霍金黑洞（霍金黑洞面积不减定理）

大家好，今天本篇文章就来给大家分享霍金黑洞，以及霍金黑洞面积不减定理对应的知识和见解，内容偏长哪个，大家要耐心看完哦，希望对各位有所帮助，不要忘了收藏本站喔。

1黑洞之王霍金一生有哪些重要科学贡献？

著名科学家、科普作家斯蒂芬·威廉·霍金（以下简称霍金）于去年2018年3月14日去世，享年76岁。这位在半个世纪前就被医生判了死刑，说活不过两年的天才科学家，带着病躯又顽强的活了半个世纪，给人类科学和民众科普留下了宝贵的财富。

△霍金

科普之王

对于普罗大众，霍金留给我们最有价值的就是他写的几本畅销科普书，对于上了年纪（30岁以上…）的科学爱好者，相信没几个人没看过霍金的书。

当然，对于现在来说，科普书满天飞，所以年轻一代可能有好些没有看过霍金的科普书的，但在这些满天飞的科普书作者中，大概又有很大一部分是看过霍金的科普书并深受其影响的。作为史上最畅销科普书作者，霍金留给科学爱好者的科普财富是无与伦比的。在他所著的众多科普书中，称为霍金三部曲的《时间简史》、《果壳中的宇宙》和《大设计》最为知名，特别是上世纪80年代写的《时间简史》可谓人尽皆知，全球销量数千万册。曾经在科学爱好者里没有看过《时间简史》都不好意思说自己是科学爱好者……

△霍金的时间简史

当然霍金的最主要身份是作为一名科学家而不是科普作家。那么他又留给科学界些什么呢？

霍金在科学上的成就主要集中在宇宙学方面，而且跟很多著名科学家一样，他的主要贡献基本上都是年轻时做出的。很多人说霍金晚年碌碌无为，我只想说，这不正常吗？有多少个理论物理学家在晚年还碌碌有为的？

好了废话太多，现在聊正题。在科学上，霍金又给我们留下了什么……嗯？我们？……等等，应该说科学界……理论贡献关我们什么事……

早年，霍金在宇宙学上贡献颇大，特别在在黑洞研究上面，而事实上他的理论贡献也都主要集中在黑洞方面。

一、奇性定理

这是霍金与数学家彭罗斯共同证明的，他们的计算表明，在很一般的初始条件下，物质坍缩到形成视界后时空中都会出现奇异性并产生奇异点，根据计算这个奇异点是时间为0的点，也就是它要么是时间的起点，要么是时间的终点。霍金和彭罗斯证明，在宇宙大爆炸之初存在一个时间的起点，而在黑洞坍缩中心存在一个时间的终点。奇性定理曾经终结了宇宙大爆炸之前是什么的问题，因为宇宙大爆炸就是时间的起点，它没有之前。

宇宙大爆炸奇点

二、黑洞无毛定理

这个无论是中文名还是英文名都相当不雅的定理是由霍金和其他研究者共同证明的，它指出当天体因引力坍缩而产生视界后，对于外界只剩下质量、电荷和角动量三个物理量，其余一切信息（包括温度）都会失去。因此在我国它有一个比较雅观也更为贴切的别名——三毛定理。

但这个定理一经提出就引起了强烈反响，首先是来自量子力学方面的，因为这个定理与量子力学的一个基本定律产生矛盾——信息守恒。这在物理界一直存在争议，相对论学家认为信息确实是不守恒的；但量子物理学家不干，他们认为信息必须守恒。

后来霍金声称证明了信息确实守恒……但相对论权威基普索恩认为他的证明是错的，所以关于黑洞信息是否守恒，目前科学界还没有达成共识。

黑洞无毛定理的第二个冲突来自热力学，刚才说了在物质落入视界后温度信息也会丢失，那么问题来了，如果把外界的熵都扔进黑洞，黑洞的熵并没有增加，而外界的熵降低了，这不就违反热力学第二定律了吗？

这两个问题一开始相对论学家还能杠一下：黑洞视界内是一个独立的系统，因此扔进去的信息和熵都与外界宇宙无关，这样就不算违背量子力学和热力学了。这样解释大家确实也无话可说，毕竟根据相对论，进去的东西永远也出不来了，谁也不知道它在里面咋了，它跟外界已经没有关系了。这样，这两个问题就都不是问题了。

