宇宙的50个常识(宇宙学)(1)

这些星系距离我们数十亿光年

宇宙有多大?虽然众所周知宇宙非常大,但最新的科学表明,它的真实大小出乎所有人的意料。

看完这篇文章,你就会明白为什么宇宙这么大,它保证了外星人、镜像地球的存在,甚至是生活在遥远过去和遥远未来的你的复制品。

目录

  1. 地球是唯一的世界(古代)
  2. 我们的世界是众多行星之一 (1543)
  3. 我们的太阳是众多恒星中的一颗 (1838)
  4. 我们的银河系是众多岛屿宇宙之一(1920 年)

可观测宇宙只是整体的一小部分(1927)

  1. 远古辐射
  2. 大爆炸发生的地方
  3. 爆炸的大小
  1. 宇宙膨胀
  2. 永远膨胀
  1. 我们的物理常数是众多常数之一
  2. 我们的物理定律是众多定律之一
  1. 多少颗星
  1. 我们并不孤单
  2. 你有分身
  3. 以前发生过的,以后还会发生
  4. 上帝存在吗?

历史景观

几百年前,人们对现实的概念是有限的。五百年前,大多数人认为地球是唯一的世界。但是随着新的发现,我们对现实的了解越来越多。

随着时间的推移,我们开始了解其他行星和地球一样是整个世界。稍后,我们了解到恒星是遥远的太阳。直到最近一百年,我们对现实的概念才发展到包括星系、哈勃体积大爆炸,以及最近关于宇宙的想法。

地球是唯一的世界(古代)

古希腊人谈到天球,这是天空中苍穹的古老遗嘱——坚硬的天篷,无论是日月还是圆顶上的星辰,都围绕着地球,星星固定在天球上。

宇宙的50个常识(宇宙学)(2)

弗拉马里翁的版画(1888年)展示了一个中世纪传教士透过天球窥视天堂

在牛顿之前,没有人理解万有引力。相反,重力被视为一种将所有事物吸引到宇宙中心(地球的中心)的力。

因此,其他世界是不可能的——没有力量将它们结合在一起。

尽管古人知道其他五颗行星,但它们不被视为世界。它们被视为在固定恒星的背景下移动的天体(或神)。行星这个词来源于这种现象——“行星”在希腊语中是流浪者的意思

我们的世界是众多行星之一 (1543)

五百年前,哥白尼开发了一个行星运动模型,假设地球和行星围绕太阳运动。地球不再是一个孤独的世界,而是当时已知的五个世界之一:水星、金星、火星、木星和土星。

但是人们无法处理从一个世界扩展到六个世界的现实。教会将这一想法归类为异端,并于 1616 年迫使伽利略在酷刑和处决的威胁下放弃

这种威胁不能掉以轻心。1600 年,教会刚刚将乔尔达诺·布鲁诺( Giordano Bruno)烧死在火刑柱上,部分原因是他相信恒星是遥远的太阳,而其他行星可能拥有自己的生命。

我们的太阳是众多恒星中的一颗 (1838)

在哥白尼的模型下,星星仍然是装饰天球的物体。唯一的区别是这个球体现在包围了太阳系而不是地球。

一闪一闪,小星星,我真想知道你是什么!

1806 年出版《一闪一闪小星星》时,不只是孩子们想知道星星是什么。这对科学来说是一个真正的谜。

直到 1838 年,弗里德里希·贝塞尔 (Friedrich Bessel) 才发现了恒星是遥远太阳的第一个证据。或者更准确地说:我们的太阳是附近的恒星。他用一个简单的方法来证明这一点:视差。

举起食指,闭上一只眼睛看着它。然后切换:闭上一只眼睛,睁开另一只眼睛仍然看着你的手指。当您在两眼之间来回翻转时,您的手指似乎在其明显位置移动。那就是视差,偏移量可以告诉您手指与眼睛的距离。

贝塞尔没有使用眼睛之间的距离,而是使用了地球轨道上的距离。

他看着同一颗星相隔半年的明显位置。在这段时间里,地球从六个月前的位置移动了 2 个天文单位(大约 1.85 亿英里)。这为贝塞尔提供了足够的距离来检测一些最近的恒星的视差效应。他根据变化确定了这些星星有多远。

宇宙的50个常识(宇宙学)(3)

