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[转载]龙城海东:至简自然科学史

已有 1297 次阅读 2021-9-21 10:19 |个人分类:读书笔记|系统分类:科普集锦|文章来源:转载

资料来源:《至简史》公众号https://zhuanlan.zhihu.com/p/147331441

在文明之初,古老先民便已经开始执着于对自然的观测,不过近现代自然科学体系真正从哲学当中分离而出的历史却只有短短400多年,正是这短短数百年的科学历史却深刻的改变了人类文明的样貌形态,并对近现代的社会发展创造了巨大的推动力。

作为独立的学科体系,近代自然科学诞生于16世纪的欧洲,完全成形则在19世纪时期,并且在20世纪开始进入到了现代科学阶段,本文下面就对近现代自然科学的发展历程进行一番梳理与总结。

一,16世纪~17世纪:自然科学的启蒙时代

16世纪到17世纪是科学体系的启蒙阶段,在这个阶段当中与宗教观念相分离的科学观念开始逐渐崛起,然而在这个历史阶段当中,宗教神权的权威仍然占据着明显的社会优势,这时欧洲的自然观念仍然停留在亚里士多德所提出的四元素说之上,在这个基础上炼金术学说大行其道,西方的炼金术与东方的炼丹术存在明显的相似之处,二者都认为在构成世界的几大元素当中进行提纯,可以得到延年益寿的灵丹妙药,中国古代出现了多位嗜服丹药的帝王,而在古代西方也曾出现试图通过服用液态黄金、人体血液进行疾病治疗的迷信行为,在四元素说与炼金术的基础上,体液说、占星术、神学体系等神秘学理论将万物总结为了各自封闭、受上帝秩序支配的神圣造物体系,在这个宗教世界观当中,世界仿佛是上帝制造的精密玩具,行星由精华元素以太构成,围绕着静止不动的地球,进行完美的正圆形运动,万物都在上帝制定的秩序下稳定运行。

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然而这种世界观在16世纪开始遭到了科学萌芽的猛烈冲击,随着宗教神权的开始没落,早期自然科学被作为了反教权者的重要武器,在这个历史阶段当中,科学与神权之间的冲突屡发不断,宣扬哥白尼学说的哲学家布鲁诺被教会处以火刑,主张血液循环说的维萨里遭到了流放,另一位血液循环学说的研究者塞尔维特也被处以火刑,科学巨匠伽利略则在晚年双目失明的情况下仍然被教会判处了终身监禁,在此期间哥白尼著作、笛卡尔著作都先后被梵蒂冈列入《禁书目录》之中,以反宗教改革为目的而成立的耶稣会组织也对科学研究活动进行了系统性的打压。

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在大多数科学史理论当中,往往将1543年作为自然科学史的起点,在这一年当中哥白尼的《天体运行论》与维萨里的《论人体的构成》相继出版问世,开启了自然科学启蒙的第一步,此后伽利略于1632年出版的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》对于欧洲科学思想的启迪发挥了巨大的作用,而笛卡尔与培根的哲学研究则在思想领域进一步推动了伽利略的科学思想的传播,开始在哲学思想领域明确了科学与宗教的分界,同时随着宗教改革等运动的出现,欧洲教皇权威的控制力已然大幅度下滑,在17世纪结束时,西方传统的神学世界观已然失去了权威地位,历史最终为科学所正名。

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科学之所以能够在这个时期不再作为神学与哲学的陪衬,并成为了独立的领域,其中科学先驱的作用至关重要,哥白尼、维萨里、塞尔维特、哈维、伽桑狄、伽利略、惠更斯、第谷、开普勒、玻意耳、牛顿等人都是16到17世纪时期涌现的科学巨匠,而这个时期的文艺复兴运动与宗教改革运动则在社会结构层面为这场科学启蒙起到了支持作用,布鲁诺、笛卡尔、培根等思想家对于科学思想的传播也起到了推波助澜的作用,在这个时期当中最为重要的科学发展事件共有三件,分别是日心说的提出、血液循环学说的提出、伽利略的科学研究方法的推广,日心说作为否定宗教地心说的科学假说的武器为16世纪后期科学思想对于宗教神权的否定提供了开端,而血液循环说在关于人体活动的研究角度对于西方传统的体液说与宗教神学对于人体结构的错误认知进行了否定,伽利略则在17世纪对于已有的科学理论进行了完善,提出了一套较为完备的实验方法与研究理论,被后世尊称为近代科学之父,伽利略的科学思想是近代自然科学作为独立学科正式产生的标志,一方面伽利略的天文观测活动为此前的哥白尼学说提供了有力的证据,另一方面伽利略的物理运动实验为日后的经典力学奠定了基础。