然而没过几年，霍金就搞出了一个大新闻，导致这两个问题又成了大问题。稍后再说。（见第4点）

黑洞无毛定理

三、面积不减定理

霍金指出，当视界形成以后，任何物质落入黑洞，黑洞的视界表面积只会增加不会减少。

这任何物质包括了另一个黑洞。因此，这一定理将限制了双黑洞合并时的引力波辐射总能量。也就是说根据面积不减定理，两个黑洞合并过程所产生的引力波辐射总能量必定低于一个阈值，使两个黑洞合并后形成的黑洞的视界表面积大于合并前的两个黑洞视界面积之和。

霍金的这一定理已经在自2015年之后LIGO激光干涉引力波天文台检测到的多次双黑洞合并引力波事件所证实，不过这个理论的分量不够，霍金并没有因此获得任何奖项。

引力波事件证明了面积不减定理

四、霍金辐射

这个以霍金名字命名的理论被公认为霍金毕生最重要的理论贡献。虽然黑洞辐射并非是霍金首先提出的，但是凭着超强的理论和数学能力，霍金首先完美地证明里黑洞辐射！为了这个证明，他构建了一个称为弯曲时空量子场论的广义相对论与量子力学的合并理论。他尝试在黑洞附近极度弯曲的时空中考虑量子效应，根据量子力学，真空中会随机出现虚粒子对，并随即湮灭，但当这些虚粒子对出现在黑洞视界周围极度弯曲的时空中时，情况就会变得有趣起来，它们可能出现三种情况：

1.与在平坦时空时一样后最终湮灭。

2.在湮灭前其中一个落入视界，另一个也跟着落入视界。

3.虚粒子对被黑洞超强的潮汐力分开到足够的距离，其中一个落入视界，另一个向外逃逸。当逃逸的虚粒子失去了能与之湮灭的另一半后，就会成为实粒子，相应的落入黑洞那个虚粒子也会变成实粒子，这过程就像黑洞里往外发射了一个实粒子一样。基于能量守恒，落入黑洞的实粒子与向外逃逸的实粒子总能量为0，那么辐射出来的实粒子是携带正能量还是负能量呢？霍金指出，向外逃逸的实粒子必然是携带正能量的实粒子。这是因为黑洞外的正常时空不允许负能实粒子存在，如果首先落入黑洞的是正能粒子，那么留在外面只能跟着进去，而不会往外逃逸。但是黑洞内的时空则不同，黑洞视界是一个单向膜，视界内的时空会发生互换，在视界内的特殊时空里是允许存在负能实粒子的，因此留在外面的实粒子无需跟进去与之湮灭。所以黑洞可以以一定的速率持续向外发射正能量的实粒子，与此同时，落入视界的负能实粒子则减少了黑洞的总能量，这过程就像黑洞在慢慢蒸发一般，因此霍金辐射也被称为黑洞蒸发。

△霍金辐射

五、黑洞热力学

黑洞热力学最初是美国物理学家约翰·惠勒提出的，由他的学生雅各布·贝肯斯坦发扬光大。在霍金证明了面积不减定理后，贝肯斯坦就指出黑洞表面积很像热力学的熵，都是自增不减。但霍金非常抗拒这种说法，他指出，如果黑洞有熵，就意味着有温度，就应该会产生热辐射，但是广义相对论不允许黑洞存在热辐射，因此霍金否决了贝肯斯坦这一想法。

然而前面在介绍黑洞无毛定理时说过，黑洞的存在违反了热力学第二定律——熵增定律，由于黑洞可视为一个独立的系统，所以可以回避这个问题，然而霍金辐射的证明让这个问题无可回避，因为黑洞最终会蒸发消失，因此它与外界宇宙是同一个系统。而霍金辐射证明了黑洞会向外产生辐射，而且霍金证明所产生的辐射是黑体辐射，这样，霍金当初否决贝肯斯坦的理由就不成立了，因为黑洞确实会产生热辐射！因着霍金辐射的证明，黑洞热力学也正式被确立，我们来看看黑洞热力学与热力学一一对应的四条定律：

热力学第零定律——如果a和b都与c取得热平衡，那么a与b也必然热平衡。这是一条关于温度的热力学定律，而在黑洞热力学里，温度就对应着黑洞的表面引力。也就是说，黑洞的温度高低由其表面引力的大小决定，表面引力越大，黑洞温度越高。

