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簡(jiǎn)單性原理在物理學(xué)中的應(yīng)用畢業(yè)論文1

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1、簡(jiǎn)單性原理在物理學(xué)中的應(yīng)用 摘 要:物理學(xué)是人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的一種反映,它不但能描述自然界的一切物理現(xiàn)象,還能深入的反映物質(zhì)的本質(zhì)隨著認(rèn)識(shí)的不斷深入,逐漸形成了一條認(rèn)識(shí)論原理-簡(jiǎn)單性原理正是這種最廣泛、最簡(jiǎn)明的形式引領(lǐng)著物理學(xué)的創(chuàng)新和發(fā)展本文正是通過追溯簡(jiǎn)單性原理的認(rèn)識(shí)歷程,結(jié)合物理學(xué)的發(fā)展,分析其基本含義,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合物理學(xué)中的典型案例指出簡(jiǎn)單性原理在物理學(xué)中的價(jià)值關(guān)鍵詞:簡(jiǎn)單性原理;物理學(xué)Abstract: physics is a reflection that human understanding of nature, not only can describe the natu

2、re of all the physical phenomena, also can reflect the nature of the material. With the deepening of the understanding, it gradually formed a epistemological principle simplicity principle. It is the most widely and the most concise form of lead the innovation and development of physics. This articl

3、e is through traces the simplicity principle understanding, combined with the development of physics, analyze the basic meaning, and on this basis, combined with the typical cases in physics to point out that the value of simplicity principle in physics.Key words: simplicity principle; physics引 言簡(jiǎn)單性

4、原理是物理學(xué)中最重要一個(gè)思想,是物理學(xué)研究發(fā)展的基礎(chǔ)眾所周知,人類的認(rèn)識(shí)是自然界長(zhǎng)期發(fā)展進(jìn)化的結(jié)果,對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了從無到有,從復(fù)雜到簡(jiǎn)單的歷程,在長(zhǎng)期對(duì)自然界奧秘的探索中,人類逐漸為自然界總結(jié)出了一門規(guī)律學(xué)科-物理學(xué)物理學(xué)是人類對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的一種反映,隨著認(rèn)識(shí)的不斷深入,越來越多的自然奧秘被揭示,在物理學(xué)研究的過程中,如果不遵循簡(jiǎn)單的原理,就勢(shì)必會(huì)形成復(fù)雜和麻煩的認(rèn)識(shí)論體系,從而不能為人們所接受,成為研究發(fā)展的障礙鑒于此,物理學(xué)家從簡(jiǎn)單性原理的要求出發(fā),建立了一系列較為可靠的理論與定律,從而使簡(jiǎn)單性原理成為建立物理學(xué)理論體系的一條普遍性原理畢達(dá)哥拉斯、哥白尼、奧卡姆以及牛頓等人都對(duì)簡(jiǎn)單性

5、原理做了比較深入的理解與應(yīng)用,直到愛因斯坦提出邏輯簡(jiǎn)單性原理,對(duì)邏輯簡(jiǎn)單性原理做出了較為明確的定義,人們對(duì)簡(jiǎn)單性原理的認(rèn)識(shí)逐漸深入,系統(tǒng)化近幾年來,人們對(duì)簡(jiǎn)單性的運(yùn)用日益增多,理解也不斷深入,但是卻對(duì)簡(jiǎn)單性原理的內(nèi)涵及價(jià)值認(rèn)識(shí)不深,那么究竟什么是簡(jiǎn)單性原理?它在理論判據(jù)又是如何?國(guó)內(nèi)外學(xué)者都沒有明確的定量描述,僅僅是停留在最初的定性認(rèn)識(shí)階段基于此,本文從簡(jiǎn)單性原理的認(rèn)識(shí)出發(fā),通過物理學(xué)中經(jīng)典案例的分析,進(jìn)一步詮釋了簡(jiǎn)單性原理的內(nèi)涵,在此基礎(chǔ)上,明確簡(jiǎn)單性原理在物理學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值1認(rèn)識(shí)淵源在自然界的認(rèn)識(shí)過程中,我們是逐步認(rèn)識(shí),了解和深入的,整個(gè)過程中我們可以歸納為簡(jiǎn)單復(fù)雜再簡(jiǎn)單的無限循環(huán)就像彭加

