Afleveringen
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万有理论是科学家梦寐以求的一种终极理论，而且人类对此的追求，已经延续了几千年。原始民族大多流传着各种神话和传说，试图解释世界运行的规律。宗教以外，当然还有科学或哲学。例如，古希腊的哲学家就尝试运用几条基本公理，推导出世界上各种现象背后的原理。十七世纪的牛顿力学，也是运用数学和实验推导出来的一套既简单而又能够解释物体运动原理的理论。
但是进入二十世纪，科学家又发现牛顿力学原来也不是万有理论，代之而起的是相对论和量子力学，而且两者并不相容。于是，人类又再次回到追寻万有理论的循环里面，希望有朝一日可以找到这个终极理论。而超弦理论，就是目前其中一个比较有希望的方向。
关于对万有理论的追求，很多人可能觉得难以理解。究竟万有理论的吸引力在哪里？为什么科学家千方百计都要找到它呢？找到万有理论，又是否代表科学的终结呢？这些问题，张老师会为你逐一探讨。
# 这是《科学在身边．宇宙专题》的最后一集。下个星期将会有全新的专辑推出，名为《科学在身边．未来科学家》。在这个专辑里面，张老师会换一个角度，跟你说说科学家是怎样炼成的，科学家究竟是怎样的一群人，与及他们又是怎样做研究的。透过这个全新的角度，希望可以为你带来另一种启发。这个专辑将会在下星期一同样时间，在《知道粤语频道》上线，有兴趣的朋友，欢迎免费订阅。
【主播简介】
张浩然，科技大学理论物理学学士及物理学哲学硕士，英国布里斯托大学教育博士。
知乎主页：
https://www.zhihu.com/people/DrHaoranZhang
各位听众好：为了提升我们节目的素质，使您们有一个更好的聆听体验，我们准备了一份只有五条问题的简单问卷，希望邀请尊贵的您，给我们宝贵的意见。连结在此：
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【专辑简介】
《知道．粤语频道》是首个云集博士级学者的粤语频道，旨在为全球粤语听众打造一系列「生活品味」内容！
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标准模型是粒子物理学的核心理论。但是标准模型的最大缺陷，就是没有考虑到万有引力。宇宙里面有四种基本力，分别是强力、弱力、电磁力、万有引力。其中前面三种力都出现在微观尺度，可以用量子力学中的标准模型来解释，而万有引力则可以用爱因斯坦的相对论来解释。
一般来说，量子力学和相对论通常都可以二择其一。可是，宇宙中真的有些情况，是量子力学和相对论都无能为力的，例如是在黑洞的中心，或者在宇宙大爆炸不久，因为这些都是微观尺度，量子效应很明显，同时万有引力又大到不能忽略不计。
科学家的终极目标，是寻找一个在任何的物理条件底下，都能够解释宇宙中所有现象的万有理论。量子力学和相对论，各自都有不能应付的时候，所以都不能算是万有理论。而这个困难的其中一个解决方案，就是超弦理论 (superstring theory)。超弦理论的内容是什么呢？它为何有希望成为科学家梦寐以求的万有理论呢？关于这个问题，张老师会在这一集为你讲解。
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Zijn er afleveringen die ontbreken?
