,一旦宇宙到达热寂,任何地方的任何事物都是相同温度,这意味着将不会发生任何事情。每一颗恒星都将死亡,几乎所有物质都将腐烂,最终剩下的只是稀疏的粒子汤和辐射。即使这个汤的能量也会因宇宙膨胀而被时间冲走,留下万物温度只略微高于绝对零度。

举例来说,你的小汽车之所以能够在路上开动,这是因为你的车子的引擎内部温度要比外部更高。你使用的家用计算机需要依赖你家附近的发电厂提供能源,而那座电厂的工作基础可能是烧水使之沸腾并用水蒸气驱动发电机组。另外,你需要吃东西来维持生命,而你之所以会有食物可吃,还要感谢太阳与宇宙其他区域之间存在的温度差。

在这个大冻结情境里,宇宙将变得寒冷、死亡和空虚。在19世纪早期发展热力学理论之后,热寂似乎是宇宙终结的唯一可能性。但是100年后,爱因斯坦的广义相对论表明宇宙可能拥有一个更加戏剧性的命运。

然而,一旦宇宙抵达热寂状态,宇宙中任何区域,一切事物都将是同一个温度。这就意味着宇宙中任何“有趣”的事物都将不复存在。

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所有的恒星都将死亡,几乎所有的物质都已经衰变分解,最终整个宇宙中将只剩下稀疏分布的均匀的粒子与辐射“汤”。甚至连这“宇宙汤”中的能量也将最终随着宇宙的膨胀而被彻底稀释掉,使其温度降到只比绝对零度超出一点点的水平上——就在这“大冻结”中,整个宇宙陷入一片死寂:均匀而彻底的寒冷,死寂,空旷。

图为宇宙微波背景辐射。广义相对论认为物质和能量会弯曲时空。时空和物质-能量之间的关系延伸至整个宇宙。根据爱因斯坦的观点,宇宙的事物决定了宇宙本身的最终命运。这一理论预测宇宙作为整体要么膨胀要么收缩。它的大小不会维持恒定不变。

实际上,在19世纪初物理学家们最初发展出热力学理论时,人们曾经一度认为这样的“热寂”理论似乎就是我们的宇宙唯一确定的宿命。但在大约100年前,爱因斯坦提出的广义相对论却指出,宇宙将面临远比这更加狂暴的命运。

1917年爱因斯坦意识到这一点,但他不愿相信这一点以至于捏造了自己的理论。1929年,美国天文学家埃德温?哈勃(Edwin Hubble)发现了宇宙正在膨胀的证据。爱因斯坦改变了心意,表示他之前坚持静态宇宙是职业生涯犯的最大的错。如果宇宙在膨胀,那么它之前一定比现在小。

在特定的条件下,液态水可以在低于冷凝点的情况下不发生冻结

这导致了宇宙大爆炸理论:宇宙最开始是极其小的,然后瞬间快速膨胀。即使是现在我们仍可以看到宇宙大爆炸的余晖,也就是宇宙微波背景辐射一种来自天空各个方向的恒定无线电波流。

或许存在一种能级更低的新形式的“真空”。如果这样的情况的确存在,那么对于我们绝对不是什么好消息

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“大冻结”还是“大塌缩”?

在宇宙大收缩里,宇宙可能自我坍塌。宇宙的命运取决于一个非常简单的问题:宇宙是否将继续膨胀?速度有多快?对于一个包含正常东西,例如物质和光的宇宙而言,这个问题的答案取决于这些东西有多少。更多东西意味着更多引力,它将拖拽所有一切并减慢膨胀速率。只要东西的数量不超过一个严格的界限,宇宙将继续膨胀,最终经历热寂和冻干。但如果东西数量并不多,那么宇宙的膨胀可能会减慢和停止。然后宇宙开始收缩。一个收缩的宇宙将变得越来越小,变得更热更密集,最终形成一个紧凑的地狱,有点类似颠倒的宇宙大爆炸,被称为宇宙大收缩。

相对论指出物质和能量会弯曲时空。这种“时空”与“质能”之间的关系就像是舞台与在它上面表演的演员,只是在这里舞台延伸到了整个宇宙。而根据爱因斯坦的想法,宇宙中的物质将决定宇宙本身的最终命运。