6、勒曾經(jīng)說過:“毫無疑問,如果我們的研究方法變得越來越深刻,我們便可以在復(fù)雜的東西之下發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單的東西,然后再簡(jiǎn)單的東西之下發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的東西,接著再?gòu)膹?fù)雜的東西之下發(fā)下簡(jiǎn)單的東西”1所以對(duì)簡(jiǎn)單性的認(rèn)識(shí),我們也可以理解為最初不知不覺的應(yīng)用,到后來形成初步的認(rèn)識(shí),逐漸形成理論體系,隨著認(rèn)識(shí)的不斷加深,我們會(huì)不斷地修正以前的理論,建立起更加具體,簡(jiǎn)潔的理論體系1.1簡(jiǎn)單性原理思想的初步萌芽關(guān)于簡(jiǎn)單性原理,在古代已經(jīng)有初步的認(rèn)識(shí),古希臘的哲學(xué)家用一種或幾種簡(jiǎn)單地元素來描述自然界的本質(zhì)“泰勒斯把萬物的本質(zhì)歸結(jié)為水,赫拉克立特歸結(jié)為火,德謨克利特則將原子歸結(jié)為世界的本源” 2我國(guó)古代也有類似的看法,如陰陽(yáng)說,五

7、行說等這些認(rèn)識(shí)看似五花八門,歸根結(jié)底其實(shí)都認(rèn)為世界的最初形態(tài)是簡(jiǎn)單的,只是再后來的演變中逐漸趨于復(fù)雜,演變成變化多樣的自然現(xiàn)象在今天看來,這些認(rèn)識(shí)無疑是極其荒謬和幼稚的,但正是這些理解是人們直觀的認(rèn)識(shí)自然界的簡(jiǎn)單性的開始隨著認(rèn)識(shí)的不斷深入,古希臘數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家畢達(dá)哥拉斯對(duì)簡(jiǎn)單性這一思想做出了深化,他指出“無論是解說外在物質(zhì)世界,還是描寫內(nèi)在世界,都不能沒有數(shù)學(xué),萬事萬物的背后都有數(shù)的法則在起作用”3畢達(dá)哥拉斯認(rèn)為數(shù)的本源就是萬物的本源,天體是按一定的數(shù)的關(guān)系運(yùn)動(dòng)的,甚至天體的數(shù)目也有完整性,宇宙具有數(shù)的和諧型,這無疑給人們以利用數(shù)學(xué)研究表示自然規(guī)律的提示希望以普遍性的數(shù)的規(guī)律去描述自然界的各種

8、現(xiàn)象這是人們首次對(duì)自然界規(guī)律的描述提出數(shù)學(xué)要求他還堅(jiān)持?jǐn)?shù)學(xué)論證必須從假設(shè)開始,這無疑說明了天體以數(shù)的形式表現(xiàn)出簡(jiǎn)單性這也是簡(jiǎn)單性原理思想的最原始表示15世紀(jì)偉大的天文學(xué)家哥白尼堅(jiān)定地信奉畢達(dá)哥拉斯的思想,并對(duì)簡(jiǎn)單性原理具有更加明確地信念,他認(rèn)為宇宙的體系可以用最簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系和圖形來表示,他在至少20年時(shí)間里致力于這項(xiàng)研究,最終得出了日心說理論,確立了地球在宇宙中的地位,而且還形象的描繪了地球的運(yùn)動(dòng)規(guī)律正是在對(duì)簡(jiǎn)單性原理的堅(jiān)定信念下,哥白尼以自己的執(zhí)著描繪出了自然簡(jiǎn)單性的最初圖景同一時(shí)期,著名的唯名論者威廉奧卡姆更加系統(tǒng)明確地提出了簡(jiǎn)單性的思想。他主張“如無必要,勿增實(shí)體”4,認(rèn)為在人們的認(rèn)識(shí)