热力学第一定律——能量守恒定律。这条是宇宙的基本定律与之对应的就是黑洞的电荷和角动量。

热力学第二定律——熵增定律。前面说了，贝肯斯坦早已指出这就是霍金证明的面积不减定理。

热力学第三定律——不能通过有限的物理过程把温度降到绝对零度。这对应的自然就是不能经过有限的物理过程将黑洞的温度（表面引力）降低到零。

△贝肯斯坦黑洞熵公式

虽然黑洞热力学并非由霍金首先提出，但是很显然每一条黑洞热力学定律都离不开霍金的理论，所以把黑洞热力学归为霍金的理论贡献应该不会有人反对吧。

到这里这篇文章已经超过3000字了……所以后面的理论我长话短说……

六、黑洞信息守恒

这同样是之前在介绍黑洞无毛定理时提到过的，随着霍金辐射的证明重新成了必须面对的问题。与熵增定律不同，霍金在证明霍金辐射后依然不承认信息守恒，并和好朋友基普·索恩一起与支持守恒的量子物理学家打赌。与之前几乎所有霍金理论一样，黑洞信息守恒同样不是霍金自己首先提出的，但又是他第一个给出数学证明的，数学太好没办法……当他拿着自己的证明宣布打赌输了的时候，那位赢了的量子物理学家一脸懵逼地说：我没听懂他的证明，不知道为什么赢了……

当然，前面也说过，索恩并不认同他的证明，所以黑洞信息守恒其实目前还存在争议。曾经听国内的相对论权威北师大的赵峥教授说过，他发现霍金关于黑洞信息守恒的证明是有问题的，在其中一个过程里，他在数学上假设了时间可逆（也就是相当于可以回到过去）。

不过显然霍金和大部分物理学家都认为证明是对的，他们构建了一些理论用于解释落入黑洞的物质信息去了哪里，比如火墙理论、软毛理论等。

黑洞信息悖论和解决方案

七、无边界宇宙

这可能时霍金唯一可以声明原创的理论贡献了。无边界宇宙可能是霍金的《时间简史》里最难懂的部分，说实在这个理论我没有把握把它讲明白，幸好现在字数够了，我可以省略一些……

我们知道无论宇宙中时间和空间有着截然不同的性质，虽然它们共同构成了时空这个整体。在狭义相对论统一时空后，基于光速不变，时间可以换算成空间，即ct（光速乘以时间得到距离），但这在描述空间位置时必须取负号，即s?=x?+y?+z?-(ct)?，爱因斯坦的大学老师闵可夫斯基就通过加入在时空变换的项中加入一个虚数使负号变成正号，即s?=x?+y?+z?+(ict)?，从而构建了一个四维空间——闵可夫斯基空间。

也许霍金从中得到启发，在他的奇性定理里，证明了大爆炸之初存在一个奇点——时间的起点，但这意味着宇宙存在一个创生的时刻，作为无神论者的霍金很不喜欢这个结论。因此他同样在时间轴上加上一个虚数项，使时间轴变成虚数轴，与原来的实时间垂直，这样虚时间就具有与空间一样的性质，成为空间的第四个方向。一个与空间性质相同的时间轴意味着它能像空间一样闭合（当时还没发现宇宙加速膨胀，一般认为宇宙是闭合的超球面），这样它就不再有起点和终点。

霍金以一个球面作为类比，当你沿北极走到南极，并不会停下来，在你看来南极与其它地方并无二致。

这样霍金构筑了一个在时间上也没有边界的宇宙，这个宇宙同时推翻了他的第一个重要理论——奇性定理。使一切物理规律失效的奇点——时间起点并不存在，在虚时间里宇宙坍缩回去也仅类似于你从北极走到了南极，没有任何事物阻止你继续往前走……

勇于挑战自我的天才

看到这里，相信你不会怀疑霍金是个天才，几乎他的每一个重要理论都有人走在他的前面，但最终都是由他首先完成了。更让人肃然起敬的一点是，霍金从来不怕否定自己的理论，有时我会觉得他就是在一个劲推翻自己之前的理论……

比如霍金辐射“推翻了”面积不减定理，黑洞信息守恒“推翻了”黑洞无毛定理，无边界宇宙“推翻了”奇性定理……

我只想说，霍金你是在逗我呢？还是在逗我呢？……

永不止步的天才

2霍金提出的有关黑洞的理论具体的是什么?

