天體與原子,會不會是一環套一環?
有沒有人想過一件事,我們的宏觀天體比如太陽,地球,月亮的運行和微觀的原子,電子等運行相似。會不會有這種可能,這個世界是一環套著一環,天體再一個層次上只是類似一個原子或者電子,有一個比他龐大的多的世界,我們的星球只是一個微不足道的電子。或者現實中的電子再分解,其實可以分解出一個龐大的世界。
---補充一下,沒想到這麼多人關注。我的本意並不是認為有這樣的聯想非常高明。這是我高一時候的奇思妙想,當時沒有知乎沒人可以深入討論下,現在這麼多人展開這個話題,我很高興,只是為了滿足單純的好奇感。如今已經工作好多年感覺思維已經僵化,再也沒有新的想法,生活只是按部就班而已,小小的感慨一下。
順便推廣我的另外一個小小的猜測,我認為未來的世界人工智慧不斷進步,人類要麼把自己全身組織武裝成智能機器,然後意識轉化為一個可以存儲的「主機」,然後可以不斷拓展自己的能力,就像載入一個軟體或者直接存儲知識。要麼就只能被自我意識崛起的機器生命打敗。然而能靠機器武裝自己的人類也會因為某些最強大的同類想要統治整個人類社會,會用自己強大的能力將其他人類格式化,變成自己的奴隸,相當於真正的機器人。所以我對未來碳基人類的命運是悲觀的,猜想獨立個體要麼沒有,要麼是非常少數。不過擺脫了肉體束縛的「機器生命」由於可以通過更換自己零部件達到幾乎永生,能力也能不斷學習和繼承,也許會突破星際旅行,將自己文明播種到廣袤的宇宙。
這種一沙一世界的民科思維我都闢謠過無數次了,真是忍不了,好吧我就再說一次:
分形宇宙論和均勻宇宙論的爭論持續過很長一段時間,討論的是大尺度上宇宙的結構,到底是一層套一層的,還是均勻與各向同性的。
目前的研究結果是:一定尺度內,是分形的;超過一定尺度就不是如此了。
宇宙在星系團尺度以下,至星球的尺度是分形的,也就是一環套一環——
超星系團里,星系又聚集形成星系團、
星系團中心凝聚成規模巨大的橢圓星系,
星系團外圍存在大量的漩渦星系,
矮小的星系環繞著大星系、
大星系環繞著星系中心的黑洞、
星系內部聚集著恆星星雲、
恆星聚集在一起形成星協星團或雙星、
行星環繞恆星運轉,
衛星環繞行星運轉
——因為這個尺度內引力的作用比空間膨脹大得多,物質被束縛在一起,環繞成為必然的維持穩定的方式,天體形狀大多為球狀、盤狀或介於二者之間(橢球)。目前尚未發現環繞衛星的天然天體。
在大一點尺度上,宇宙會略微出現各向異性的狀態——超星系團內聚集著大量星系、它們之間橫七豎八地連接著無數由氣體和少許星系組成的宇宙纖維,纖維之間是黑暗空無一物的巨大空洞,這是氣體依附在暗物質上落入密度較大區域的產物。
但如果尺度更大一些,你會發現這些纖維和超星系團都是均勻分布的,如同一張網,再往上可觀測宇宙就沒有任何更大的結構了,一模一樣都是平均每立方米都是5個氫原子的質量(注意實際密度更低)。此時暗能量主導,主要的表現就是膨脹。
至於可觀測宇宙之外?那鬼知道!不過暴脹理論認為大尺度上全宇宙應該都是均勻的。宇宙很可能是個時空平坦的空間,可以無窮延伸,於是:
最後的最後,由於宇宙膨脹,光速有限,時間也有限,所以兩點之間因果聯繫的時間隨著尺度增加越來越長,足夠遠的(目前為半徑460億光年)兩點光都被紅移成了直線,該尺度以上的宇宙是毫無因果聯繫和相互作用的。
在人類的尺度附近(比小行星小),電磁力取代引力稱為主導。有個有趣的事情是:一個物體等比例放大後,其強度會減小。這就是為什麼模型樓房摔都摔不壞,現實中的樓房地震風吹就塌,太空天梯這麼大的東西連自重都承受不了的道理。
當然你也可以往小尺度去看,首先你就能看到熱本身——粒子的無序運動。由於人類尺度的物體主要是靠電磁力互相作用,所以分子的表現還和宏觀物體相類似,人體也是一台依靠化學的宏觀機器。但是肉眼看起來,不同尺度的物體的運動會略有區別(蟻人跑起來會跟正常大小的人一樣嗎? | 科學人 | 果殼網 科技有意思),想不通的話就想像一下地球的公轉速度非常快,但相對於地球軌道的尺度,地球顯得彷彿是靜止的。