在整个20世纪,天体物理学家都不确定将发生哪一种情景。大冻结还是大收缩?冰还是火?他们试图进行一项宇宙普查,补充宇宙里究竟还有多少物质。结果发现我们非常接近严格的界线点,这导致我们的命运再次悬而未决。而这一切在20世纪末发生了改变。1998年,两组相互竞争的天体物理学家小组宣布了一项令人惊讶的发现:宇宙的膨胀在加速。正常物质和能量无法做到这一点。这是一种新类型能量,名为暗能量的存在证据,这种能量的特性与宇宙里任何其他的都不相同。暗能量会撕裂宇宙,我们仍然不知道它究竟是什么,但宇宙里70%的能量都是暗能量,且这个数字一直在增加。

相对论预言,作为一个整体,宇宙必定正处于膨胀或收缩的状态下,而不可能保持相同大小。爱因斯坦是在1917年意识到这一点的,在当时他完全无法接受这样的结果,以至于认为一定是自己的理论哪里出错了。

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随后在1929年,美国天文学家埃德温·哈勃发现了宇宙的确正在膨胀的证据。获悉这一情况之后,爱因斯坦改变了自己的观点,并将自己此前对静态宇宙理论的坚持称为“我职业生涯中最大的错误”。

暗能量的存在意味着宇宙里物质的量可能无法决定宇宙的最终命运。相反,控制着宇宙的是暗能量,它加速了宇宙膨胀。这导致大收缩理论发生的可能性比较低。但也并不意味着大冻结一定会发生。仍然存在其它可能性。其中一个起源于亚原子粒子的世界,这可能是宇宙最奇怪的命运。它听起来就像科幻小说里的情节,从某种角度上说,它的确是。

那么如果宇宙的确正处于膨胀之中,那么在此之前宇宙一定要比现在更小。这一想法催生了宇宙大爆炸学说的出现。该理论认为宇宙最初是从某种极端微小的开端肇始的,随后发生了难以置信的快速膨胀。甚至在今天我们仍然能够在微波波段的背景辐射中目睹宇宙大爆炸留下的“余晖”,这是一种均匀的电磁波信号,分布在宇宙的所有方向上。

真空可能忽然落入非常低的能量水平。在库尔特?冯内古特的经典科幻小说《猫的摇篮》里,冰-9是水冰的一种新形式,它有着不可思议的特性:它在46摄氏度的温度下凝结,而非0度。当冰-9晶体落入一杯水里,周围所有的水都会立即模仿晶体,因为它的能量比液态水更低。冰-9的新晶体也会导致周围的水在一瞬间变成这样,这种连锁反应导致玻璃杯里的水甚至全世界的海洋都形成固态冰-9。在现实生活里,正常的冰和水也可能发生相似情形。如果你将纯净水倒入一个非常干净玻璃杯里,并将它冷却至0度一下,水就变得超级冷却:它会在自然凝固点以下保持液态。水里并没有任何杂质,所以冰无法形成。但如果你将一颗冰晶扔进杯子里,水将快速冻结,就像冰-9一样。冰-9和超冷却的水似乎与宇宙命运并不相关,但空间本身可能发生相似情景。

于是,我们所在宇宙的命运完全取决于一个非常简单的问题的答案:宇宙将会继续膨胀吗?这种膨胀有多快?

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对于一个包含大量常规“充填物”的宇宙,如物质和光,那么这个问题的答案就取决于这些“充填物”的量有多少。更多的“充填物”就意味着更加强大的引力,而这会将一切“往回拉”,从而导致宇宙的膨胀减速。

只要这些“充填物”的量没有多到超过某个临界点,那么我们宇宙将会继续膨胀,并最终抵达热寂状态,在“大冻结”中迎来死亡。

但如果宇宙中“充填物”的数量超过了临界值水平,那么宇宙的膨胀就将不断减速并最后停滞。随后,宇宙开始出现收缩,变得越来越小,温度不断上升,密度不断加大。最终,宇宙迎来终极压缩的命运——与大爆炸的情景相反,这种情况被人们称作“大塌缩”。

在20世纪的大部分时间里,天体物理学家们无法判断这两种可能情景中究竟哪一种才是真实情况。我们究竟将迎来何种终极命运?“大冻结”还是“大塌缩”?冰还是火?