随着地球绕太阳运动,恒星的表观位置会发生轻微的变化。

通过这种方法获得的贝塞尔距离是巨大的。即使是最近的恒星也有数万亿英里远。而且,每颗星星都坐在不同的距离。这打破了天球的想法。

当贝塞尔估计我们的太阳在这些距离上的亮度时,他发现它与星星的亮度一致。这是大量恒星系统充满我们现实的第一个证据。

也许每颗恒星都有自己的行星,正如布鲁诺几个世纪前所假设的那样。我们对现实的概念增长了。

我们的银河系是众多岛屿宇宙之一(1920 年)

与今天的望远镜相比,20 世纪初的望远镜仍然是近视的。

最好的望远镜只能看到最近 10,000 光年内的恒星(大约横跨银河系的 10%)——我们的视野仅限于银河系的局部死水。

我们不知道还有其他星系。科学家们认为银河系构成了整个宇宙。

自从贝塞尔的发现以来,将近一个世纪过去了。我们对现实的描绘需要再次调整。

当时,关于这些旋臂星云究竟是什么存在争议。

宇宙的50个常识(宇宙学)(4)

大多数天文学家认为螺旋星云是气体云。他们的名字“星云”在拉丁语中甚至是云的意思

一些新贵假设了一个边缘想法。他们相信这些气体云构成了整个“岛屿宇宙”——像我们自己的银河系一样的巨大恒星组合。

1920 年,埃德温·哈勃 (Edwin Hubble) 测量了这些“气体云”发出的光的多普勒效应。他发现它们以极快的速度逃离我们,以至于它们不受我们银河系的引力束缚。换句话说,如果他们还没有离开我们的银河系,他们很快就会离开。

这一证据使争论转向了岛屿宇宙理论,这在今天只是存在大量星系的标准想法。

哈勃还发现星系以与其距离成正比的速度相互远离。这强烈暗示空间本身正在扩大。时光倒流,一切都会更近一步。

这一发现为下一场宇宙学辩论奠定了基础。

现代观点可观测宇宙只是整体的一小部分(1927)

如果空间在膨胀,让一切都变得疏远,那么早些时候,一切都会更紧密地结合在一起。把时钟倒回足够远,一切都会以令人难以置信的密度压在一起。

1922 年,亚历山大·弗里德曼展示了爱因斯坦的广义相对论方程如何解释膨胀的宇宙。1927 年,乔治·勒梅特 (Georges Lemaître) 将这一想法与哈勃发现的膨胀空间联系起来。勒梅特称其为原始原子假说。今天我们把它称为大爆炸理论

大多数科学家发现突然创造事件的想法不雅,更喜欢稳态理论。

根据这种观点,宇宙是无限古老的,并且一直在膨胀。但如果可以创造新的空间,为什么不重要?稳态理论假设,随着新空间的出现,新物质不断产生,新星系不断形成,以填补由膨胀产生的空白。

远古辐射

这导致了大爆炸的支持者和稳态理论家之间的斗争。

双方都缺乏最终解决此事的证据。争论持续了几十年。但在 1964 年,证据终于出现了。大爆炸赢了。

宇宙的50个常识(宇宙学)(5)

阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊站在最先探测到大爆炸遗留下来的远古光的天线旁

贝尔实验室的两位射电天文学家 Arno Penzias 和 Robert Wilson 发现微波频率存在持续干扰,一种宇宙嗡嗡声似乎从天空的各个方向均匀地发出。

在普林斯顿物理学家的帮助下,他们确定该信号具有大爆炸遗留下来的所有热能的预测特征。由于他们的发现,两人获得了诺贝尔奖。

未调波的电视机也可以检测到此信号。屏幕上出现的大约 1% 的静电是由这种辐射引起的。你看到了从可观测宇宙最远的地方传播了数十亿年的能量。只有少数这些粒子有幸在你的天线上到达终点。

考虑到星系分裂的速度,我们可以估计大爆炸发生在138 亿年前。我们通常认为自己生活在第二个千年,实际上我们是在第 1380 万个!