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巨型强子对撞机 (LHC) 是人类历史上能量最大的粒子加速器，建造成本达到48亿美元，每年的营运开支也达到10亿美元。这台机器2008年9月10日开始运作，在过去的11年间进行了很多大大小小的实验。其中最重要的成果之一，就是发现希格斯玻色子 (Higgs boson)，也就是大名鼎鼎的「上帝粒子」。
「标准模型」是粒子物理学目前最成功的理论，它的雏形早在1950年代就已经出现。如今，标准模型已经成为了粒子物理学之中的牛顿定律，拥有非常重要的地位。但是标准模型有一处空白，必须以一种前所未知的粒子来填补。科学家一直苦苦寻找这个神秘粒子，最终在2012年，在巨型强子对撞机的实验里，才终于证实了这个粒子的存在。这个粒子，就是「上帝粒子」。
究竟标准模型的问题在哪里呢？「上帝粒子」如何填补这个缺环呢？「上帝粒子」又为什么叫做「上帝粒子」呢？这些问题，张老师会在今集为你逐一解答。
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为了研究基本粒子，科学家除了埋头苦干，进行各种行外人难以明白的理论计算之外，还需要一些适当的实验仪器来进行实验，验证他们的理论。讲到高能粒子物理学的实验仪器，当然不得不提的是粒子加速器。其中最有名的粒子加速器，应该就是位于瑞士和法国边境地底的巨型强子对撞机 (LHC) 了，它是人类目前所建造的能量最大的粒子加速器。
巨型强子对撞机真的很巨型。它的圆周有27公里，差不多就是北京市二环路包着的范围。「强子」泛指好像质子一类的粒子，巨型强子对撞机就是设计用来加速强子的。「对撞」两个字的意思亦都很清楚，因为它会让两束强子高速对撞。
那么，巨型强子对撞机的原理又是怎样的呢？让粒子对撞的意义又在哪里呢？今集，张老师会为你介绍这一台可怕又可敬的巨型机器。
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「高能粒子物理」是物理学里面一个很重要而又有趣的课题。如果说量子力学是有关微观粒子的物理学，那么高能粒子物理就是基本粒子的物理学。基本粒子当然也是微观粒子，微观粒子却不一定是基本粒子。原来，所谓的微观粒子只要足够小就可以了，但是基本粒子除了要小之外，还要是不能够再进一步分割的，是物质的最基本组成单位。
原子并不是物质的最基本组成单位，因为原子可以进一步分割成质子、中子和电子。质子和中子各自又是由「夸克」（quarks） 组成，这夸克才是基本粒子。除了夸克之外，电子、中微子等等称为「轻子」（leptons），也是基本粒子。
还有一种很有趣的基本粒子，它们不代表物质，而是代表能量，科学家都把这些当成为粒子来研究。比如是代表光的「光子」（photon），代表万有引力的「重力子」（graviton），还有号称「上帝粒子」的「希格斯玻色子」（Higgs boson），都是基本粒子。
这么多不同的基本粒子，科学家是怎样研究它们的呢？这些研究又有什么用呢？在这一集，张老师会跟你一起告别低能，畅谈这一门引人入胜的高能粒子物理。
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张老师在大学读物理时做过一个超导体悬浮实验：把磁石放在一块超导体上面，再倒入液态氮。过了一会之后，那块磁石竟然浮起来了！这个现象叫做迈斯纳效应，1933年由德国物理学家迈斯纳及奥克林菲尔德发现。
这个超现实的迈斯纳效应是怎样来的呢？原来，迈斯纳效应是一种宏观量子效应，亦即它本身是一种量子效应，不过由于某种原因，它在宏观世界显现了出来。究竟超导体是什么？它的超导跟量子力学有什么关系？量子效应又如何能够变得宏观呢？在这一集，张老师会为你解释这个神奇的现象。
〔图〕超导体悬浮实验
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上次提到，量子电脑是利用量子力学的原理来进行运算的。由于微观粒子可以同时存在多种量子态的叠加，所以量子电脑比传统电脑有更高的容量与运算能力。