9、過程中,用較多的理論或假設(shè)完成較少的就能完成的事,就是徒勞的以此出發(fā),他認(rèn)為那些繁瑣的理論和多余的假設(shè)都應(yīng)該用“剃刀”統(tǒng)統(tǒng)剃掉從他的思想我們可以看出,他指示我們,應(yīng)當(dāng)用盡量少的假設(shè)和簡(jiǎn)單地理論,簡(jiǎn)單明晰的表達(dá)科學(xué)理論奧卡姆是從科學(xué)理論角度明確提出簡(jiǎn)單性原理的第一人,隨著科學(xué)理論的不斷發(fā)展,這一思想被不斷的深化和明確,對(duì)建立簡(jiǎn)單性這一基本原理奠定了基礎(chǔ)1.2簡(jiǎn)單性原理思想的基本形成偉大的英國(guó)物理學(xué)家牛頓在建立力學(xué)體系時(shí)曾有專門論述理論方法問題的說明,在談到相應(yīng)的法則時(shí),第一條就是簡(jiǎn)單性原則,即“除那些真實(shí)而已足夠說明其現(xiàn)象者外,不必再去尋求自然界事物的其他原因”2這說明牛頓已明確建立理論體系應(yīng)具

10、有邏輯上的簡(jiǎn)單性這一思想由此可見,牛頓建立的力學(xué)體系原理和定律是很少的牛頓力學(xué)以簡(jiǎn)單的形式概括了天體和地面的力學(xué)運(yùn)動(dòng),從表面看,開普勒的三大定律和伽利略的自由落體運(yùn)動(dòng)并不復(fù)雜,但牛頓力學(xué)卻從簡(jiǎn)單性的思想出發(fā),總結(jié)了開普勒和伽利略的理論,首次實(shí)現(xiàn)了天體運(yùn)動(dòng)和地面運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一由此,牛頓力學(xué)就顯得比開普勒和伽利略的理論更深刻,形式更美20世紀(jì)初,愛因斯坦根據(jù)此前的物理學(xué)發(fā)展?fàn)顩r及對(duì)簡(jiǎn)單性的認(rèn)識(shí),提出了邏輯簡(jiǎn)單性思想,并對(duì)簡(jiǎn)單性思想作出明確的定義,“我們所謂的簡(jiǎn)單性,并不是指學(xué)生在精通這門體系時(shí)產(chǎn)生的困難最小,而是指這體系所包含的彼此獨(dú)立的假設(shè)或公理最少”5 愛因斯坦認(rèn)為簡(jiǎn)單性并不是單純的理論難易程度,

11、而是要求用盡可能少的理論對(duì)事物做出盡可能具體的描述1905年愛因斯坦僅用三個(gè)假設(shè)就完成了對(duì)洛倫茲變換的推導(dǎo),而在此之前洛倫茲本人用了十個(gè)假設(shè)才得出這個(gè)推論愛因斯坦也曾說過:“我們可以用某些簡(jiǎn)單的普遍適用的法則來認(rèn)識(shí)客觀實(shí)際”,“客觀世界中的深層次的樸素關(guān)系可以用簡(jiǎn)單的邏輯概念加以闡釋和理解”6他還指出,物理學(xué)理論的目的,就是用盡可能少的假說去建立理論概括體系物理學(xué)家的任務(wù)就是從各種復(fù)雜的物理現(xiàn)象中找出物理學(xué)的簡(jiǎn)單本質(zhì),他們的動(dòng)力正是愛因斯坦這種簡(jiǎn)單性的理念正是在這種理念的堅(jiān)持下,“愛因斯坦致力于牛頓的統(tǒng)一力學(xué)和麥克斯韋的電動(dòng)力學(xué),創(chuàng)造性的將時(shí)間和空間統(tǒng)一為時(shí)空,將質(zhì)量,動(dòng)量和能量結(jié)合為質(zhì)能張量