于是他们决定开展一次宇宙大调查,目的是查明宇宙中究竟含有多少“充填物”。这项研究的结果却发现我们宇宙中“充填物”的量奇怪的恰好位于临界点的附近,这就让我们宇宙的未来命运变得捉摸不定。

量子物理学原理指出,即便是“完全的”真空中也存在着能量

幽灵暗能量将撕裂并毁灭宇宙中的一切

首先,幽灵暗能量将开始撕裂星系

随后,恒星和行星将会被撕碎

“大转变”与“终极生态灾难”

然而这一切都在20世纪末的一天被彻底改变了。在1998年,两个相互竞争的独立研究小组先后宣布了一项惊人结果:宇宙的膨胀正在加速。

这种现象是难以解释的。正常的物质和能量不可能造成这种情况的出现。这是人类首次接触到一类全新的能量形式——被称为“暗能量”存在的线索,其行为特征与宇宙中任何其他东西都完全不同。

暗能量正在撕裂整个宇宙。科学家们到目前为止仍然未能理解暗能量究竟是什么东西,但他们已经可以判定,整个宇宙中大约70%的能量属于暗能量,并且这一数字每天都在增加。

暗能量的存在意味着宇宙的终极命运并非由其内部所含的“充填物”来决定。相反,暗能量控制了宇宙的前途,它让宇宙不断加速膨胀。面对这样的情况,“大塌缩”的前景已经变得非常不可能。但这也并不意味着“大冻结”是无法避免的。这其中还存在着其他的可能性。其中的一项理论并非源自宇宙学研究领域,而是来自亚原子粒子研究领域。

美国作家库尔特·冯内古特在其经典科幻小说《猫的摇篮》一书中设想了一种新的水冰形式,叫做“冰-9”,它的凝结温度不是0摄氏度,而是46摄氏度。当一颗“冰-9”晶体被丢进一杯水里,这颗晶体周围的水分子便立即开始转变为与“冰-9”相同的结构,因为前者的结构拥有更低的能级。

随后这些新形成的“冰-9”分子又开始对其周围的其他水分子产生同样的作用——在一瞬间,失控的链式反应已经将整杯水全部变为“冰-9”成分——它也可以瞬间将整个地球上所有海洋中的水体全部变成“冰-9”。

同样的情况在现实中使用正常的冰和正常的水也会发生。如果你使用非常纯净的水,将其倒入一只非常干净的玻璃杯中,然后将其降温到刚好低于零度的水平。此时杯中的水体将处于过冷却状态:尽管水温已经跌破凝结温度,但水体依旧保持液态。这是由于水体非常纯净,杯子内壁也非常光滑,完全没有瑕疵,冰无法找到开始凝结的地点。但如果此时你将一颗小冰粒扔进杯子里,这杯水就将迅速凝固——就像“冰-9”产生的效应那样。

这里讨论的“冰-9”和过冷却水当然不会对宇宙的命运产生什么影响。但空间之中可能会上演相似的情形。

量子物理学原理指出,即便在完全的真空之中实际上也存在非常少量的能量。但可能还存在另外一种类型的真空,其所包含的能量更低。如果这一想法正确,那么我们的整个宇宙就像是那一杯处于过冷却状态的水。它一直存在着,直到有一颗能级更低的“小冰晶”出现。

幸运的是,我们目前还尚未观测到这类“小冰晶”存在的迹象。但同时不幸的是,量子物理学同时也指出,如果一种更低能级的真空状态是可能的,那么这种真空将无法避免的在某个时刻,于宇宙的某处出现。

如果发生了这种情况,就像一颗“冰-9”被丢进了宇宙这杯水里——新的,能级更低的真空将会把其周围“旧的真空”转变为与它一样的“新的真空”。这颗“小冰晶”造成的影响将以接近光速的速度扩散开来,因此我们将永远无法预见到它的到来。一旦转变完成,一切都将变得极为不同。

一些基本粒子,如电子与夸克的性质将变得完全不同,从而彻底改写化学定律,甚至可能导致原子无法形成。在这一“大转变”中,人类,行星,甚至是恒星本身都将被彻底摧毁。在一篇发表于1980年的论文中,物理学家悉尼·科尔曼和弗兰克·卢西亚将这一前景称为“终极生态灾难”(theultimateecologicalcatastrophe)。

更为雪上加霜的是,在“大转变”之后,暗能量的表现形式可能将变得有所不同。与此前导致宇宙不断加速膨胀不同,此时的暗能量可能将转而导致宇宙不断收缩,并最终迎来“大塌缩”。

我们能够逃离这样的命运吗?