不过有利必有弊。量子电脑可以轻易破解目前在網上交易常用的RSA加密技术，因此必须寻找替代方案。其中一种替代方案称为量子加密技术，它也是基于量子力学原理，而且理论上不会被破解。
这种量子加密技术目前已经有商业应用，而其背后的原理－－「量子缠结」（quantum entanglement），也是非常有趣的一种现象，爱因斯坦称其为「鬼魅般的超距作用」，2016年中国科学院的量子实验卫星墨子号，为量子缠结的研究取得了重大突破。而量子缠结也是《三体》里面智子进行超距通讯的原理。究竟量子缠结是什么？这种原理如何用来加密？它跟智子又有什么关系？今集，张老师会为你进行深入浅出的介绍。
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上回讲到，「量子穿隧效应」是所有半导体的基础，而半导体是现今所有电子科技的基础。今次要讲量子力学的另外一个应用，这个应用也是跟电脑有关，不过不是传统的电脑，而是更厉害的量子电脑 (quantum computer)。
1981年，物理学家费曼 (Richard Feynman) 在麻省理工的一次学术研讨会上，讨论了量子电脑的构想。费曼是1965年诺贝尔物理学奖的得主，他有一个绰号叫做「科学顽童」，因为他经常都有一些异想天开的想法。作为一名量子物理学家，他当时关注的是如何使用电脑来模拟量子物理中的现象。传统的电脑由于容量和运算能力的限制，只能对物理系统进行近似的模拟，亦即是说这些模拟既不完整，也不准确。费曼并不满足于近似的模拟，于是他就提出，有没有可能运用我们对量子力学的认知，建构一种全新的电脑，用量子力学来模拟量子力学。这个设想，就是量子电脑的雏型。
那么具体来说，量子电脑的原理是怎样的呢？它目前发展到什么程度呢？除了模拟之外，量子电脑还可以用来解决什么问题呢？今集，张老师会为你讲解。
参考文献：
Bravyi, S., Gosset, D., & Koenig, R. (2018). Quantum advantage with shallow circuits. Science, 362(6412), 308-311.
Feynman, R. P. (1982). Simulating physics with computers. International Journal of Theoretical Physics, 21(6), 467–488.
He, Y., Gorman, S. K., Keith, D., Kranz, L., Keizer, J. G., Simmons, M. Y. (2019). A two-qubit gate between phosphorus donor electrons in silicon. Nature, 571(7765), 371.
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很多年前有一个魔术，你可能也听过，就是著名魔术师大卫高柏飞 (David Copperfield) 于1986年表演的「穿越长城」的魔术。在这个魔术里面，大卫高柏飞从长城的一侧消失，过了一会，竟然在长城的另外一边出现，就好像他穿过了长城一样。由于长城在中国人心目中的重要性，这个魔术当年引起了全国广泛的关注。
当然，魔术归魔术，大卫高柏飞不可能真的穿过了长城。但是在量子力学里面，像这样穿墙透壁的表演，并不是魔术，而是在微观世界里面很普遍的一种现象，名叫「量子穿隧效应 (quantum tunneling effect)」。
量子穿隧效应有很多重要的应用。张老师在大学时就做过一个利用量子穿隧效应拍摄原子照片的实验。另一个更重要的应用是半导体，亦即现今所有电脑和手机的基础。没有量子穿隧效应，就不可能有电脑和手机，更加不可能有互联网。那么，量子穿隧效应究竟是什么？原子的照片是怎样拍出来的呢？这个效应又是怎样跟电脑和手机有关？请留意今集的节目。
【图一】量子穿隧效应的原理
【图二】扫描电子穿隧显微镜的原理
【图三】利用扫描电子穿隧显微镜拍摄的石墨原子