12、,為我們描繪出了一副相對(duì)論圖景”7可以說愛因斯坦一生成就的基礎(chǔ)就是簡(jiǎn)單性原理思想的成功運(yùn)用,他利用簡(jiǎn)單性思想經(jīng)過不斷的單純演繹,形成了新的物理學(xué)體系愛因斯坦正是通過簡(jiǎn)單性原理的思想取得了輝煌的成就,開辟了物理學(xué)發(fā)展的新篇章從奧卡姆到牛頓,后經(jīng)過愛因斯坦等人的闡述,人們對(duì)簡(jiǎn)單性的認(rèn)識(shí)逐漸系統(tǒng)化,并形成了他們獨(dú)特的認(rèn)識(shí)觀點(diǎn),但不論他們的觀點(diǎn)如何變化,基本上都是把理論的簡(jiǎn)單性看成是一種認(rèn)識(shí)世界的方法、約定。2物理學(xué)中簡(jiǎn)單性原理的應(yīng)用從簡(jiǎn)單性的發(fā)展歷程,我們可以看到,人類對(duì)于簡(jiǎn)單性的應(yīng)用已經(jīng)有很長(zhǎng)的時(shí)間,并對(duì)物理學(xué)的發(fā)展發(fā)揮過重要作用,隨著社會(huì)的發(fā)展,將會(huì)進(jìn)一步顯示出它的價(jià)值2.1簡(jiǎn)單性原理在物理思想

13、中的應(yīng)用簡(jiǎn)單性原理是一種重要的物理思想,對(duì)于物理思想的提出與論證具有重要價(jià)值。首先,關(guān)于物理理論,具有最簡(jiǎn)形式、較強(qiáng)邏輯性的理論通常應(yīng)用的范圍更廣泛,所含的信息多,更受物理學(xué)家喜愛我們知道,物理上所形成的理論必須是以某種形式的符號(hào),語言或數(shù)字表示出來,這種表示必須準(zhǔn)確,而且在表示出來的理論中,能用簡(jiǎn)潔恰當(dāng)?shù)恼Z言把它的內(nèi)容完整的表達(dá)出來,形成一種形式去傳達(dá)和交流,這樣才能成為經(jīng)典的物理理論。如果在理論中不遵循簡(jiǎn)單性原理,那么語言表述就會(huì)拖沓累贅,最終被淘汰。盡管牛頓和萊布尼茨同時(shí)創(chuàng)立了微積分,但我們現(xiàn)在所用的微積分均為萊布尼茨所創(chuàng),牛頓只是頂著創(chuàng)始人的頭銜,這就是因?yàn)榕nD的理論表述不如萊布尼茨簡(jiǎn)

14、潔,明了正因?yàn)檫@個(gè)原因,萊布尼茨的微積分一直沿用至今其次,簡(jiǎn)單性原理是衡量物理理論的標(biāo)準(zhǔn)金尚年曾在自然哲學(xué)的演化中將簡(jiǎn)單性原理理解為兩層含義,一方面他認(rèn)為自然界本身具有簡(jiǎn)單性、和諧性,因而研究它們本質(zhì)與規(guī)律的方法也應(yīng)是簡(jiǎn)單的;另一方面說用多種方法解決同一問題得到相同的結(jié)論,則應(yīng)選用那簡(jiǎn)單的方法,簡(jiǎn)單來說就是科學(xué)中正確的東西都是簡(jiǎn)單的亞里士多德曾說過“簡(jiǎn)潔是真理的標(biāo)志” 5 ,他相信,理論過程的途徑是最簡(jiǎn)單的愛因斯坦也曾主張,“物理學(xué)中真實(shí)的東西一定是邏輯上最簡(jiǎn)單的”5因此,判定一條理論是否正確,就看它在邏輯上是不是最簡(jiǎn)單的所以說簡(jiǎn)單性原理就是促使物理理論接近客觀真理的根本方法論原則,這也正是愛