大爆炸发生的地方

如果宇宙在有限的时间之前开始,这是否意味着它的大小是有限的?不必要。

有限年龄意味着有限大小的想法源于一种普遍的误解,即大爆炸起源于一个特定的地点。事实上,它同时发生在太空中的任何地方。

如果你选择宇宙中的任何一个点,银河系的中心,一个遥远的星系,甚至你自己的卧室,你会发现在倒转时钟时,所有周围的物质都聚集在那里。但是对于您选择的任何一点,情况也是如此。

时间倒流,宇宙变得更热更密,但重要的是,到处都是同样的热和密。大爆炸不仅发生在遥远的某个地方,而且就发生在这里——就在你现在占据的空间里。138 亿年前,等离子体充满了这个地方。天气太热以至于发生了核聚变。

你现在所处的空间,曾经像氢弹一样炙热。

幸运的是,从那时起,空间已经膨胀和冷却了很多。现在的平均温度仅比绝对零值高2.7°C 。空间不是零度的原因是大爆炸的残余热量。

爆炸的大小

鉴于宇宙的年龄有限,我们只能看到光在 138 亿年中能够传播的距离。

这构成了整个可观测宇宙。但可观测的宇宙并不是整体;随着来自更远地点的新光线进入视野,可观察部分不断增长。

那么,根据大爆炸理论,宇宙有多大?我们怎么可能测量它?

幸运的是,爱因斯坦的广义相对论提供了一种测量宇宙大小的方法。更好的是,它无需前往遥远的宇宙即可工作。

它的工作原理有点像使用水平仪测量地球的大小。

广义相对论说,如果宇宙是有限的,那么空间将呈正弯曲。它类似于行星表面的弯曲方式。小行星的曲率更大,大行星的曲率更小。

原则上,您可以足不出户测量地球的大小。

您需要做的就是测量容器中水面的曲率。它很小。在 2 米长的浴缸表面上,表面弯曲 0.3 微米。超过一英里,它只会弯曲8 英寸。

宇宙学家已经测量了空间的曲率。在我们的测量能力范围内(0.4% 以内),宇宙看起来是平坦的。鉴于此,我们知道整个宇宙必须比我们所能看到的至少延伸250 倍。然而,我们不知道它可能走多远的上限。

如果宽度、高度和深度增加 250 倍,则体积增加 250^{3} = 15,625,000. 这意味着整个宇宙至少比我们能看到的宇宙部分大 1500 万倍。

在我们可观测的宇宙中,我们的望远镜可以看到数千亿个星系,每个星系都有数千亿颗恒星。根据曲率测量,我们能看到的只是更大的、可能无限的宇宙的一小部分。

没有检测到曲率意味着空间在每个方向上至少延伸了 11 万亿光年。鉴于大爆炸同时发生在所有地方,我们不能说太空最终会持续多远。对于目前已知的一切,它可能会永远持续下去。

然而,一种填补大爆炸理论空白的新理论表明现实更加广阔。

大爆炸理论是众多选项之一 (1980)

大爆炸是一个成功的理论,因为它有许多经过验证的预测。它解释了星际空间中化学元素的出现和比例,而且我们实际上可以用望远镜看到大爆炸。

考虑到光速有限,望远镜观察到的空间越远,时间越远。我们看到的月亮是一秒前的,太阳是 8 分钟前的,最近的恒星是几年前的,附近的星系是数百万年前的。

我们的射电望远镜可以看得很远,可以看到只有 40 万年历史的宇宙。在这个时间点,空间充满了宇宙变得透明后不久留下的橙色余辉。

这段时间被称为重组时代。但是在大爆炸40万年后,整个天空会呈现橙色,像恒星表面一样明亮。充满天空,它会很快烤我们。

幸运的是,膨胀空间的多普勒效应将这种橙色光降低到能量低得多的微波范围,损失了超过 99.9% 的能量。宇宙的温度从灼热的 3000 开尔文下降到令人毛骨悚然的 2.7 开尔文。

宇宙膨胀

尽管它取得了成功,但最初的大爆炸理论并没有解决一些挥之不去的谜团:

  1. 均匀性问题:为什么背景辐射的温度如此均匀?
  2. 平面问题:为什么空间曲率这么小?
  3. 单极子问题:所有的磁单极子在哪里?