由于教会势力对意大利地区的科学活动所进行的长期打击,17世纪后期意大利地区的科学活动开始衰落,与此同时英国开始成为了新的科学中心地带,另一位科学巨匠牛顿在此阶段开始活跃,牛顿在伽利略、开普勒、惠更斯等人的研究基础上开始构建经典力学体系,自17世纪后期开始,近代自然科学开始全面崛起。

二,18世纪~19世纪:自然科学的成形阶段

18世纪到19世纪是自然科学的完全成形阶段,在这个阶段当中物理学、化学、生物学等学科纷纷成为了独立的科学体系,在18世纪到19世纪的阶段当中活跃的著名科学家大致包括牛顿、富兰克林、库伦、欧姆、安培、法拉第、麦克斯韦、拉瓦锡、道尔顿、迈耶尔、门捷列夫、维勒、施莱登、施旺、达尔文、傅里叶、焦耳、卡诺、开尔文、克劳修斯、拉格朗日、哈密顿等人。

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17世纪后期牛顿所提出的经典力学对此后的第一次工业革命提供了明确的理论基础,18世纪电力学的发展则直接促成了第二次工业革命的出现,而能量守恒定律与转化定律、进化论、细胞学说则被誉是19世纪的三大发现,在这场突破性的科学进程当中。科学与技术已然紧密结合,构成了人类文明革新的基础物质力量,另一方面技术也为科研提供了突破瓶颈的条件,荷兰商人列文•胡克于17世纪末期所发明的光学显微镜已然更加趋于精细,之后折射望远镜与反射望远镜在这个时期都得到了改进,1733年出现的消色差镜的出现改良了折射望远镜,而之后1857年出现的玻璃镀铬技术则解决了前反射望远镜所存在色差问题,促使之后20世纪多种大型反射望远镜得以出现,观测设备的改良有力的帮助了当时科研技术水平的提升。

在科研技术水平进步的同时,科学研究不再局限于单个科学家的个人奋斗之中,各种科学组织开始广泛参与到科研活动之中,在此之前的一些西方早期大学便已经具备了为科学研究提供支持的基础,比如意大利的帕多瓦大学与英国的剑桥大学,这个时期隶属于剑桥大学的卡文迪许实验室便为物理学的发展做出了突出贡献,该实验室的名称来源自19世纪的著名物理学家卡文迪许,麦克斯韦、瑞利三世、约瑟夫•约翰•汤姆逊、卢瑟福等科学家都曾出任该实验室的主任职位,该实验室的出现也是19世纪科学研究职业化的标志,而在此阶段一些国立研究机构则对19世纪的科学职业化提供了直接的推动效果,其中较为著名的权威科学院包括意大利猞猁之眼国家科学院(1603年创立)、英国皇家科学院(1660年创立)、法国科学院(1666年创立)、美国国家科学院(1863年创立)等国立科学机构,在18世纪法国逐渐成为新的科学中心,而德国的科学水平则在19世纪开始逐渐崛起,并于19世纪后期成为了新的世界科学中心。