目前的理论认为,新生的宇宙曾经经历过极其迅速的膨胀,即所谓的“暴涨”理论

暴涨理论认为我们所处的宇宙仅仅是所谓“多重宇宙”中的一个,并且存在着一个永恒膨胀的“背景”,它在不断制造出像我们所处的宇宙这样的新的“宇宙气泡”

“大撕裂”与“幽灵暗能量”

另外还有第四可能的情形,在这种情形中暗能量仍然居于中心位置。不过这一理论给出的前景是高度揣测性的,因而可能性非常低,但即便如此仍然不能予以完全的排除。该理论的中心思想是:暗能量很有可能比我们目前所想象的更加强大,它甚至可以凭借一己之力直接造成宇宙的终结,而根本不需要经过什么“大转变”、“大冻结”或是“大塌缩”。

暗能量具有一种非常奇特的性质。随着宇宙膨胀,它的密度不会发生变化。这就意味着随着时间推移,宇宙中正在产生越来越多的暗能量,从而能够跟上宇宙不断膨胀的空间并保持其密度的不变。这种情况非常不同寻常,但并未打破任何的物理学定律。

然而情况还可以变得更加诡异——如果暗能量的密度随着宇宙的膨胀而增加,情况将会如何?换句话说,如果宇宙中暗能量的增加速度超过了宇宙本身的膨胀速度,那将会如何?

这个问题是由美国新罕布什尔州达特茅斯学院的罗伯特·查得威尔提出来的。他将其称为“幽灵暗能量”,它将引导宇宙走向一条诡异的命运之路。

如果所谓的“幽灵暗能量”真的存在,那么“黑暗终将胜利”——正如电影《星球大战》中警告我们的那样。

目前,宇宙中暗能量的密度还非常低,远低于地球上物质的密度水平,甚至是银河系中物质的密度水平。但随着时间的推移,这种“幽灵暗能量”将会持续累积并最终撕裂宇宙。

在一篇2003年发表的论文中,查得威尔和他的同事们构建出了一套他们称之为“宇宙末日”的理论。其核心内容是:一旦“幽灵暗能量”的密度超过宇宙中的某一个物体,这个物体就将被撕裂。

这也就意味着,“幽灵暗能量”将首先撕裂银河系,其中的恒星将散落各处。随后密度更高的太阳系将会被撕裂,因为此时暗能量将物质撕裂开的力量已经超过了太阳引力场对地球和其他公转天体的牵引作用。

紧接着,在短短几分钟内,地球将会被撕裂。再然后,原子将被粉碎,最终,整个宇宙将会被撕碎。查得威尔将这种前景称为“大撕裂”。

查尔维尔自己也承认,他的“大撕裂”理论看上去非常怪诞离奇,但这并不意味着它完全不可能发生。

有关幽灵暗能量的理论与一些基本宇宙理论之间存在存在冲突,比如一项基本的传统假设,即认为物质与能量的运动速度不可超越光速。因此我们有足够的理由拒绝相信这一理论。

基于我们对宇宙膨胀的观测以及粒子物理学的实验结果,宇宙的最终命运更有可能是“大冻结”,很有可能在那之后还会经历“大转变”以及一次终极的“大塌缩”。

逃离厄运的希望

这样的未来一片黑暗——亘古持久的冰冷空旷,随后在一次真空衰变中被终结,最终迎来终极塌缩,一切全部消失。有没有可能逃离这样的噩梦?抑或这是我们命中注定的末日?

当然对于我们每个单独的个体而言,根本就没有必要去担心这样的事情。因为除了“大转变”的时间可能还难以预料之外,以上所讨论的这些事都是在亿万年之后才有可能发生的,因此对于我们而言,它们还“尚未成为”某种非常重要的问题。

另外,我们似乎也根本不必为人类的命运担忧。如果没有发生其他变故,经历如此久远的时间,光是遗传漂变效应就已经足以让我们的后代变得与今天的我们完全不同。那么退一万步说,那时候的某种“智慧生物”将能够逃离这样的毁灭命运吗?