斯蒂芬·威廉·霍金 - 黑洞蒸发

1970年中以前,科学家一直相信黑洞只会吸进物质,四周“漆黑”一片,当吸引更多物质时,黑洞的质量亦随之上升,霍金另一创见是指出,黑洞不是真的很黑（BlackHoleain'tsoblack）,而且黑洞内存在温度.有温度的物质自然会释放辐射,由于辐射是一种能量,黑洞最终因耗尽能量而消失,即所谓“黑洞蒸发论”.

霍金这次发现,拜量子力学所赐.过去科学家以为黑洞内的“真空状态”,代表内里没有任何物质,但霍金约1974～1976年指出,如果量子力学正确,人类从极度微观中观看宇宙的“真空”时,会发现一对对的光子不断产生,但能量在真空中无法保持固定值,令这些成相成对的光子不断摇晃,最终消灭.他相信,当黑洞质量越少,释放光子的速度越快,加速黑洞的消失.

这种从黑洞中释出的能量,被称为霍金辐射,但由于这种辐射极其微弱,科学界至今虽然公认它在理论上可行,仍未能从观察中发现它的存在.这亦说明,即使霍金辐射是真实存在,但其能量过弱,意味黑洞要经过极长时间后,才能耗尽能量,造成蒸发.

详细的你可参考下面的链接,

3为什么霍金曾说黑洞不存在？

“身处周遭如一口深井，我不知道黑洞的井底通向哪里，只知道前方的征途是星辰和太阳。”——村上春树

今天我们就聊一下关于黑洞的一些常见的问题，从浅至深，希望一文可以让你读懂和理解黑洞。

什么是黑洞？

我们关于黑洞定义一开始其实很简单，主要说的就是一个任何物质、甚至是光都无法逃脱的空间区域，这个空间区域就是黑洞，而这个区域的边缘称之为“事件视界”，任何物质或者信息落入视界面就会掉入黑洞的中心，永远都无法逃脱，也就是说这个视界面里面和外面的信息是完全断开的，我们不可能知道里面发生了什么，里面的东西也永远出不来。

但是霍金又根据真空中的量子涨落提出了黑洞辐射的理论，认为黑洞在缓慢的向外释放能量，并损失质量，那么等一个黑洞完全消失了，那么之前落入黑洞的所有物质的信息就会全部丢失，这就是黑洞信息丢失悖论，与量子力学所认为的信息守恒不符。

霍金随即就提出（这是他猜的，并没有被证实），黑洞和外界的信息只是短暂断开的，称为“表观视界”，这个“表观视界”在未来会消失，之前困在黑洞里的信息并不会丢失，还会重新回到宇宙中，但这个暂时性地隔绝可能不宇宙的年龄还要长，也就是说完全断开和暂时断开的差别是无法被观察到的。我个人觉得霍金在胡扯！

黑洞有多大？

我们可以将黑洞想象成一个球体，它的直径与黑洞的质量成正比，也就是一开始形成黑洞的质量或者后来落入黑洞的质量越多，黑洞体积就越大。但是与同质量的天体相比，黑洞还是很小的。这是因为黑洞已经在巨大的引力下把自己的质量已经压缩到了一个非常小的体积，例如：一个质量与地球相当的黑洞，其半径只有几毫米，而地球的半径大约是同质量黑洞的10亿倍。

黑洞的半径被称为史瓦西半径，以卡尔·史瓦西的名字命名。因为卡尔·史瓦西首先提出了黑洞作为爱因斯坦广义相对论的解。但是不要忘了宇宙中存在上百亿倍太阳质量的黑洞，这些黑洞的体积依然很大。

落入视界面发生什么？

靠近一颗黑洞，我们就看到背景星光被严重的扭曲，但是如果这颗黑洞所在的背景区域没有任何星光，那么我们在靠近黑洞、甚至是穿越视界面的时候不会看到周围环境的任何变化，你甚至不知道你在下落，在做加速运动或者是受到了引力的影响。这是因为爱因斯坦等效原理的一个推论。