18世纪到19世纪的物理学领域首先发展起来的是受到天文学影响的力学方面,即以牛顿三定律为基础的经典力学学科,牛顿的主要学术成果包括牛顿三定律、微积分、微粒说、冷却定律,其最为主要的学术著作大致包括《自然哲学的数学原理》、《光学》等书籍,这位活跃于17世纪后期与18世纪早期的科学巨匠为自然科学与形式科学做出了杰出的贡献,经典力学是人类认知历史上第一次的理论大统合,是现代工程技术的理论基础。在光学方面,牛顿针对光的传播所提出的微粒说与另一位17世纪科学家惠更斯所提出的波动说构成了关于光学的微粒与波动理论争端,为此托马斯·杨与奥古斯丁·菲涅耳针对光的波动性进行了研究,这个理论分歧在20世纪的物理学革命中被以爱因斯坦为代表的科学家进行了统合,关于光的本质问题的早期理论假设是20世纪光电效应、量子力学等物理学术课题的早期探究状态。

在第一次工业革命开始,蒸汽动力成为了学术性质的问题,热力学便是从研究蒸汽机效率开始逐渐形成体系,构建出了描述热与功相互转化的数学模型,在此阶段对热力学做出学术贡献的著名科学家有傅里叶、焦耳、卡诺、开尔文、克劳修斯、能斯特、盖•吕萨克、克拉珀龙等人,除了热力学第三定律是在1906年被能斯特正式提出之外,热力学第一定律与热力学第二定律在19世纪便已被科学家总结完成。

在18世纪到19世纪的这段时间当中,关于放电现象的研究也开始逐渐受到了物理学界的重视,在富兰克林对静电现象与雷电现象进行了系统研究之后,以库伦为代表的一些科学家对于静电力进行了研究,库伦所总结的库伦公式被视为是静电学的基本定律,在静电学成形后,物理学界开始针对稳恒电流进行研究,而之后伏特修正了伽伐尼生物电实验的结论,并发明了伏打电池,该发明为对稳恒电流的研究提供了可能,此后欧姆受到傅立叶热传导效应的启发,利用了奥斯特发现的电流的磁效应,通过实验进一步提出了欧姆定律,指明了电流、电阻、电压之间的关系。1821年安培提出了分子环流假说,认为磁体内部分子形成的环流电流就相当有一根根磁针,法拉第在此前的基础上进行实验,于1831年通过实验总结了电磁感应现象,正式揭示了电与磁之间的关系,此后麦克斯韦在其基础上利用数学家的成果,将法拉第的科学发现通过数学语言进行了概括,完善了电磁感应理论,在这个理论基础上麦克斯韦对于电磁波的存在进行了理论预测,后来该预测在赫兹的实验当中得到了证实,这一科学发现促成了后来无线电技术的出现,在19世纪后期约瑟夫•约翰•汤姆逊发现了电子,标志着电学的研究领域也开始涉足于粒子世界。

在17世纪后期到19世纪以来,在西方的资本主义的推动下,采矿、冶金、药物工艺开始迅速发展,此前以炼金术为目的的冶炼活动开始转向于实用的经济目的,在此阶段化学得以作为当时的新兴科学诞生,在17世纪的英国科学家波意耳首先提出了科学的元素概念后,已经为化学研究提供了完备的理论基础,使得化学成为了独立的学科,18世纪拉瓦锡通过燃烧实验构建了燃烧作用的氧化学说,将燃素说等流行的错误观念彻底推翻,之后在此基础上创立了化学元素的命名方式与质量守恒定律,奠定了近代化学学科的理论基础。科学原子论的确立与元素周期律的发现使得针对化学元素的科学研究进入了全新的理论高度,而道尔顿是科学原子论之父,在其理论框架当中以氢元素作为参照,对于其他元素的原子质量进行了推算,使得化学研究正式认识到了化学现象的微观内在统一性,此后元素的微观层面便成为了化学学科的主要探索方向,而随着新元素不断被发现,对于元素的比较与归类便成为了重要的学术课题,门捷列夫与迈耶尔分别提出了各自的化学元素周期表,为未来新元素的寻找与已发现元素的归类提供了理论基础,指明了化学元素之间的内在规律。

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有机化学的出现标志着化学对于工业生产的重要性再度提升,1824年德国的维勒成功合成了有机物尿素,标志着有机化学技术正式出现,该发现使得化学界流传已久的活力论彻底退出了历史舞台,此后科学界不再认为有机物只能来自于动植物体内,在19世纪后期有机物合成技术得以完全投入于工业生产领域,以煤焦油为原料的有机合成工业逐渐成形。