再小,到了原子尺度,電中性的世界拜拜。量子力學、測不準原理和波粒二象性中的「波動性(波函數)」不能被忽略了。電子不能按照行星軌道的方式環繞原子核,否則會掉下去,它只能以電子云的方式隨機出現或躍遷,能級也是固定的(PS:還有更神奇的陸沉同:如何給沒有高中數學基礎的人解釋「薛定諤的貓」?)。更小到了原子核里,主要的作用力變成強弱相互作用,此時的物理性質和人類尺度的物體已經完全不同了。人類的感官也難以感知這種比可見光波長還小的東西。夸克與電子很可能不可分,夸克還存在色禁閉。最小的普朗克長度則是世界的最小像素。一個由像素和少數幾種同質的基本粒子構成的世界顯然不可能無窮分形下去。
從大尺度纖維到原子的尺度,空間里絕大多數的部分都是空的。不過我們認為一種叫暗能量的東西可能充滿了這些空間。
科學是科學,請不要把哲學思辨帶入到科學中。幻想《霍頓與無名氏》是任何人都能想出來的,這並沒有什麼了不起,那些兢兢業業做出實際成果,告訴我們宇宙到底是什麼樣的科學家才值得尊重。
看了問題評論發現題主問問題的目的比較單純,令我羞愧不已,因此我決定系統地回答一下這個問題。後面幾次更新都刪掉了,重新寫。請注意:雖然題主的問題非常簡單,但是要回答並不是那麼容易的事,請大家放平心態,不要妄自尊大。
—————————————————興趣使然的答案—————————————————
題主已經到盧瑟福了,大家等等題主,讓他在20世紀初多待一會。
———————————————————認真答案——————————————————
- 原子內部的結構。探究微觀粒子結構的時候很自然的做法是用已知高能粒子轟擊未知粒子,然後觀察是否產生了新的粒子。觀測手段也是間接的,以我淺薄的物理知識是通過電磁場中的運動間接計算粒子的慣性質量來比較的(多嘴一句,不同於你知道的千克和克,單位是電子伏特,用相對論公式可以換算靜質量)。盧瑟福用α粒子轟擊金屬片,通過α粒子的大角度散射發現原子內部空蕩蕩的,有個點狀原子核。然後又轟擊氮氣轟出了質子。斯坦福實驗室用電子轟擊質子同樣出現了大角度散射,在此之前大家都猜想質子應該沒有內部結構了,這種事是非常反直覺的,只能認為質子內部存在點狀結構。原子空蕩蕩的,質量集中在原子核上,原子核又空蕩蕩的,質量集中在夸克上。通過這一系列的結果,我們不得不承認,原子與原子核都沒有殼結構,我們看到的緻密物體是光與我們開的玩笑,而我們摸到的緻密物體是相互作用力與我們開的玩笑。
- 宇宙的外部空間。宇宙中距離遠的星系之間的距離一直在增大,而我們尚未觀察到任意一種實體是可以無限膨脹的,因此用任何我們熟悉的實體來為宇宙套殼都不合適。更何況,原子與質子壓根就沒有殼結構。宇宙級別的尺度要考慮很多東西,不是拍拍腦袋就能構建一個結構出來的。我們看到的宇宙大爆炸理論一部分被微波背景輻射完美的黑體譜和紅移給規定死了,不是民科「全宇宙相對地球都在退行,那麼地球豈不是成了宇宙中心」的這種睿智推論。
- 不可證偽論。譴責一下各種媒體,將奧卡姆剃刀和不可證偽論推給人們,然而很可惜的是,不可證偽不代表不科學,同樣可證偽也不代表科學。科學包含了很多東西,不是一個單純的概念,而是命題、研究方法和評判標準的集合。由於證偽理論推崇演繹,排斥歸納,所以證偽理論中證據和結論是對應的,對於概率這種實用性更高的表現形式直接逃避不看。當新理論發展時,研究方法和評判標準不斷地革新,人們尚未知曉某些命題是否可證,又是否對這個學科有意義,但這是黑暗中的曙光。說到底科學的大廈不是一日建成的,以摩天大樓的標準來要求一塊地基又有什麼意義呢?