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「平行宇宙」是科幻故事里面很常见的主题。通常的说法是这样的：我们所身处的宇宙并不是唯一一个宇宙。除了我们的宇宙之外，还有很多个相似的宇宙平行地存在着。其中一些宇宙里面，可能还有另外一个你，但是你在那个宇宙中的遭遇，又跟这个宇宙中的你不尽相同。
平行宇宙并不完全是科学幻想。这个理论其实是哥本哈根诠释以外，量子力学的另外一种理解方式。提出平行宇宙理论的是一位名叫 Hugh Everett 的美国物理学家。他是爱因斯坦的粉丝，小时候就已经跟当时在普林斯顿大学任教的爱因斯坦通信，长大后亦进入了普林斯顿大学物理系，专攻量子力学。平行宇宙理论，就是他在1957年发表的博士论文里面提出来的。
那么，平行宇宙理论的内容是什么呢？它如何解决哥本哈根诠释的问题？它跟科幻故事里面的平行宇宙又有什么分别呢？今集，张老师会带你进入这个引人入胜的话题。
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量子力学里面有一宗著名的虐猫案件：一只可怜的猫被人放到密封的箱子里，箱内有一个装置，有一半机会会放出毒气。如果毒气被放出来，猫就会被毒死，否则就能生存。科学家想知道的是，究竟这只猫是生还是死呢？
不用担心！虽然读物理的人很疯狂，但上述的只不过是一个思想实验，后世称为「薛定谔的猫」实验。不过问题又来了，物理学家为什么要进行这样一个思想实验呢？
这个故事要追溯到上世纪20年代，那是量子力学高速发展的时期。当时其中一个很重要的理论成果，就是上次讲的薛定谔方程。薛定谔方程是一条数学方程，至于它如何跟现实对应，其中一种理解叫做「哥本哈根诠释」。按照「哥本哈根诠释」，在进行观察或者量度之前，有关「粒子在哪里」、「粒子的速度有多快」这样的问题是没有意义的，因为所谓的现实，只存在于观察里，不存在于粒子里。这个问题，已经超越了物理学，进入了哲学的范畴，在科学界引起了不少争论。例如，爱因斯坦甚至薛定谔本人，都十分反对「哥本哈根诠释」。究竟争论的要点是什么呢？跟「薛定谔的猫」又有什么关系呢？这一集，张老师会为你诉说这个在虐猫之中寻找真理的故事。
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根据量子力学，微观世界的物理法则跟宏观世界不一样，有很多难以置信而又千真万确的奇怪现象。到目前为止，张老师已经讲过两个现象，一个是波粒二象性，一个是测不准原理。但是，要透过科学来理解世界，单单知道表面现象是不够的，科学家还需要追寻现象背后的原理。
在量子力学之前，科学家用牛顿定律来解释物体的运动。牛顿力学曾经被认为是宇宙中最终极的规律。知道牛顿力学，就能够解释一切，预测一切。但是量子力学的出现，令到科学家发现牛顿定律只适用于宏观世界。科学家需要一套全新的理论，解释量子力学所描述的微观世界。你可能听过「薛定谔的猫」或者「平行宇宙」，这些都是科学家关于微观世界的基本运作规律的一些讲法，但是这些讲法，背后都是基于一条数学方程：薛定谔方程 (Schrodinger's equation)。
这条主宰微观世界的薛定谔方程是怎样的呢？薛定谔的猫和平行宇宙又是什么呢？今集，张老师会先讲薛定谔方程，下一集再解释薛定谔的猫和平行宇宙。
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「测不准原理」跟上回讲的「波粒二象性」是量子力学的一体两面。「测不准原理」讲的就是鱼与熊掌的关系：你不能够同时间准确地测量微观粒子的位置与速度。如果你准确知道粒子的位置，你对它的速度就一无所知。相反，如果你准确知道粒子的速度，你对它的位置也会一无所知。又或者，位置与速度，你各自都知道一点，但是两个都测不准。测不准并不是因为量度工具不精确，也不是量度的技巧有问题，而是微观世界的物理法则使然。
「测不准原理」改写了我们对世界的认知，亦曾一度令到科学家非常苦恼。「测不准原理」的原因是什么？它又揭示了什么问题呢？今集，张老师会继续为你提供深入浅出的讲解。