18世纪生物学领域主要停留在对于资料的整理阶段,在19世纪出现了两个重要的生物学发现,即细胞学说与生物进化论,标志着生物学在此前的基础上正式统合为了一个完整的学科体系,罗伯特•胡克早在1665年便已经发现了细胞的存在,此后各国的科学家逐渐认识到细胞是生物体的基本结构单位,而之后观测设备的改进为细胞学说的创建提供了理论基础,1839年施莱登提出了系统的植物细胞学说,此后1839年施旺将这一学说扩展到了动物界,正式构建出了细胞学说的概念,此后生物学开始正式将细胞视为有机体结构的基本单位,将细胞的分化与形成与生命活动联系在了一起。细胞学说的出现促进了医学的进步,疫苗、巴斯德消毒法等产物在18世纪到19世纪得以问世。

达尔文的进化论指出了自然界生物进化的存在,该学说标志着生物学的研究领域进一步扩展到对自然历史的探究领域,另一方面,进化论的思想意义对于整体科学思想的社会地位起到了更为关键的作用,进化论的出现标志着科学在与宗教之间的长期历史论战之中最终取得了完全的胜利。

这个时期地理学与天文学也取得了相应的进步,地理学方面詹姆斯•赫顿于1788年出版了《地球的理论》,被称作为均变学说,之后该理论被英国人查理斯莱•尔通过《地质学原理》一书加以完善,在一定程度上支持了进化论的理论,1811年乔治•居维叶与亚历山大•布隆尼亚尔的研究则为日后地层学的出现打下了基础,天文学方面的发现则进一步鼓舞了自然科学界的研究,比如谷神星与海王星分别于1801年与1846年被发现,标志着人类对于太阳系的认知得到了进一步的完善,而在这个过程中人类对于太空的观测也得到了自然科学理论的有效支持。

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三,20世纪:自然科学的突飞猛进

进入20世纪之后自然科学迅速发展,20世纪前期自然科学的认知领域便出现了持续30年的物理学革命,自然科学自此跨出了经典力学的框架,20世纪后期人类开始进入第三次工业革命阶段,在20世纪后期较为稳定的环境背景下,科学技术的革新开始更为突飞猛进,在二次世界大战之后,世界的科学中心从德国完全转移到了美国。

20世纪初物理学革命建立在19世纪末电子、x射线、放射性元素发现的基础之上,在新发现的面前,牛顿力学、拉格朗日力学、哈密顿力学、统计力学等原有理论对一些物理现象的解释出现了明显的局限,为了解决关于经典物理学的危机,由此出现了一场持续30年的物理学革命,而这场物理学革命当中最为著名的科学家便是爱因斯坦,其相对论理论针对经典力学进行了修正,1905年其发表的四篇划时代论文促使了物理学革命的开启,之后构建了相对论理论。

量子理论则是与相对论共同构成现代物理理论体系的另一个重要理论,爱因斯坦将普朗克用于解释黑体辐射现象的公式理论进行了扩展,对赫兹所发现的光电效应现象进行了解释,认为量子化是一则基本的物理学特性。

当卢瑟福提出原子核模型后,为了对该模型的问题进行解决,玻尔提出了玻尔模型,即电子跃迁理论,而在此之后德布罗意提出了物质波假说,指出电子并不仅仅具有粒子性,还具有波动性,而之后的戴维森—革末实验对德布罗意假说提供了证实,针对电子的双缝干涉实验则可以更为清晰的展示出关于粒子波动的量子力学特性。

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在此基础上,在1920年代,出现了两种量子物理的理论,即维尔纳·海森堡的矩阵力学和埃尔温·薛定谔的波动力学,之后薛定谔证明了这两种理论的等价性,卡尔·埃卡特和沃尔夫冈·泡利也给出相似的证明,而冯·诺伊曼则最终通过严谨考证给出了关于两种理论等价性的最终结论。

