如果真的掉進黑洞,過程和看到的景象是《星際穿越》中所演的這樣嗎?

或者說掉進黑洞是怎麼樣的一種體驗?
請結合科學理論描述一下~~~
感謝@趙鴻斌 的假設 :假如人是剛體的,不會被黑洞撕成粒子流。


相對論的視覺效應是一項非常有趣、卻在科研中常常被忽略的內容。 科研中出現的圖畫大都是效果圖,正式叫法是「藝術家眼中的印象圖」,是為了表現體系的某個或某些特色而作。除非另有聲明,所引的圖都是效果圖。 很多時候, 尤其在廣義相對論中, 印象圖甚至可能是所謂「上帝視角」,即從高維空間(通常是三維)觀察嵌入低維空間(通常是兩維)的時空彎曲。

先說狹義相對論,即高速運動物體的視覺效應
狹義相對論認為高速(v ~ c)運動的物體其尺度會沿運動方向收縮(尺縮效應),所以在伽莫夫著名的《物理世界奇遇記》裡面,高速動體的視覺效應被描述成扁扁的 (圖一)。

圖一:《物理世界奇遇記》中的動體的尺縮效應效果圖

直到1924年,奧地利物理學家安東蘭帕才意識到這不是動體的視覺效應,因為眼睛(和照相機)看到的像是由同時到達眼睛(和相機)的光形成的。直到1959年,這個現象被泰瑞和彭羅斯再次發現以後才引起人們關注。一般來說,由於相對論效應,高速運動的物體的像會產生畸變和轉動(圖二)。在最簡單的情況下,球形物體僅有轉動,這種效應稱為彭羅斯-泰瑞轉動。

圖二:低速(下)運動與高速運動(上)的骰子的畸變效應效果圖。 圖片來源:Space Time Travel

另外一種效應是多普勒頻移。也就是說,物體的顏色會產生變化(圖三)。

圖三:多普勒效應示意圖

現在,這些狹義相對論的視覺效應已經很常見,譬如下面這個相對論視覺引擎截圖:

圖三又二分之一:遊戲 Slower Speed of Light 的截圖(MIT GameLab)你可能會覺得,人們既然幾十年前終於弄懂了動體的視覺效應,在畫圖時應該會考慮到吧。完全不是。幾乎所有涉及到高速運動的圖中,人們都忽視了這些效應 —— 這不僅包括閃電俠、超人等漫畫和科研電影還包括了嚴肅的科研報告。比如相對論性重離子對撞的講座中,大家還是畫兩個「盤子」代表洛倫茲收縮以後的相對論性重離子 —— 即高速運動的原子核(圖四)。 在重離子領域,幾乎所有的示意圖都畫成圖四這樣 —— 氣人的是,你說他們不精細吧,重離子裡面的核子他們還給你畫成3D的,還上了色(顯然這個顏色不是為了展示多普勒效應)。

圖四:相對論性重離子碰撞過程的效果圖

廣義相對論和引力場中動體的視覺效應
引力場中動體的視覺效應其實比較複雜。首先,光在引力場中會產生偏折,這會帶來物體圖像的畸變、放大或縮小,該現象叫做引力透鏡效應(回憶透鏡成像的原理就是偏折光線)。引力透鏡效應一般是很複雜的,但可以通過光線追蹤法來加以計算。黑洞的引力透鏡效應尤其強。如果僅考慮黑洞的引力透鏡效應,且假設觀察者和成像的天體都在遠處(即黑洞附近沒有特別明亮的光源),效果大致如圖五所示,這也是常見的(史瓦茲謝爾德)黑洞的形象。

圖五(甲):遠處觀察者眼中黑洞對遠處星系的引力透鏡效應效果圖甲。

圖五(乙):黑洞引力透鏡效應效果圖乙。

圖五(丙):基於Thorne公式的黑洞引力透鏡效應效果圖。

這當然不是全部。另外,引力,尤其是強引力會對附近射入光產生藍移、射出的光產生紅移。因此周圍物體的顏色也會相應改變。這些還都不是困難的地方。麻煩的是黑洞附近有什麼。首先黑洞會有霍金輻射,而且會有落入黑洞的天體因釋放引力勢能被加熱到甚高溫,在天文觀測上表現為,黑洞是很好的X光射線源,這表明黑洞四周是非常明亮的,這引發了類似圖六的示意圖。