美国普林斯顿高等学术研究所的物理学家弗里曼·戴森在1979年发表的一篇经典论文中探讨过这个问题。在当时,戴森认为生命体可以通过对自身进行改造,从而在“大冻结”中幸存。戴森认为逃过“大冻结”要比经历可怕的“大塌缩”容易得多。

然而时至今日,由于暗能量的发现,戴森对于这个问题的乐观情绪已经几乎完全消散了。对此他曾经发表过自己的观点:“如果宇宙正在加速膨胀,那可真是一个坏消息。”加速的膨胀意味着我们将最终失去与绝大部分星系之间的联系,从而大大限制我们能够获取的能源数量。戴森表示:“从长远来看,这是一种非常糟糕的情况。”

然而情况仍然可能发生变化。戴森指出:“我们目前仍然无法确定这样的膨胀是否将会一直持续下去,因为我们根本还不理解宇宙为何会加速膨胀。对此较为乐观的观点是,随着宇宙变得越来越大,这样的加速终将停滞。如果是那样,那么我们的未来将会明朗得多。”

可是如果宇宙的膨胀并没有出现减速呢?或者说,如果有朝一日事情变的明朗,那就是“大转变”即将来临,那时候将会如何?对此,一些物理学家们给出了自己的解决方案,但听上去完全就像是一群疯子科学家的设想:要想逃离宇宙终结的命运,那就在实验室里创建我们自己的黑洞,然后跳进去。

这些物理学家中的一位是美国麻省理工学院的阿兰·古斯,他是极早期宇宙研究方面的顶尖专家。古斯教授表示:“我无法确认物理学定律是否真的允许这样做。但如果这是可能的,那么这也将需要极高的,远远超出我们目前能够预见的技术水平。我们也将需要巨大的能量来创造黑洞并对其进行操控。”

阿兰表示,作为第一步,我们需要创造出一种密度极高的物质——它的密度需要高到几乎达到只差一点就会自行塌缩为黑洞的临界点。如果能够以恰当的方式实现这一步,并迅速清空该区域周围的其他物质,那么我们就有可能迫使这一空间区域发生快速膨胀。

事实上,此时你已经开始创造了一个全新的宇宙。随着该区域空间的膨胀,宇宙的边界将会收缩,形成一个扭曲的空间“气泡”,此时的“里面”要比“外面”更大。

古斯表示,这样的情景对于《神秘博士》的粉丝们可能并不陌生,这部科幻剧里面的TARDIS可能是对于他所提到的空间扭曲模式“相当精准的描述”。

最终,外部的世界完全收缩并消失,新生的宇宙将让我们得以逃脱“旧”宇宙中我们将要面临的所有厄运。

不过基于我们当前的认识水平,我们还远远无法确定这样做是否真的可行。古斯表示:“我必须指出,对于这一点我们还不甚清楚。我们目前还无法确定这样做是否真的可行。”

不过,古斯也指出,除此之外我们在面对宇宙的终结时或许还有着另外的一丝希望——对,只有一丝而已。

古斯是最早提出早期宇宙曾经在极短的时间内经历过一次极高速膨胀的科学家之一,这就是所谓的“宇宙暴涨”。许多宇宙学家现在都相信暴涨理论是目前解释早期宇宙中各类现象的最佳理论。而古斯所说的那“一丝希望”正是基于重现这样的暴涨。

暴涨对于宇宙的命运有着奇妙的影响。该理论认为我们所处的宇宙仅仅是所谓“多重宇宙”中的一个,并且存在着一个永恒膨胀的“背景”,它在不断制造出像我们所处的宇宙这样的新的“宇宙气泡”。

古斯表示:“如果情况的确如此,那么即便我们知道每一个单独的宇宙‘气泡’最终将会死亡,但多重宇宙将会永生,在每一个新的‘宇宙气泡’中都有新的生命被产生出来。在这样的图景之中,多重宇宙作为一个整体是永恒的存在,至少在未来是永恒的,尽管单个的宇宙‘气泡’们不断的诞生,然后死亡。”

卡夫卡的那句话也许说的很对,他说:“有很多希望,无限多的希望——但不是我们的。”

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