- 回應題主的的小猜測。題主的猜測只涉及到了人類的外觀,完全沒涉及到人類的核心。意識是什麼目前沒有定論,也不知道是否可以通過量化的方式來實現。不說別的,硬碟存儲恐怕沒題主想像的那麼美好,因為遺忘實際是一個主動進行的過程,不然對信息的整合就會受限於記憶的讀取速度,答主有沒有經歷過一件事怎麼想也想不起來,然後想了好一會才想起來的場景?如果我告訴你你可以回憶上周五的一件事,但是代價是你必須要從上周一開始回想,想他個10分鐘才能獲得呢?人類內置了提取信息重要性的演算法,並且還可以通過後天不斷地精進,換成死板的軟體後可就得花錢咯,有錢才能換更好的演算法,沒錢就只能用乞丐版。最重要的是,人體是一整個系統,擁有無限進化的可能性,沒人知道什麼樣的身體才是最好的,也是不可預料的。題主看了科幻之後產生這樣的想法是很自然的,可是科幻沒有告訴你的是他們隱瞞的部分是完全不可能實現的部分。人工智慧四個字的重點不是人和智能,而是人工。
- 哥德爾不完備定理和P=NP問題就是在警告我們這群魚唇的人類,別以為我們啥都能幹,這是活在夢裡。
其實這裡大多數回答並不是冷嘲熱諷,而是他們早已經過了這個思考的階段,現在回來再看自己曾經的這個想法覺得很幼稚了,如果他們嘲諷題主那其實也是嘲諷過去的自己,所以題主並不用太過在意。
有這種想法是很好的,但是不要沾沾自喜,因為有稍強類比思維的人在學習到這幾種結構之後都會產生類似的推理,這大概可以算是樸素唯物主義和辯證法的一個例子。但是這種理論呢,就像陰陽學說一樣,看似解釋了宇宙萬物的真理但又像什麼都沒說一樣。科學講究的是真憑實據,嚴密論證,是一步一個腳印走出來的。過於空曠而遙遠的遐想對科學並沒有什麼指導意義,但作為科幻還是可以的。
先說結論:可以這樣認為。但是,用原子、分子、核子等微觀體系與天體、星系等宇觀體系進行類比,顯得很不妥當。畢竟它們需要利用兩套不同的力學定律加以描述。
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眾所周知,力學是描述物質運動的普適定律的基礎學科。從某種意義上,可以說力學也是所有其他物理學分支的共同基礎。
物理學在努力推廣力學的適用範圍,努力加深人類對物理學基礎定律的理解。譬如:微觀的量子力學、高速的狹義相對論、強引力的廣義相對論。
下面的坐標系就向我們說明了各種現有力學理論的適用範圍。
由上圖可知:
對於天體、星系等宇觀體系:如果接近光速,需要考慮狹義相對論;涉及強引力則需考慮廣義相對論。對於星系之間的相對運動,甚至需要考慮宇宙膨脹等宇宙學效應。其他情況,經典力學給出的結論與觀測事實基本吻合。
對於原子、分子:通常情況,必需利用量子力學。經典物理所預言的結果與實驗事實相差太大。唯一的例外可能就是電子、質子等微觀帶電粒子在電、磁場中受力,做宏觀尺度上的加速運動。
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補充:為什麼經典物理不適用於原子體系?量子物理對原子的描述同經典物理有何區別?
我們先從經典電動力學的角度,對原子輻射電磁波加以分析。
只考慮一個原子序數為的原子,以原子核為參考系,對其中的一個電子,進行受力分析:電子受到原子核的靜電引力與其他電子的靜電斥力與磁力。利用牛頓第二定律,可以列出如下的方程:
。
將庫侖定律、洛倫茲力公式代入,得到:
我們知道,原子中電子圍繞原子核運動,加速運動的電荷會輻射電磁波,進而原子體系釋放能量,電子的軌道半徑就會逐漸減小,從而向心加速度增加,最後坍縮到原子核上,成為中子團。
另外,宏觀世界主要是由大量多電子原子與多電子離子構成的,電子之間的斥力會使其有更大的幾率發生碰撞,使原子解體!