圖六:黑洞霍金輻射效果圖,未考慮黑洞的引力透鏡效應

並且像大多數大質量天體一樣,黑洞會大量捕獲附近的物質在它周圍產生較大的吸積盤和相對論性噴流,因而會引發了類似圖七的示意圖,而由於這些物質和霍金輻射的存在,黑洞附近必定進行著非常複雜、非常強大的電磁學過程,而彎曲時空的電動力學是很複雜的現象,這些都需要加以考慮。注意,圖六、圖七都沒有考慮前面所說的引力透鏡效應和引力頻移。

圖七:黑洞四周的吸積盤和噴流效果圖,未考慮黑洞的引力透鏡效應。

Interstellar的一大貢獻是它們考慮到了引力透鏡效應和引力頻移對吸積盤的成像的影響(圖八)。他們的說法是,引力透鏡效應使得背後的盤能夠被看到,而高能量的X射線使得所有頻率的光的亮度都很高,因此吸積盤顯得非常明亮 —— 這些都是非常合理的假設。 當然宇宙飛船必須能防護這些高能射線。另外,在遙遠的地方看,吸積盤的顏色可能有些顏色,而不一定非要是白色。

圖八:星際中的黑洞效果圖 frac{Jc}{GM^2} = 0.6 (該值越大表示黑洞自旋越快,其值應當小於1)。這是真正的藝術家們的印象圖。Credit: Oliver James et al 2015, Gravitational lensing by spinning black holes in astrophysics, and in the movie Interstellar, Class. Quantum Grav. 32 065001 doi:10.1088/0264-9381/32/6/065001。

不過,根據James等人的說法,這張圖片也不是真正的黑洞視覺效應圖。為了滿足電影效果,他們根據導演的要求,去掉了多普勒頻移、引力頻移等效應,並添加了光暈效果。更加真實的黑洞效果圖,可以參看James-Tunzelmann-Franklin-Thorne 文章的圖15c.

有吸積盤的黑洞很可能自己帶有較大的角動量,這種黑洞叫做克爾黑洞。原本在若黑洞附近物體軌道半徑大於黑洞視界時,可以繞黑洞打轉,但是在史瓦茲歇爾德黑洞附近半徑小於兩倍視界的軌道是不穩定的,轉圈的物體很快就會落入黑洞之中。 而克爾黑洞附近小於兩倍視界時則存在穩定軌道,因此圖九中吸積盤延伸到接近克爾黑洞視界的地方。 如果黑洞帶電荷,那就更複雜些,其電磁現象也會更重要些。黑洞還可能會產生引力波,這個會不會產生視覺效應,我就更不知道了。

圖九:沒自旋的黑洞與有自旋的黑洞的效果圖

還有一些其他的問題。涉及到黑洞的基本性質。這裡僅僅舉一個例子,就是黑洞信息佯謬。人們認為信息是守恆的,但黑洞視界以內既然無法探知,落入黑洞的物質攜帶的信息也就永遠失去了,更要命的是,加入兩個粒子處於糾纏態,一個粒子落入黑洞,糾纏態必然會消失否則我們可以以此來探測黑洞內部信息,但糾纏態憑空消失又是量子力學所無法理解的。為了解決這個矛盾,有人認為糾纏態會被破壞,但是代價是放出巨大的能量——大到可以打破廣義相對論或量子力學,因此結論是,黑洞視界周圍是一圈「火牆」(圖十),代表巨大的能量釋放過程。

圖十:黑洞信息悖論與火牆模型示意圖

這還僅僅是黑洞未解之謎的一個例子。事實上,黑洞,尤其是奇點附近的物理可能需要量子引力來理解,廣義相對論已經不再適用。因此我們對黑洞實際上非常的不了解。更不用談黑洞到底看起來是什麼樣。