我们无法区分平坦空间中的加速度和导致空间曲率的引力场之间的区别，由于黑洞背景也没有星光，都是黑乎乎的一片，我们甚至找不到一个参考系能告诉我们在加速下落。

然而，一个远离黑洞的观察者如果看到有人掉入黑洞，就会注意到这个人离视界面越近，移动的速度就越慢。因为靠近黑洞视界面的时间比远离黑洞视界的时间要慢得多。但是对于掉入黑洞的人会在很短的时间内穿过视界面。

还有一点就是，落入黑洞的人在视界面上的体验取决于引力场潮汐力的大小。视界面上的潮汐力与黑洞质量的平方成反比。也就是黑洞的质量越大，潮汐力就越小。如果黑洞的质量足够大，并不会对我们产生任何影响，我们可以安全的穿过视界面，如果潮汐力足够大，头和脚就会感受到巨大的引力差，我们身体就会被拉伸，物理学上的专业术语是“意大利面化”。

黑洞里面是什么？

没有人知道这个问题，但可以几乎肯定的是黑洞里面的东西绝不是我们见过的任何物质形态。广义相对论语言，在黑洞内部有一个奇点，一个引力变得无穷大的点，一旦任何物体穿越视界面都会迅速的撞上奇点，但是广义相对论并不能告诉我们奇点是什么，而且广义相对论也在奇点出崩溃，也就是说并不适用与理解这样的问题。

我们需要的是一个量子引力理论，一般认为，这个理论会用别的东西来代替奇点。

黑洞是如何形成的?

我们知道黑洞可能会以四种不同的方式形成。最容易理解的是恒星坍缩型黑洞。一个质量足够大的恒星在核聚变停止后就会坍缩形成一个黑洞，因为当聚变产生的辐射压力停止时，物质就会开始向自身的引力中心下落，密度越来越大，最终没有任何东西可以克服恒星表面的引力，这样一个黑洞就被创造出来了。这些黑洞被称为“恒星质量黑洞”，是最常见的黑洞。

下一个常见的黑洞类型是“超大质量黑洞”，它通常位于星系的中心，其质量大约是太阳质量黑洞的数十亿倍到数百亿倍。准确的说，这些超大质量黑洞的形成目前还不完全清楚。但我们一般认为它们最初是一个质量不叫小的恒星质量黑洞，在恒星和黑洞比较稠密的星系中心，通过互相合并以及吞噬了其他恒星不断成长成超大质量黑洞的。

更有争议的观点是原始黑洞，它们很可能是在早期宇宙中大密度波动下形成的。虽然这有可能，但目前很难找到一个既可以产生原始黑洞，又不会形成太多原始黑洞的模型。

最后是一个非常具有推测性的黑洞，那就是在大型强子对撞机中可以产生类似于希格斯玻色子质量的微小黑洞。这种情况只有在我们的宇宙存在额外维度时才有效。但目前我们并没有发现额外的维度。

我们如何知道黑洞的存在？

关于黑洞从理论到现实，我们有很多的观测证据，起初我们是通过引力作用发现黑洞的。例如在银河系中心，我们就发现了大量恒星在绕一个不发光的点高速运转，根据引力定理就可以知道这个中心点质量得有几百万倍的太阳质量。

像宇宙中一些星系中心更大质量的黑洞，由于其异常活跃，还会产生一些可观测的光学效应，例如：黑洞吸积物质后会在吸积盘辐射出X射线，还会再中心形成明显的射电源。我们正是利用黑洞的这些性质获得了有史以来第一张黑洞照片。

为什么霍金曾经说黑洞不存在？

这句话有点断章取义了，其实霍金想表达的意思不在这，黑洞是真实存在的。他想说的是，他认为黑洞没有一个永恒的事件视界，而是有一个短暂的表观视界，为了解决黑洞信息丢失的问题。不过这就是他猜的。

黑洞是如何发出辐射，损失质量的？

黑洞是通过量子效应发出辐射的。需要注意的是，这是物质的量子效应，而不是引力的量子效应。量子力学认为真空不空，在极短时间内存在正反虚粒子对的产生和湮灭，并将能量归还给宇宙，但如果这种量子效应发生在黑洞视界面的边缘，那么其中一个虚粒子就会落入黑洞，而另外一个虚粒子就会从黑洞中窃取能量变为实粒子发生逃逸，并于附近的反实粒子发生湮灭释放能量。