顯然,這與真實世界不符!這恰恰說明了經典電動力學只適用於帶電物質的波動性與電磁場的粒子性均可忽略的體系,而不適用於原子。
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事實上,原子躍遷是一種量子物理現象,不能用經典物理學來審視。這是因為量子物理中,物質並沒有確定的運動軌跡,只有在某一位置所出現的概率,一般用波函數來描述。波函數的模的平方被定義為概率密度:
其中,波函數可以通過薛定諤方程
進行求解。該方程在量子力學的地位,相當於牛頓第二定律在經典力學的地位。
真實的原子並不像太陽系那樣,電子受到原子核的庫侖力,從而繞核做圓周運動。用經典物理學對原子進行求解並沒有什麼意義。
量子物理中,原子躍遷即為原子處於高能級時,受到各種擾動,從而放出能量,通常以光子的形式放出。躍遷的過程,只是原子內部電子在某一位置所出現的概率的改變。將距離原子核不同位置電子的概率密度,通過作圖的方法來形象描述,稱為電子云。
由於原子的能量是量子化(離散)的,因此高能級原子輻射出的光子能量只能是任意兩能級的能量差。並且原子光譜也是分立的線狀譜。
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那麼,高能級原子進行躍遷,並且以電磁波的形式自發輻射的動力又是什麼呢?
這就涉及到量子物理學的基本框架了。我們知道,在經典物理學中,真空被認為是「沒有任何物質的空間」。但是,量子物理學中,真空態是發現任何粒子或任何模式的場量子的幾率為 0 的狀態。同時,它也是物理上能量最低的狀態。儘管粒子數在真空態中為 0,然而粒子的一些其它性質將仍然存在,並具有某種量子不確定性。根據海森堡不確定性原理
,真空可以在極短的時間內,突然產生一些虛粒子。譬如,根據質量守恆與電荷守恆定律,可以是電子與正電子,也可以是兩個光子。隨後,一些反粒子與其湮滅。就在產生到湮滅的時間內,我們可以觀測到真空中所蘊含的基態能量,這就是所謂「零點能」。
將電磁場量子化之後,可以計算出:
任意光子數態下,對單模電磁場,電場強度的平均值
。
但電場強度平方(即波動光學中,光強的定義)的平均值
,一般不為 0。
其中,歸一化算符具有電場量綱,並相當於「每個光子」的電場強度的大小。上標表示駐波。
電磁場的量子漲落,可以利用方差
來描述。
由上述討論可知,當電磁場處於真空態時,儘管電矢量的平均測量值為 0,但電矢量平方的平均值一般也不為 0,對應的漲落稱為真空漲落。注意這裡的「平均值」是指量子力學中大量統計平均,而不是時間平均值。
正是由於量子電磁場真空漲落對原子的擾動,導致了高能級的原子可以向低能級躍遷,並輻射光子。
不知道題主的年齡和學歷。如果是沒什麼接觸過原子模型,就看過一些簡單的介紹的話,的確很容易有這種聯想。
你的想法就是1911年盧瑟福提出行星模型:原子的大部分體積是空的,電子按照一定軌道圍繞著一個帶正電荷的很小的原子核運轉。為什麼盧瑟福要提出這個模型呢?因為他完成的阿爾法粒子轟擊金箔實驗(散射實驗),否認了葡萄乾麵包式模型的正確性。這個實驗要求:①原子的大部分體積是空的 ②在原子的中心有一個很小的原子核 ③原子的全部正電荷在原子核內,且幾乎全部質量均集中在原子核內部。帶負電的電子在核空間進行繞核運動。
但是電子的圓周運動理論上要釋放電磁波,最後就會掉下去。這和觀察事實不符。為了解決這個問題,又出了波爾的量子化軌道。
可見,物理理論是一個不停否定,不停適應新的觀察事實的東西。物理理論並不追求美麗,他只是在客觀的描述我們觀察到的事實。這也是物理和民科以及哲學的區別。
古典原子論,是由德謨克利特提出的。他認為原子的聚合實現萬物,對應的是空虛,給原子的運動提供空間。原子是不可分的,不可分別的。
現代原子論的起源是化學變化中的最小微粒,波伊爾,拉瓦錫,道爾頓都還在化學層面。湯姆生的陰極射線說明了原子有亞原子結構,也就是葡萄乾蛋糕模型。
稍微了解一下科技史,這裡面和中國古人的思想有半毛錢關係嗎??