上面所引用的圖大多數沒有完全考慮所有的引力效應,特別是引力透鏡和引力紅移。 而且這些圖都是遠處觀察者所看到的。 至於進入黑洞能看到什麼,所需要考慮的物理是相同的,只不過所選用的參考系不太一樣罷了。網上有一些視頻介紹這些,注意這些視頻也並非將這裡提到的所有效應都考慮全了。第一個和第三、四個來自科羅拉多大學天體物理學家安德哈密頓(顯然這個傢伙開發了一個黑洞飛行模擬器,但目前是閉源的,URL:Inside Black Holes),大致認為落入黑洞的人仍然一直能看到黑洞外的世界,只不過黑洞黑外被一個偽視界分開。第二個視頻來自VSause的分鐘物理,大致認為,落入黑洞的人看到的外面的視界會越來越小直到消失,眼前的黑洞洞越來越大直到什麼都看不見。 其中第四個視頻號稱是真實場景的模擬,不僅僅是藝術家眼中的印象

1. 進入史瓦茲歇爾德黑洞的旅行

視頻封面進入黑洞的旅行視頻

2. 煎蛋小學堂08:跳進一個黑洞會怎樣?

視頻封面煎蛋小學堂08:跳進一個黑洞會怎樣?視頻

3. Journey into and through a Reissner-Nordstrm black hole 進入雷斯勒-諾德斯特洛姆黑洞,該黑洞視界內有個蟲洞,將旅人送到宇宙的其他地方。

視頻封面Journey%20into%20and%20through%20a%20Reissner-Nordstr?m%20bla...視頻

4. 落入一個真實的黑洞。

視頻封面relativistic visualization of a disk and jet around a black hole視頻

5. PBS 2006: 星河中的怪獸

http://www.nytimes.com/2006/02/28/science/28prof.html?_r=0

6. Single Video Player

關於引潮力(tidal force)
引潮力(顯然是一個三維張量)與曲率張量有關,	au_{ij} = R_{i0j0} + R_{iljl}V^k V^j,這裡R_{mu
ulambda
ho}是黎曼張量,V是速度。黎曼張量大致正比於黑洞的密度。黑洞的半徑(視界),R_s sim frac{2GM}{c^2}正比於質量,而密度
ho_s sim frac{M}{R_s^3},因此黑洞的密度
ho_s sim M^{-2}反比與黑洞質量的兩次方。就是說,黑洞越大,其密度越小,其引潮力也會越小(除非在奇點附近,這些關係不再成立)。恆星級別的黑洞(質量為幾個到幾十個太陽質量)是相當緻密的,人在其附近很容易被撕成麵條——如果不被其他高能輻射殺滅的話。一般認為在星系的中心,存在著巨大質量的超級黑洞(質量在幾百萬到幾百億太陽質量),其密度是很小的,甚至可能遠小於氣體密度。其引潮力也是比較弱的。如果要跳黑洞,應該選擇這樣的黑洞跳。當然,即使這種黑洞,在靠近奇點的地方引潮力也會變得十分巨大,人會被拉成麵條。 不過假如黑洞不存在奇點,而是一個可以允許時空穿梭的蟲洞,那就爽了。。。不過這些還都是科幻,總起來說跳黑洞生還的可能性極低。

全息原理、額外維度、量子引力超對稱弦和 AdS/CFT

不了解。

THORNE
「The thing I most wanted was that the film have real science embedded in it—a range of science, from well-established truths to speculative science.」 —Kip Thorne
譯:「我最希望的事情是這個電影能夠嵌入真正的科學 —— 從牢固建立的事實到科學假說」

圖: Thorne 和 潔西卡姐姐(飾墨菲·庫珀)

Gravitational lensing by spinning black holes in astrophysics, and in the movie Interstellar

Throne組發了不少文章,題目都是關於彎曲空間的可視化,感興趣的同學可以讀讀。

Frame-Dragging Vortexes and Tidal Tendexes Attached to Colliding Black Holes: Visualizing the Curvature of Spacetime
Robert Owen, Jeandrew Brink, Yanbei Chen, Jeffrey D. Kaplan, Geoffrey Lovelace, Keith D. Matthews, David A. Nichols, Mark A. Scheel, Fan Zhang, Aaron Zimmerman, and Kip S. Thorne
Phys. Rev. Lett. 106, 151101 – Published 10 April 2011