通过整个量子力学的数学理论可以建立出量子态公设、时间演化公设、可观察量公设、坍缩公设、波恩公设五个理论公设,并引申出波粒二象性、量子纠缠等等理论,围绕量子力学的主要学术诠释为尼尔斯·玻尔与沃纳·海森堡等人提出的哥本哈根诠释,然而这种非定命式的诠释遭到了爱因斯坦等人的反对,爱因斯塔等人提出了爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬理论对哥本哈根诠释进行反对,爱因斯坦还在第五次索尔维学术会议上与玻尔等人进行了一场学术论战,约翰·贝尔后来针对该佯谬提出了相关的实验假设方案,根据后来的实验结论来看,量子力学的预言更接近于实际的情况,然而至今关于量子力学诠释问题仍然存在着多种学术争议,在此之后还出现了休·艾弗雷特三世的多世界诠释理论、戴维·玻姆提的导航波理论等学术假说。

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在量子力学的发展过程之中,粒子物理学已然相对成熟,研究视角已然扩展到了亚原子领域,在1970年代粒子物理学的标准模型建立,对于基础粒子与复合粒子进行了归类,目前粒子物理学已知的基础粒子的总数为61,量子色动力学正是针对亚原子粒子强相互作用的量子场论,该理论对于夸克、胶子等亚原子粒子的相互作用进行了解释,电磁相互作用与弱相互作用则被统一为单独量子场论,称为电弱相互作用。

在狭义相对论、广义相对论、量子力学相继问世之后,科学界也试图针对这些对引力、量子问题等方向的重要理论进行统合,克莱因、戈尔登、狄拉克等人试图通过克莱因-戈尔登方程或狄拉克方程来取代薛定谔方程,从而将狭义相对论与量子力学进行结合,量子电动力学则是量子力学当中描述电磁相互作用的精确理论,而量子力学与广义相对论的结合也是另一个重要的研究方向,霍金辐射便是建造引力的量子模型所进行的研究尝试,除此之外针对统合量子力学与广义相对论的尝试性理论架构大概包括超弦理论、循环量子引力理论等内容。

物理化学、分析化学、有机化学、无机化学四大现代化学基本门类在20世纪基本成形,其中量子力学对于现代化学的变迁起到了关键作用,莱纳斯·鲍林引进量子力学解释化学键的本质,得以用波函数的线性叠加描述,在多种比原子更小的微观结构被发现后,现代化学也成为了从原子尺度分析问题的科学,在1896年贝克勒尔发现放射性之后,居里夫人于两年后提取出了放射性物质钋和镭,此后大量的放射性元素被逐一发现,对于化学元素的研究也已经扩展到了放射物质方面。

而在生物学方面,19世纪后期孟德尔所总结的遗传定律在20世纪受到了重视,遗传学开始成为生物学科当中的重点学科,1953年詹姆斯沃•森与罗莎琳•富兰克林开始针对遗传密码等科学问题进行深入的探究,在20世纪后期国际性的人类基因组计划展开,深刻的推动了分子生物学与医学的发展。

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20世纪地理学与天文学方面的发现则在宏观层面极大的拓宽了人类的视野,在地理学方面,魏格纳的板块构造理论对于地球外壳地理活动的研究理念进行了总结;而在天文学方面,哈勃在1929年发现红移现象,人类开始意识到宇宙正在处于膨胀状态,乔治•加莫夫、拉尔夫•阿尔菲、罗伯特、赫尔曼等人计算推论出了宇宙大爆炸的理论证据,自此宇宙大爆炸理论开始成为科学家所热衷讨论的宇宙历史假说,而哈勃空间望远镜的发现也对这一理论提供了佐证,另一方面脉冲星、类星体、耀变体、电波星系等星体现象也在20世纪被逐步发现,暗物质、引力波、黑洞、中子星等概念名词也在20世纪受到了天文学界的重视。在20世纪后期冷战时期的太空科技竞赛也进一步促进了太空探索活动的兴起,人类分别于1961年与1969年实现了载人航天与登陆月球,在这之中各项太空发明纷纷问世,包括人造卫星、运载火箭、航天飞机等等。