1980 年,Alan Guth、Alexei Starobinsky 和 Andrei Linde 提出了一个称为宇宙膨胀的理论。它是解决所有这些问题的大爆炸理论的扩展。此外,它解释了为什么宇宙首先发生了爆炸,以及为什么宇宙直到今天仍在膨胀。

该理论做出了一个适度的假设,这也得到了粒子物理学的支持:真空包含能量。如果真空能量不为零,广义相对论预测空间会自行膨胀。它的能量越大,膨胀得越快。

在回答前面的问题时,通货膨胀以四个问题换一个。它还说明了所有空间、物质和能量的来源。剩下的唯一问题是,这块高能、自膨胀真空的小块是从哪里来的?

通货膨胀假设真空能量曾经比现在大。事实上,如此之大,以至于这种高能真空会在大约一万亿分之一秒内翻倍。

但是这种高能状态不稳定并且会衰变,就像放射性粒子一样。当真空衰变时,其巨大的能量会倾倒到太空中。这种能量表现为自发的粒子产生。恒温器升高,宇宙温度飙升至10^{27}1 027℃。

如果暴胀发生了,那么为了与观测一致,它必须至少持续了 10^{-32}1 0- 32秒。在这个时候,空间加倍导致空间拉伸了一个因子10^{26}1 026 在每个方向 - 体积增加 10^{78}1 078. 但通胀可能会持续更长时间。

Alan Guth 认为假设通货膨胀持续了最短时间的两倍是合理的。这意味着整个宇宙是10^{78}1 078 比我们能看到的部分大几倍。

一旦真空衰减到较低的能量状态,膨胀速度就会减慢。这就是为什么现在宇宙在数十亿年后体积翻倍,而不是在几分之一纳秒内。

永恒的通货膨胀

支持通货膨胀的观测证据出现在 1992 年,其数据来自宇宙背景探测器 (COBE) 卫星。随着宇宙迅速膨胀,在辐射中看到的变化模式与在所有空间尺度上发生的宇宙波动是一致的。

空间的快速膨胀将可观测的宇宙变成了一种巨大的显微镜。辐射模式和星系在夜空中的分布是宇宙很小时在微观尺度上发生的量子涨落的引力印记。在膨胀之后,这些变化被放大到银河系的比例。

宇宙的50个常识(宇宙学)(6)

天空中微波辐射的斑驳图片揭示了微小的温度变化。这张图显示了可观测宇宙的边界。它是我们能看到的最远的地方,也是历史上最早可以拍摄的时刻。

然而,膨胀带来了令人震惊的后果。一旦开始,就永远不会完全停止。这就是永远膨胀的想法。膨胀是永恒的,因为要开始膨胀,高能真空的增长速度必须快于衰减速度。但是,如果它的增长速度快于衰减速度,则会导致永无止境的失控反应。

因此,宇宙中仍有部分仍在快速膨胀。这意味着宇宙的某些部分已经以惊人的速度增长了数十亿年。无论何时何地,真空衰减到较低的能量状态,结果都是另一个大爆炸和一个缓慢膨胀空间的新区域。

因此,大爆炸的总数是无限的,并且随着时间呈指数增长。在某种程度上,稳态理论是正确的。新的物质和能量在快速膨胀的空间中产生的,它不会发生在我们宇宙颈部缓慢膨胀的空间中。

总之,如果永恒暴胀是正确的,那么我们的大爆炸只是无数大爆炸中的一个。

目前的猜测

到目前为止,我们只涵盖了具有直接观察证实的既定理论。这些想法是标准科学的一部分,并在今天的高中教科书中有所描述。

尽管如此,这些想法意味着一个比 50 年前接受的现实要大得多的现实。

相比之下,即使是指数级增长的大爆炸,新的猜测也显得微不足道。虽然没有得到证实,但有充分的理由相信这些想法或类似的想法是站得住脚的。

我们的物理常数是众多常数之一

弦理论是引力的候选量子理论。它的关键思想是粒子不是点或球,而是在许多维度上振动的微小能量串。

如果我们要了解黑洞内部或大爆炸开始附近令人难以置信的密度期间发生了什么,就必须发展量子化的引力理论。这种理解对于创造最快的物理计算机——黑洞计算机也是必要的。

唯一的问题是:弦理论没有唯一的解决方案。1987 年,诺贝尔物理学奖获得者史蒂文温伯格计算出弦理论至少包含10^{500}可能的解决方案。每个都有一组不同的物理属性。