Visualizing spacetime curvature via frame-drag vortexes and tidal tendexes: General theory and weak-gravity applications
David A. Nichols, Robert Owen, Fan Zhang, Aaron Zimmerman, Jeandrew Brink, Yanbei Chen, Jeffrey D. Kaplan, Geoffrey Lovelace, Keith D. Matthews, Mark A. Scheel, and Kip S. Thorne
Phys. Rev. D 84, 124014 – Published 5 December 2011

Visualizing spacetime curvature via frame-drag vortexes and tidal tendexes. II. Stationary black holes
Fan Zhang, Aaron Zimmerman, David A. Nichols, Yanbei Chen, Geoffrey Lovelace, Keith D. Matthews, Robert Owen, and Kip S. Thorne
Phys. Rev. D 86, 084049 – Published 25 October 2012

Visualizing spacetime curvature via frame-drag vortexes and tidal tendexes. III. Quasinormal pulsations of Schwarzschild and Kerr black holes
David A. Nichols, Aaron Zimmerman, Yanbei Chen, Geoffrey Lovelace, Keith D. Matthews, Robert Owen, Fan Zhang, and Kip S. Thorne
Phys. Rev. D 86, 104028 – Published 11 November 2012

Interstellar Almost Had 6 Wormholes and 5 Black Holes (WIRED 採訪THORNE 和 NOLAN)

總結,首先取決與模型和設定,因為我們對黑洞及黑洞附近的物理尚不完全清楚;在比較簡單的模型和假設下,落入黑洞的所見大致是可以計算的,諾蘭他們的工作大致是這一類。具體感興趣的話可以讀讀Thorne組的文章。

番外篇:

圖十一:Futurama 中的黑洞

什麼叫「藝術家印象」 呢? 參看如下示例圖:

藝術家眼中的耶穌與其門徒

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瓜子和蜜餞 (持續更新中):

光跡:
光在引力場(彎曲時空)中的運動方程 x^mu(s) = ig( c t(s), vec x(s) ig) 滿足:
frac{d^2 x^mu}{ds^2} + Gamma^mu_{;
ulambda} frac{d x^
u}{ds}frac{dx^lambda}{ds} = 0,g_{mu
u}frac{dx^mu}{ds}frac{dx^
u}{ds} = 0
其中,
s 為某一參數,可以最後在坐標中將其消掉得到vec x(t)
g_{mu
u} = g_{mu
u}(x) 叫做度規張量,這是描述引力場的基本量。電影中所遇到的黑洞是所謂的Kerr黑洞,帶有自旋,其度規為:

g_{tt} = 1-frac{2GM}{c^2}frac{1}{r+frac{J^2}{M^2c^2 r}cos^2	heta}
g_{rr} = frac{c^2 r^2+frac{J^2}{M^2}cos^2	heta}{c^2 r^2-2GMr + frac{J^2}{M^2}}g_{	heta	heta} = r^2 + frac{J^2}{M^2c^2}cos^2	heta, g_{phiphi} = left( r^2 +frac{J^2}{M^2c^2} + frac{2GM}{c^2(r+frac{J^2}{M^2c^2 r}cos^2	heta))}frac{J^2}{M^2c^2}
ight)sin^2	heta,
g_{tphi} = g_{phi t} = frac{2GM}{c^2(r+frac{J^2}{M^2c^2r}cos^2	heta)}frac{J}{Mc}sin^2	heta
其餘分量為零。對於更現實的引力場度規,可以在其附近做近似得到。

Gamma^mu_{;
ulambda} =frac{1}{2} g^{musigma}Big{
frac{partial g_{sigma
u} }{partial x^lambda} 
+frac{ partial g_{sigmalambda} }{partial x^
u} 
-frac{ partial g_{
ulambda} }{partial x^sigma}
Big}
希臘字母mu,
u,lambda,cdots 等為時空坐標,在笛卡爾坐標下取0,1,2,3;在球坐標下取t,r,	heta,phi;重複的上下指標表示求和a_mu a^mu = sum_{mu=0}^3 a_mu a^mu