我來個終極嘲諷,星系往往會是扁平的,而電子云的活動空間更多的是球,或球空間內的一部分。所以連形狀都不一樣
小學時候真這麼覺得,理解電子云之後就沒這麼想過了
其實這個問題最專業的回答就是高贊了,本人的專業不是高能物理,僅僅是興趣了解而已。
匿名評論其實是在嘲諷自己,因為本人曾經也有過這種民科猜測。而且還更多,例如靈魂是種物質,意志力是一種弱核力,四維空間的生物就是我們所說的鬼,宇宙是一個騙局等。
當初想要憑這種奇特的設定寫小說的,結果後來看的電影和書多了,發現這些設想前人都有過了。才有這麼一答。
評論有說匿名必有妖孽的,我取消就是,這不是多麼大不了的事。
接下來回答這個問題。
如果根據題主的描述的話,那隻能說題主還沒學大學裡的《無機化學》。
題主對於原子的結構是高中的「太陽系模型」,由盧瑟福在《物質對α和β粒子的散射及原理結構》中闡述的。
盧瑟福的確開拓了研究原子結構的新途徑,的確立下了赫赫戰功。盧瑟福的學生中有十幾位諾獎獲得者,的確稱得上偉大了。
然而這種結構從一開始就不被物理學屆待見,因為這種結構存在的致命弱點是正負電荷之間的電場力無法滿足穩定性的要求,即無法解釋電子是如何穩定地待在核外。
所以題主做出猜測的依據根本就是錯的,那引申出來的猜測能對?
當然,我們可以把題主的問題擴展一下,其實題主想問的是「宇宙之外是什麼?」「我們的宇宙是不是上層宇宙的一粒原子?」
與題主最相近的理論是黑洞產卵理論(Black Hole Spawning.)
這理論是由物理學家Lee Smolin提出,也叫做多產宇宙論(fecund universes theory),他推論每個宇宙里的黑洞都會製造新的宇宙。每個宇宙的物理定律都會與前一個有點不一樣。
因為這樣Smolin提議宇宙有一種自然淘汰的定律,製造黑洞的定律也會製造新的宇宙,而不是由黑洞產生的宇宙會死亡。這理論後來被許多科學家(包括Smolin自己)給反駁了。
目前最被接受的是弦理論的平行宇宙 Many Parallel Universes.
這講到其他空間里有會波動的薄膜狀物體。我無法完全的深入探討弦理論或M理論(membrane theory),但大致上它講到這些11度空間里的波動薄膜狀物體是完全不同的宇宙,當波紋相撞時會製造出新的宇宙。這些波紋的動態可以解釋我們宇宙里物質的分配。
這理論其中最怪的一點說我們宇宙里全部可以感受到的引力其實是由其他空間的宇宙而流進來(這可以解釋為什麼這裡的引力跟其他基本力比起來卻是很薄弱)。
即便如此,M理論依舊完美的回答的題主的問題,那就是:「不是」
————分割線,以下原回答————
「思而不學則殆。」
「你的問題在於想得太多而讀書太少。」
你想過的很多事,歷史上都有人想過。
但由於你讀書不多,對這些不了解,導致你以為這是你妙手偶得、開天闢地的想法。
你見識太少,以至於意識不到自己的無知;無知導致傲慢,你以後見識多了,讀書多了,也就知道自己當時是多麼幼稚了。
一沙一世界的思想可以追溯到2200多年前,而且有無數哲學和文學作品流傳。
題主未成年?如果存在這樣的俄羅斯套娃世界,那麼這幾個世界可能也是無法交流的。因為對於我們而言的微世界,它們存在的時間可能太短以至於無法觀測到。而對於我們而言的巨世界,因為信息所要傳達的時間太久,以至於在我們這個世界的存活時間段內,無法感受到巨世界的實質變化。
不是。
你對比下原子核:電子 大小
太陽:其他行星 大小
完。