后来的调查将这一估计提高到至少10^{272,000}解决方案。允许的解决方案的真实数量可能是无限的。

尽管弦理论没有实验验证,但除了对引力的预测之外,有强有力的证据表明,许多不同的物理系统都是真实的,每个系统都有不同的参数。

最有力的证据来自物理常数的明显微调以支持生命。其中最主要的是真空能量的强度。如果它稍微大一点,空间就会膨胀得太快,无法形成星系或恒星。宇宙仍将是不断膨胀的气体雾霾。

但同样幸运的是,能量不是零或负数。在那种情况下,在生命出现之前,宇宙会在数十亿年前因引力坍缩。真空能量必须平衡得恰到好处,正强度极接近于零,而不是零或负。

它随机出现在正确范围内的值的几率约为 10^{120}— 与连续 15 次赢得国家的几率大致相同。

它得出的结论是,不仅我们的大爆炸是众多大爆炸中的一个,而且我们自己的物理力和常数也是众多中的一个。弦理论意味着可能宇宙的广阔景观,每个宇宙都有自己独特的物理学,经过微调,有理由相信它们是真实的。

宇宙的50个常识(宇宙学)(7)

剑桥大学弦论“景观”的图解

我们想象我们的宇宙是独一无二的,但它是无数——也许是无数——同样有效、同样独立、同样孤立的宇宙之一。有些人会有生命,有些人则不会。在这种观点下,可观测的宇宙只是一个新形成的、更广阔、无限古老且完全无法观测的宇宙的死水。如果这样的事情是对的,即使是我们生活在唯一宇宙中的残余自豪感,尽管它一定是苍白的,但我们也会拒绝。

卡尔萨根

我们现在想知道:弦论的方程有什么特别之处吗?为什么他们应该得到存在的恩赐,而其他描述其他宇宙的方程却没有?

这种想法导致了一个打破现实的想法,即也许所有可能的结构都存在

我们的物理定律是众多定律之一

1996 年,宇宙学家 Max Tegmark 发表了他的数学宇宙假说(MUH)。

它认为物理存在仅仅是数学存在。这使得物理存在变得多余,因为对于每个物理对象,已经存在具有相同结构的相应数学对象。

例如,我们认为具有物理存在的物理对象的宇宙可能只是具有数学存在的数学对象。

毕竟,当两个对象在其他方面完全相同时,我们怎么能分辨出区别呢?

该Mandelbrot集,绰号“上帝的指纹显示”无限的复杂性,并继续下去。它存在于何处?

这些想法不仅仅是无稽之谈。MUH 解释了现实的几个特征。它回答:

逻辑学家Bruno Marchal、计算机科学家Russell Standish和物理学家Markus P. Müller各自独立证明了无限和综合现实的存在如何直接导致具有概率性且包含不可约随机性的物理定律。

这正是我们在查看自己的物理学时所发现的。量子力学定律只做出概率预测,并表现出无法预测的基本随机性,即使在原则上也是如此。

正如弦理论预测引力一样,MUH 可能解释了量子力学的部分或全部特征。

有些人反对 MUH,因为数学中的对象与物理学不同,是不变的。

但这忽略了两个重要的事实。第一个是数学中的任何对象都可以通过添加一个维度来对时间进行建模,通过该维度对不同的状态进行排序。第二,现代科学表明时间和变化不是我们物理宇宙的实际特征,而是明显的特征。

MUH 不可避免地会导致深刻的哲学问题,比如为什么存在任何东西?

鉴于我们刚刚目睹了一个巨大的、可能是无限的现实的证据,相信现实可能比我们原先想象的要大一些就变得更容易了。现实可能只是包括一切可能。

结论

与人类在地球上行走的时间相比,我们在短时间内经历了彻底的转变。我们现在对现实和我们在其中的位置的理解与过去大不相同。

用萨根的话来说,我们这个时代的标志是“我们的自负不断揭穿。

鉴于这一趋势,押注现实比大多数人认为的要大是明智的。

多少颗星

在历史的大部分时间里,人类相信只有一个太阳的存在。古代民族对太阳抱有最崇高的敬意。它为我们的庄稼提供温暖、保护免受掠食者的侵害,并提供食物。

埃及人认为太阳神是众神之王。即使在现代,我们也以此来命名一周的第一天。

但是在人类的几代人中,我们已经从相信单一的太阳变成了理解我们的银河系充满了 100,000,000,000 个其他太阳——一个 1 后跟 11 个零(或 10^{11})。