這是個關於x^mu的二階非線性偏微方程、關於v^mu = frac{dx^mu}{ds}的一階非線性微分方程。第二個條件進一步限制了解的形狀。v^mu(s)可以通過數值積分解出來。不過,用它做光線追蹤(Ray-Tracing)顯然比起經典光線追蹤來要添了極大的計算量。目前Kerr黑洞最好的並行光線追蹤代碼可能是GeoKerr(Eric Agol, UW Astronomy)、 Ray(http://arxiv.org/pdf/1110.4389v2.pdf)、和其GPU加速代碼 GRay( chanchikwan/gray · GitHub )。Intersteller 使用的代碼叫做 Double Negative Gravitational Renderer,跟以上代碼比使用了光束而非光線追蹤,這樣可以產生平滑的效果。

成像
像的形狀是由同時到達的光線的光強的二維角分布I(vec	heta, t)決定的。I(vec	heta,t)由兩部分信息決定:光源和光線的傳播。為了聯繫光源和像,我們可以逆向追蹤光線,然後根據光源的信息來決定光強。

首先來看牛頓引力下的引力透鏡成像。如果光源與觀察者的距離比其尺度遠大,光源的縱向分布可以忽略,光源上不同點之間的發光時間差也可以忽略,從而可以用一個二維角矢量來描述:I_s(vec eta)。那麼,忽略光在傳播過程中的改變,I(vec	heta) = I_s(veceta) 只要光從veceta傳播到vec	heta。這正是光線追蹤可以提供的信息。

在弱引力情況下,光跡實際上可以通過一階近似直接給出解析表達式。為了方便,定義兩個偏折角,vecalpha equiv vec	heta - vecetahat {vecalpha} = frac{D_{ds}}{D_s}vecalpha。引力透鏡成像成立的條件是透鏡天體的縱向分布尺度遠小於縱向距離(薄透鏡極限)。在這種情況下,光的偏折角可以用經典偏折公式:egin{split}
hat{vecalpha} (vec	heta) 
= frac{4G}{c^2}int dzvecxi = vec	heta D_d
注意,不同的像vec	heta可能對應相同的點源veceta,也就是說,引力透鏡效應有可能會產生多個像。參看:doi:10.1016/S0377-0427(99)00164-8

在此基礎上,可以考慮一般成像。對於一般成像,首先要選擇一個二維像平面 Sigma_O 和一個2+1維平面Sigma_S	imes mathbb R 作為光源的世界管。上面提到過,只有同時進入觀察者眼的光才會成像,用GR的語言說,僅需要考慮觀察者過去光錐(past light-cone)上的光跡(參看下圖,盜自:Frittellia 等,PRD 63, 023007, (2000))。因此像平面Sigma_O上的每一個點對應觀察者過去光錐上的一條光跡或類光測地線,因此Sigma_O上每一個點表示一個立體視角(	heta,phi)


視頻封面小科普:掉入黑洞的2.5種死法視頻請看視頻。


《星際穿越》的的製片人之一是Kip Thorne,此人是史蒂芬·霍金的朋友和同事, 天體物理和相對論領域領軍人物之一,研究黑洞幾十年,《星際穿越》的導演諾蘭花了很長時間跟他討教。
另外探索頻道最近播了一部紀錄片《The Science of Interstellar》,裡面闡述了很多關於《星際穿越》涉及的科學問題,採訪了不少科學家,可以找來看看。
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11/15 update:該紀錄片在線觀看(暫無字幕):探索頻道【《星際穿越》 的科學(The Science of Interstellar)】 PS:該紀錄片由《星際穿越》男主角Matthew McConaughey獻聲解說。下圖為該片截圖,左邊是《星際穿越》的特效總監,右邊是 Kip Thorne


別鬧了,自然不是羅曼蒂克…你知道死亡的體驗是什麼么,就是這個…


渣圖


星際穿越男主並沒有進入黑洞。。而是在被潮汐力撕碎前進入了未來人類留下的高維空間。現實中人在接近視界之前就會被撕碎,進入視界後空間和時間會反轉。。我也無法想像裡面是什麼樣子