随着科技力量的加强,科技实力成为了各个国家的核心竞争领域,第二次工业革命在20世纪上半期基本完成,第三次工业革命则在20世纪下半期迅速到来,进入量子领域的物理学对于电子器械的改进起到了关键作用,激光设备等发明产物的工作机制即是爱因斯坦所提出受激发射,利用了光学、热学、电学等理论原理的晶体管技术则直接促成了计算机革命与信息技术革命的出现,化学学科对于分子动力学技术也起到了重要的指导作用,而原子领域的物理学理论更是推动了原子能工业的崛起,在第二次世界大战之中,美国的曼哈顿计划也将热核武器从理论设想转变为了现实,使得人类的武装能力发生了质的改变,在此之后核能工业也成为了重要的能源工业形式。

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20世纪的科学进步首先得益于常规科研设备的提升,工业技术对于科研的反哺促进了常规科研设备的发展,电子显微镜开始成为重要的微观观测设备,除此之外相衬显微镜、透视电子显微镜、扫描轨道隧道显微镜等科研产物也纷纷问世,而常规观测望远镜设备也在20世纪得到了明显的升级,各种常规的实验仪器也在此阶段被不断的改良,出现了威尔逊云室、气泡室等试验工具。

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与常规的科研设备相对应的是,人类所使用的大型科研探索设备也开始陆续成为科学发展的有效推力,在宇宙观测工具方面,在20世纪以来出现了大量大型的望远镜设备,从电波到伽马等频率的特定望远镜设备层次不穷,自1937年第一个电波望远镜建设成功后,大型的天文观测设备成为了现代科学界不可缺少的重要科研工具,其中较为著名的地面大型天文望远镜包括甚大望远镜(欧洲南方天文台)、麦克梅斯-皮尔斯太阳望远镜(美)、凯克望远镜(美)、加那利大型望远镜(西)、大天区面积多目标光纤光谱天文望远镜(中)、欧洲极大望远镜(欧洲南方天文台)等天文设施,较为著名的空间望远镜则包括哈勃空间望远镜、钱德拉空间望远镜等外空间观测仪器。在微观探索科技方面,出现了粒子对撞机等工具粒子探测工具,现代较为著名的粒子对撞机包括大型强子对撞机、大型电子正子对撞机、超级质子同步加速器等设施。

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除了物质技术上的支持因素外,科学组织在社会范畴之中的日趋扩展对于20世纪的科技发展也起到了更为重要的基础作用,在20世纪的科学发展的扩展阶段当中,科研组织的社会影响力逐渐增强对于20世纪的科学发展起到了至关重要的作用,在这个基础上,科研机构已然更加成熟,20世纪各个国家都对各自的国立科学院与社会性科学组织进行了完善,中国的中国科学院也于1949年成立,另一方面国际类型的科研组织也日益成熟,1931年于比利时成立的国际科学理事会与作为联合国下属机构的联合国教科文组织便是20世纪所成立的与国际科学活动存在关联的国际组织。

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结语:科学时代下的觉醒

现代科技极大的拓宽了人类的视野,可观测宇宙的直径达到了930亿光年,航行最远的旅行者号探测器已经到达了太阳系的边疆,对微观世界的观测活动到达了亚原子级别,现有科技水平甚至可以制造出具备自我学习能力的弱人工智能。

虽然完备成熟的近现代科学体系所出现的历史不过数百年,然而自然科学已然从认知自然的时代,迈入到了利用自然的时代,科学研究不断开拓着人类视野,科技应用不断刷新着人类所支配的工业体系,工业能力的进步则为科学领域的进一步开拓提供了条件,由此构成了社会进化的循环系统,形成了现代文明的坚实基础。

自此科学使文明从由神谕、宿命所编织而成的旧故事梦境之中醒来。在目睹真实的世界后,现代文明起身向前迈进,虽然旧时梦中的残片仍会时而在我们的集体意识当中浮现,然而文明终究已经觉醒,探知的步伐便不会停止。



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