现实的概念

太阳的数量

1543

太阳系

1

1838年

银河系

10^{11}

1920年

可观测宇宙

10^{22}

1927年

平坦度隐含的宇宙大小

10^{29}

1980年

膨胀暗示的宇宙大小

10^{100}

1987年

弦理论暗示的多元宇宙大小

10^{600}

1996年

一致性模型、永恒膨胀、无限景观或MUH

无限

今天有些人出生在我们了解有许多星系之前的时间。得知还有其他星系拥有自己的恒星,我们的现实图景扩展到包括10^{22} 太阳。

广义相对论使我们能够从空间曲率估计宇宙的大小。这意味着宇宙至少比我们的望远镜所能看到的大 1500 万倍。

不甘示弱,膨胀表明至少有一个宇宙 10^{78}倍我们可以看到的空间的体积,给我们一个惊人的 10^{100}(古戈尔)星星。

涉足更多的推测物理学,例如弦理论,我们发现可能有 10^{500} 数倍的宇宙,每个宇宙都有自己独特的物理常数,在古戈尔暴涨给我们的基础上再增加 500 个零。

当然,所有这些数字都是下限。宇宙学的标准模型,称为一致性模型,假设宇宙是平坦且空间无限的。仅此一项就可以让我们看到无数颗星星。

如果宇宙在空间上不是无限的,那么永恒的膨胀就可以了。无穷无尽的大爆炸产生无穷无尽的恒星并不困难。

即使宇宙在空间上不是无限的,即使膨胀以某种方式停止,弦理论或 MUH 中的无限景观也会用无限的星星填充现实。

无法低估无限现实的后果。

无限现实的含义

当现实足够大时,会出现令人惊讶的后果。

我们并不孤单

巨大现实的第一个也是最明显的后果是它保证了外星生命的存在。虽然我们没有在望远镜中发现小绿人,但我们的仪器已经间接证明了它们的存在。

COBE 卫星观察大爆炸的辐射模式,为通货膨胀提供了证据。通货膨胀导致现实10^{78}比之前假设的大几倍,而且很可能意味着无限大爆炸所占据的无限空间。

如果生命是可能的,通货膨胀确保它会在无限多的地方重复无限次。

你有分身

如果空间是无限的,那么物质排列的模式最终会重复。

事实上,Max Tegmark计算出你的精确副本,阅读我的精确副本所写的这篇文章的精确副本可以找到10^{{10}^{28}}个,从这里。

物理情况类似于数字 Pi 中的无限数字系列:

\Pi = 3.1415926535 89793238462643383279

在 Pi 的无限数字中,您可以找到任何序列:您的邮政编码、您的电话号码、任何书籍、图片或电影的编码。每个有限的数字序列都存在于 Pi 中的某处。

平均而言,要找到一个序列 n 数字很​长,你需要仔细看 10^{n}数字以查找下一次出现。一个 5 位数的邮政编码应该大约每一次出现一次10^{5} =100,000 Pi 的数字。

每个有限序列都重复无限次,正是因为 Pi 永远存在。同样,如果空间永远存在,那么每一种可能的有限物质排列都会出现在无限多个位置。

因此,如果空间是无限的,那么地球就有无限的副本,甚至可以精确地逐个复制我们整个银河系。

以前发生过的,以后还会发生

鉴于无限大爆炸,即使是罕见和不寻常的事件,例如我们所经历的地球生命的整个历史,不仅会再次发生,而且已经发生过。

在一个永远膨胀的宇宙中,任何可能发生的事情都会发生;事实上,它会发生无数次。

艾伦·古斯

根据膨胀理论,这不是您第一次过这种生活。也不是最后一次。

你将再次像现在一样生活,并且你将过那种生活的每一个可能的变化。

但他们都是你吗?

上帝存在吗?

如果 MUH 是对的,那么一切都存在。所有数学结构的集合包括所有可能的宇宙和所有可能的存在。其中一些宇宙将拥有无限的计算资源。

使用这些资源,智能生命或智能生物可以精确地模拟任何宇宙。实际上,他们将拥有通过计算机模拟产生现实和创造宇宙的能力。

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