15、因斯坦堅(jiān)定不移的堅(jiān)持簡(jiǎn)單性原理的根本目的所在而且,物理學(xué)家廣泛運(yùn)用最簡(jiǎn)化的理想模型進(jìn)行分析論證思想譬如,牛頓的萬有引力定律的發(fā)現(xiàn),愛因斯坦的相對(duì)論,伽利略的慣性定理都應(yīng)用了最簡(jiǎn)單的理想化模型,這些模型在現(xiàn)實(shí)中都是不存在的,只能在理想狀態(tài)下進(jìn)行,排開表面現(xiàn)象和非人為因素的影響才能實(shí)現(xiàn) 最后,物理學(xué)中廣泛應(yīng)用統(tǒng)一性的思想,將復(fù)雜的思想簡(jiǎn)單化愛因斯坦是大量運(yùn)用這種思想的第一人,他將光的波動(dòng)性和粒子性結(jié)合在一起,形成了波粒二象性理論,同時(shí)他的相對(duì)論首次將時(shí)空,物質(zhì),引力完美結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)的一次重大突破牛頓的力學(xué)定律首次實(shí)現(xiàn)了天體運(yùn)動(dòng)和地面運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一,形成了現(xiàn)在的經(jīng)典力學(xué)體系麥克斯韋完成了電和磁的完

16、美結(jié)合,電磁學(xué)這一物理分科隨之產(chǎn)生而現(xiàn)代物理學(xué)正在完成自然界四種相互作用的統(tǒng)一,向粒子物理學(xué)的統(tǒng)一逐步邁進(jìn)2.2簡(jiǎn)單性原理在物理公式中的應(yīng)用 對(duì)于物理學(xué)來說,除了對(duì)理論的不斷追求外,對(duì)數(shù)學(xué)化的要求也越來越高,物理學(xué)簡(jiǎn)單性的一個(gè)重要特征就是,“描述物理規(guī)律的數(shù)學(xué)形式盡可能簡(jiǎn)單和想贏得方程數(shù)目盡量的少,基本定律的形式越來越注重形式美和簡(jiǎn)單”2而且,往往在總結(jié)公式時(shí),簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式更有可能接近真實(shí)麥克斯韋方程組被認(rèn)為世界上最偉大的方程,他將過去人們認(rèn)為互不相關(guān)的電、磁和光的現(xiàn)象用形式上及其簡(jiǎn)單,對(duì)稱,優(yōu)美的四個(gè)方程統(tǒng)一到一個(gè)理論體系當(dāng)中,形成了著名的麥克斯韋的電磁學(xué)方程組,這是世界上最偉大的公式,在

17、我們?nèi)缃竦拇髮W(xué)課本中我們不難找到,真空中的麥克斯韋的電磁學(xué)方程組寫作:微分形式 (1)它指明了電磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)變化的一般規(guī)律, 揭示了電和磁轉(zhuǎn)化的對(duì)稱美,以優(yōu)美的數(shù)學(xué)形式反映出了電磁場(chǎng)的內(nèi)在統(tǒng)一性任何看得懂這四個(gè)公式的人都會(huì)不禁為它的優(yōu)美而感到驚訝后來,麥克斯韋對(duì)這組方程組進(jìn)行了推導(dǎo),僅靠簡(jiǎn)單的紙上演算就從中預(yù)測(cè)了電磁波的存在愛因斯坦曾經(jīng)導(dǎo)出的物體質(zhì)量與能量關(guān)系滿足智能關(guān)系的公式: (2)這個(gè)公式揭示了物體的質(zhì)量和能量之間的正比關(guān)系,當(dāng)系統(tǒng)的質(zhì)量變化時(shí),能量向?qū)?yīng)的變化降低一個(gè)系統(tǒng)的能量,它的質(zhì)量也會(huì)對(duì)應(yīng)的減少,形象的說明了物體的質(zhì)量隨能量的變化關(guān)系從而證明了在相對(duì)論力學(xué)中,物體的質(zhì)量和能量是相互聯(lián)