黑洞发出的辐射最初是由斯蒂芬·霍金提出的，被称为“霍金辐射”。这种辐射的温度与黑洞的质量成反比，黑洞越小，辐射温度越高。对于我们目前所知的恒星和超大质量黑洞，其辐射温度远低于宇宙微波背景辐射的温度，因此无法根本就无法探测到这样的效应。毫不夸张的说，我们人类未来都可能无法验证霍金的这个说法。

什么是信息丢失悖论？

信息丢失悖论是由霍金辐射引起的。这种辐射是一个纯热的过程，这意味着除了有一个特定的温度外，辐射是完全随机的。而且这些辐射不包含任何关于黑洞形成，以及之前落入黑洞物体的任何信息，但是当黑洞发出辐射时，它会失去质量并且逐渐收缩。最终，黑洞将完全转化为随机辐射。也就是关于黑洞之前如何形成，以及落入黑洞的物体的信息就会丢失，但量子力学不允许这样的情况出现。

因此，黑洞的蒸发与我们所知道的量子理论是不一致的，必须有所让步。必须以某种方式消除这种不一致性。大多数物理学家认为，解决的办法是霍金辐射必须以某种方式包含这些信息，或者这些信息可以以其他的方式逃离黑洞。

如何解决黑洞信息丢失问题？

这完全属于物理学的前沿问题，而且也是无法用科学去证伪的问题，人们曾提出过很多假设，例如：黑洞可能会有另外一个维度的白洞相连，从黑洞进入的物质信息会从白洞被吐出来；还有黑洞其实是一个虫洞的入口，连接着另外一个时空，物质信息也可以出来。这些完全超出了我们人类可验证和观测的范围和能力。目前看来，这些猜测都毫无意义。

而且霍金为了补自己这个坑，他提出黑洞其实有一种储存信息的方式，这种方式以前一直被人们忽视了。其实物质信息就储存在黑洞视界上，并能引起霍金辐射中粒子的微小移动。在这些微小的变化中，可能存在着关于正在消失的物质的信息。很玄乎，还是无法被证实。

以上就是关于黑洞的一些问题，目前我们可以确信黑洞的存在，我们能在宇宙中找到它们，也知道它们是如何形成的，最终又是如何消失的。但是，进入黑洞的信息的具体去向仍有待我们研究！

4黑洞最早是谁提出的？它究竟是什么？又通向哪里呢？

黑洞最早是上世纪著名物理学家爱因斯坦，史瓦西等人联合提出的。所谓的“黑洞”，就是时空曲率无限膨胀的一个点；黑洞通往的神秘地带，很有可能就是我们梦寐以求的高维宇宙。

我们都知道，可观测宇宙内，迄今为止人类科学家发现的最恐怖的天体，毋庸置疑，非黑洞莫属。据说，黑洞拥有着无可估量的破坏力，任何掉入它史瓦西半径内的物质，都无法摆脱它无处不在的束缚。

那么，黑洞最早是谁提出的呢？这位科学家的鼎鼎大名，相信在座的各位也是无人不知，无人不晓。没错，它就是两大相对论的缔造者，人类历史上最伟大的物理学家之一：爱因斯坦。他在广义相对论公式内，发现了“大质量恒星坍缩会诞生心天体”；

随后，他和天文学家史瓦西展开研究，历经了半年左右的时间，他们才提出了“黑洞理论”。黑洞的本体，是一个内部质量，温度无限高，包含着无限拓展的时空的史瓦西奇点；

因此，黑洞才拥有着其他天体望尘莫及的恐怖引力。爱因斯坦和史瓦西，他们将黑洞解释为宇宙当中的“清道夫”；毕竟，黑洞的引力和吞噬能力是如此的庞大，就连光子也摆脱不了他的掌控；

后来，本世纪著名物理学家史蒂芬霍金，对黑洞提出了新的假设。他认为，黑洞很有可能是我们打开下一个科技时代的大门。没错，黑洞的吸积盘附近，应该会因为膨胀的时空而产生一个虫洞；

虫洞，就是人类前往其他维度的隧道。当我们找到了黑洞的秘密，发现了虫洞，并且进入之后；很有可能，就会目睹到一个从未未见的新宇宙。到时候，人类就能迎来下一次的科技飞跃！

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