【图一】我们知道粒子速度（波长），对其位置却一无所知。
【图二】我们大约知道粒子的位置，却不知它的速度（波长）。
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上回讲到，微观世界中物质的本质，跟我们习惯的不一样。这句说话是什么意思呢？
量子力学里面有一个很重要的概念，叫做「波粒二象性」。在日常观念中，波和粒子是截然不同的。以一个网球为例，网球是一个球体，我们可以把它当成为粒子。把网球丢进水里会产生涟漪，这个涟漪就是波。正常人是不会把波和粒子混淆的。
但是研究量子力学的科学家发现，在微观世界里，他们竟然不能分辨一个物质（比如是电子）究竟是粒子还是波。因为电子既是粒子，但有时也会展现出波独有的特性。不只电子，微观世界中的所有物质（包括光），都同时有波和粒子的特性，也就是「波粒二象性」。你看到哪一种特性，只不过是视乎你怎样看而已。
由于微观世界是宏观世界的基础，这也意味着，我们所熟知的宏观世界都是假的。在微观世界里面，隐藏着另外一种规律、另外一层现实。这简直是颠覆了我们对于这个世界的认识，甚至要到怀疑人生的地步了。那么，科学家是怎样知道「波粒二象性」的呢？这个问题可不简单。在这一集，张老师会以深入浅出的方式，为你介绍这个神奇的现象。
【图一】杨氏双缝实验
【图二】水波的干涉现象
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转眼间，《科学在身边．宇宙专题》推出已经接近一年了。过去一年，我们从地球讲到宇宙的宏观结构，从宇宙大爆炸讲到宇宙的结局，把宇宙的上下四方、古往今来都游历过一遍。之后我们又回到地球，探索宇宙中最复杂的结构，也就是生命。我们谈到了生命的起源与演化，亦探讨过外星生命。
讲了这么多不同范畴的话题，目的只有一个，就是让你对宇宙有一个更全面的认识。不过其实到目前为止，《宇宙专题》还欠了很重要的一环：我们一直聚焦在宏观世界，但是宏观世界中的各种现象，归根究底，都是受到微观世界的支配。无论是恒星演化也好，生命演化也好，宏观上很复杂，根本上却是一些基本粒子之间的相互作用。恒星演化中的各个阶段，只不过反映着万有引力与核聚变之间的此消彼长。生命的遗传密码，亦离不开原子之间的化学反应。
研究微观世界的领域名为量子力学。这一门学科比较艰深，若非物理专业，一般人很少有机会接触。然而，要全面了解宇宙，又不得不涉猎这个领域。所以，作为一个关于宇宙的科普专题，我决定带你到微观世界里去闯一闯，看看这个量子力学的神奇国度。如果你对这个话题有兴趣，请留意收听接下来的《宇宙专题》节目。
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你想感受拍翼傲翔的滋味吗？来泰坦吧！
上回讲到，泰坦卫星的大气层，在成分上、气压上，条件都相当不错。所以，如果说改造大气层是改造一个星球的关键，泰坦应该是太阳系之中最容易改造的了。兼且当地天然资源丰富，水、氧气、燃料、甚至肥料，都能自给自足。更好玩的是，泰坦重力低，空气密度高，靠人力就能在泰坦的天空中拍翼傲翔。衣食住行玩，应有尽有，泰坦不愧为移民外星的不二之选。身未动，心已远，快乐就是这么简单！
且慢！去之前还要告诉你，泰坦与地球之间有一个多小时的通讯迟滞，你的自拍照片要等一个多小时才能传到地球。而且泰坦路途遥远，单程最快也要两年多才到。还未说泰坦没有磁场，你要做好被太阳风打中的准备。还有吗？还有一些科学以外的问题。想知道是什么吗？请听张老师一一道来。
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要移居外星，最关键而又最困难的，就是要改造大气层。月球没有大气层，火星的大气层太稀薄，成份也不对。幸好，我们还有一个冷门的选择，就是土星的62个卫星之一、编号土卫六的泰坦卫星。
泰坦卫星是土星最大的卫星，也是太阳系里面第二大的卫星。作为土星的卫星，泰坦是围绕着土星公转的，所以中秋节时你不能赏月，但是可以「赏土」。从泰坦上面看的土星，是我们在地球上看月球的大小的11倍。加上壮丽的土星环，比起我们在地球上面赏月，实在有过之而无不及。而且泰坦拥有大气层，亦是太阳系里面，除地球之外唯一以氮气为主的大气层。事实上，有一些科学家认为，泰坦的大气层跟原始地球的大气层非常相似。