18、系的,但在此之前的經(jīng)典力學(xué)中的質(zhì)量和能量卻是獨(dú)立的這一發(fā)現(xiàn)也導(dǎo)致了20世紀(jì)智能守恒定律的發(fā)現(xiàn)僅僅只用了幾個(gè)符號(hào),就把物理學(xué)中雜亂紛呈的現(xiàn)象整理出一種井然有序的規(guī)律,由此可見,優(yōu)美的數(shù)學(xué)形式是眾多物理學(xué)家的追尋,激勵(lì)他們不斷突破現(xiàn)象的束縛,做出更加完美和簡(jiǎn)單地?cái)?shù)學(xué)形式開普勒也在這一方面有自己的獨(dú)到認(rèn)識(shí),他認(rèn)為哥白尼的日心說并非完美,日心說雖然對(duì)天體運(yùn)動(dòng)理論的美學(xué)研究有了一定程度的滿足,但卻沒有反映出宇宙數(shù)的和諧型,它應(yīng)該更簡(jiǎn)單,更美在這種認(rèn)識(shí)下,他整理了第谷的觀察資料,以期在哥白尼的行星軌道間尋找一種數(shù)學(xué)和諧,嘗試了十幾種想象路徑與觀測(cè)不一致后又完全否定它們之后,終于沖破哥白尼日心說的束縛,得出

19、著名的開普勒第一定律:軌道不僅可以看做橢圓,太陽(yáng)居于其一個(gè)焦點(diǎn)上在此基礎(chǔ)上,開普勒經(jīng)過長(zhǎng)期的計(jì)算研究,相繼得出開普勒第二,第三定律,使哥白尼的理論從對(duì)行星與太陽(yáng)的普遍描述轉(zhuǎn)變到了一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)公式: (3) 當(dāng)我們明白開普勒是從前人大量凌亂而又復(fù)雜的觀測(cè)資料中找到“T”與“R”的關(guān)系,我們就不得不稱贊這一公式的簡(jiǎn)潔和優(yōu)美類似的例子不勝枚舉,從牛頓萬有引力到哈密頓等人的分析力學(xué),從哈勃定律到愛因斯坦的相對(duì)論方程,無一不顯示出物理學(xué)中數(shù)學(xué)簡(jiǎn)單性的趨勢(shì)縱觀物理學(xué)史,我們不難看出,當(dāng)某一物理理論在不具備實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持的情形時(shí),我們首選的依據(jù)就是數(shù)學(xué)簡(jiǎn)單性與邏輯簡(jiǎn)單性而且,數(shù)學(xué)簡(jiǎn)單性更具有形式美,所以更得

20、物理學(xué)家信賴就像狄拉克相對(duì)性電子理論的成功,正是歸結(jié)于他對(duì)數(shù)學(xué)簡(jiǎn)單性的信賴隨著物理學(xué)的發(fā)展,數(shù)學(xué)的簡(jiǎn)單性將會(huì)以自身的實(shí)用性與優(yōu)美性得到廣大物理學(xué)家的青睞與嘗試 3 結(jié) 論 總之,簡(jiǎn)單性原理是物理學(xué)中一種重要的方法原理,它有利于建立物理假說和物理理論體系,或者說,簡(jiǎn)單性原理為物理學(xué)的研究發(fā)展提供了一種探索方向我們相信,隨著物理學(xué)的不斷發(fā)展,人類認(rèn)識(shí)的不斷深入,簡(jiǎn)單性原理必將成為一種信念,引領(lǐng)著物理學(xué)家們不斷探索,以更簡(jiǎn)潔更真更美的形式去揭示自然地奧秘,以此引發(fā)物理學(xué)領(lǐng)域的又一次飛躍參考文獻(xiàn)1 彭加勒.科學(xué)的價(jià)值M.李醒導(dǎo)譯.北京光明日?qǐng)?bào)出版社,1988.1142 朱星昨,劉樹勇.從物理學(xué)史看簡(jiǎn)單性原則的發(fā)展.J首都師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版).2005.12.第26卷.第4期3 吳維煊. 畢達(dá)哥拉斯“萬物皆數(shù)”思想蘊(yùn)含的理性特征J.廣東第二師范學(xué)院學(xué)報(bào).2012.104 葉秀山,傅樂安.西方著名哲學(xué)家評(píng)傳M .濟(jì)南:山東人民出版社.1984.5035 胡化凱.為何要堅(jiān)持邏輯簡(jiǎn)單性原則.J大自然探索.1996.第四期。第15卷6 許良英編譯.愛因斯坦文集.第一卷M.北京:商務(wù)印書館.19767 胡研.理論體系中簡(jiǎn)單性的含義J .重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文.2005Application of the simple principle in physics

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