不知道別人,不過我初中時就有過這樣的幻想,而且自以為找到了宇宙的真相。
我還通過宇宙膨脹理論推測出了宇宙是個橄欖球形,還估計過我們的時間也是個橄欖球行,當時我發現,越長大,時間過得越快,所以我預測,宇宙這個橄欖球還沒畫完一半,處於膨脹期,所以體感時間越來越快。等宇宙的時空都進入收縮期,時間就會越來越慢,最後趨於永恆,又變成一個點重新爆炸。
當時我已經意識到諾貝爾獎在向我招手了,我自信地寫下;要做中國第一個諾貝爾獎獲得者。
後來高中政治教科書告訴我,我這種「沒有調查研究,從片面臆測整體」的方法,就叫做形而上學。有可能,這麼多回答說明了電子之於原子核和行星之於恆星完全不同,那也只能說明每一環的模型不同。或者說這麼問題可以換成:我們星系宇宙是否有可能是某個更高尺度或維度的基本組成部分?在那種級別下,當前物理學本身就可能不再適用。
不過我們都曾這麼想過,最後覺得是不是不重要,而是整個問題根本沒有意義,即使是又如何?這本身是個不可證明的問題。
不過年少時亂想還是很好的,一堆冷嘲熱諷的是什麼意思呢?
看到有很多答主開啟了嘲諷模式。。。。我覺得這個問題本身討論一下其實還是蠻有趣的。
不知道為什麼,我的關注點在題主一上來那句「有沒有人想到過。。。。」 上不知題主今年幾歲?反正我剛滿九歲的兒子前陣子也有過這樣的想法。
1. 對於問題本身的提出,肯定是非常好的。說明你沒有答案才來詢問,能有這種想法的人自然是熱愛思考的,如果是中小學生問的,作為他的家長老師甚至應該嘉獎。
2. 本人對回答中的各種懟,說民科啥的,倒是頗有說詞,您也不是生來就懂量子力學的對不對?你比人家多懂一點又怎麼牛逼了?
3. 平台本身就是給人交流的,答案自然有對有錯,無需體現我是大學生對小學生的優越感吧。
4. 最近自己想的維度的數學問題,指數函數的求導不降維,無窮可導的不變性讓我著迷,我想可以抵抗大劉寫的降維攻擊了。一沙一世界本來就是一種文學表達!我們普通人大多是為了愛好和知識渴求混於知乎。真正的科學家肯定是沒空來知乎扯東扯西的!此處應有審稿人哲學三問:
1.這有什麼新意?2.這個研究價值在哪?
3.這能發展出什麼應用?
題主的想法是合理推斷,但是並不科學。因為題主的猜想無法證偽!無法證偽!無法證偽!說三遍,無法被證偽的結論和猜想就不是科學。注意,無法證偽並不是證明,好比上帝和地獄的存在,轉世等等,能夠被傳播和接受的宗教都具有無法證偽的特徵,否則漸漸就沒人信了。
不知道你們冷嘲熱諷什麼。劉慈欣還是王晉康就寫過這理論的小說。
但是我上小學就有想法了。
小說寫的每個恆星的閃爍就和人類神經元傳遞信號一樣,宇宙是個巨大的生物,如果類人,那麼他的頭顱比整個銀河系還大。但是由於宇宙一直在膨脹所以不可能讓信號傳遞產生思想。
誰知道呢,求不定現在還只是個受精卵??
我大一,高中物理學天體運動的時候也這樣想過。
不懂冷嘲熱諷是個什麼意思。高中輟學生一枚,5到6歲家裡借了別人家十萬個為什麼的光碟,特別喜歡看十萬個為什麼。小學三年級看我哥初二的物理書介紹到原子與夸克時就在想,每一個夸克再分下去裡面是不是就是一個宇宙呢?家裡窮地方也偏僻,小學看過的課外書除了同學的幾本腦筋急轉彎,幾本十萬個為什麼,還有一些哥哥姐姐初中的教材,還有求我姐才給買的魯冰遜漂流記小學基本就沒有其他課外讀物了。對了小學時看的好幾遍血吸蟲預防書至今好多地方都背的出。今年都22了。
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