这样看来，泰坦应该是一个相当合适的移民选择。不过，你必须能够抵受极度的严寒，你必须不介意有时候空气会燃烧，而且整个星球上弥漫着一种像公厕的味道。为什么这样说呢？泰坦上面的环境是怎样的呢？今集，张老师会带你登陆泰坦，为你介绍这个卫星上的环境，坚持要移民外星的你不容错过。
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火星是人类移居外星的最热门地点。SpaceX计划最快2028年左右，在火星设立永久基地。接着再花十多年时间，建造人类第一座火星城市。然而，即使SpaceX的计划如期完成，也只能说是在火星上建立了一个据点而已。迎接首批火星移民的不是鸟语花香的新世界，而是一座座位处荒凉红色平原上的密封囚牢。因为火星的天然条件不适合地球生物生存，亦未能抵挡太阳风暴的袭击。移民们终其一生，都要在人工建筑物里度过。
若要将火星改造成真正适合移民的行星，便需要从根本上改造火星的大气层，同时建造人工磁场以抵挡太阳风。这些工程的难度，已经远远超过人类目前的技术能力。不但风险高，而且旷日待久，所费甚巨。那么，具体来说有哪些改造方案？如此劳民伤财移居火星，其意义又在哪里呢？打算移民火星的你，请继续收听张老师的《火星移民指南》！
【主播简介】
张浩然，香港科技大学理论物理学学士及物理学哲学硕士，英国布里斯托大学教育博士。
知乎主页：
https://www.zhihu.com/people/DrHaoranZhang
各位听众好，不经不觉已相处四个月了。为了提升我们节目的素质，使您们有一个更好的聆听体验，我们准备了一份只有五条问题的简单问卷，希望邀请尊贵的您，给我们宝贵的意见。连结在此：
https://wj.qq.com/s/2817419/44c6
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上次讲过移民去月球的方法。月球重力低，没有大气层，也没有磁场，加上月球的自转被地球引力锁住，月球上的一天等于地球上的半个月，这样会带来很多麻烦。结论就是：虽然月球离地球很近，但是如果要大规模移民月球，实在是不太可行。
那么作为另外一个移民热点的火星，它的条件又怎样呢？火星是太阳系的第四颗行星。科学家相信，火星过去曾经拥有像今日地球的环境。而且火星有大气层，表面重力也比月球大一些。那么，相比于月球，今天的火星又是否比较适合人类移民呢？若要把火星改造成第二个地球，又有哪些方法呢？有志到火星投资和移民的你，请留意一连两集的《火星移民指南》。
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张浩然，香港科技大学理论物理学学士及物理学哲学硕士，英国布里斯托大学教育博士。
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外星人这个话题讲了几个星期，现在我们知道了：什么小绿人、三体人等等，要么不存在，要么找不到，要么样子平凡。对于一众科幻迷来说，这样的宇宙还真是非常乏味！
但是其实人类还有机会。既然外星人令人失望，那么我们人类自己去别的星球当外星人又如何？这样的计划还真的有人在做，而近年最受关注的当数火星移民计划。不过说到要把人送上其他星球，首先要提的应该是月球。月球是地球的卫星，是人类仰望得最多的星体之一。1969年成功登月之后，人类对月球的关注达到了顶峰。可是，这么多年过去了，人类仍未能在月球上建立居住据点。究竟移居月球的困难在哪里？月球又是一个怎样的世界？请听这一集的月球移民指南！
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张浩然，香港科技大学理论物理学学士及物理学哲学硕士，英国布里斯托大学教育博士。
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