動圖
http://ww3.sinaimg.cn/mw690/4b4cb1b0jw1f73wh1g43gg20b406yb2c.gif


如果真有這麼個機會,以目前的理論來看,在靠近黑洞前,你早已經死得不能再死了。


這裡有個簡單易懂的視頻
視頻封面煎蛋小學堂08:跳進一個黑洞會怎樣?視頻


沒看過這部電影,所以只能估計著來了
當人掉入已經形成的黑洞,由於頭和腳離黑洞的距離差別而產生的引力差別會讓他被瞬間撕裂,事實上任何掉入黑洞的物質都會失去原本屬性只作為粒子存在
當人掉入正在坍縮形成的黑洞時,
如果是一般恆星坍縮時,這個人會在恆星收縮到臨界半徑之前被撕裂
如果是星系的中心區域,質量比恆星大得多,那麼在到達臨界半徑之前和之時他都不會有異樣
當然結果是一樣的
他會看到什麼?在事件視界形成之前,它能看到能在到達他眼裡的光線,這些光線會相對於平時範圍縮小,因為黑洞質量使光線內折,當進入事件視界之後。。。。。

我沒考慮?。,他本身掉落速度,可能光線到達他眼裡會因為速度而產生一些視覺效應,這方面我就無法具體描述了
****************************************
現在看過了,拙見
我是來看宇宙奇觀不是來看勾心鬥角的啊摔,不會對接還強行對接,你確定你是當年最厲害的博士?!一個肉體凡胎真的可以就這麼進去黑洞邊界,引力差不會把物質變成基本粒子么,我有看黑洞無毛論你表騙窩!
最最傷我的是那個超立方體,其實宇宙本來就不是個三維立方體,它本來就是高維的,我以前發過天體的圓周運動按相對論是直線運動在三維空間的投影,問題只在我們沒法改變我們在立方體中的時間坐標,而不是我們處在純三維世界,要進入什麼高維空間!我們在高維里就像二維在三維里,四維里,高維里一樣。
還有引力確實是特別的力,它不受距離限制,但是用手操控引力這也太牛逼了吧,好歹也給引力波這種迄今沒觀測到的神秘物理量留點面子!
晚來幾步,不過大丈夫,我開心就好,-)


可以這麼考慮,人類的飛行器還不夠快,假定飛行器有可能環繞黑洞飛行,成為行星一類的天體,那麼它必然離黑洞的視界非常遠,,,,如果很近的環繞,由於人體能承受的最大等效重力加速度約為10於地球表面的,也就是10g,可以算出來,一個質量相當於一個太陽的黑洞的情況,距離大概在10的9次方米數量級上(沒動筆算),就是大約1億千米的樣子,作為參考,日地距離約為1.5億千米。還是很遠。
假如你落進去了,在到達上一個距離之前,你的身體會越來越難受,到達以後可能因為血管爆裂,你差不多就內出血而亡了。然後再近一些,你的身體會被撕裂,最後變成粒子,落入黑洞,在黑洞外圍放出大量的熱,從而激發熱輻射,在強引力的作用下光線或者說電磁輻射會發生引力紅移,有機會的話別人會看到,但不能確定。
你能看到的可能就是以上的大神所描述的景象了


假如人士剛體的,不會被黑洞撕成粒子流,那人掉進黑洞會看到什麼?也許大家更關心這個問題。


無法觀測,測量的事件科學不回答。
假如真的像以上回答者描述的一樣,
但是,
我們根本無法驗證真偽,
回答又有什麼意義呢?
就像問宇宙大爆炸之前是什麼樣子是一樣一樣的。
所以,
每個人心中都有一個宇宙,就像,
一千個讀者有一千個哈姆雷特一樣。
答案是豐富多彩的,只要答案在數學上自恰。提供一個版本回答:黑洞內部空間是一維,時間零維,所以你會一直向中心奇點運動。而你的信息已經留在了黑洞視界(表面)。


由於無比巨大的引力差,靠近黑洞一端與遠離黑洞一端距離會逐漸拉長,直至形成一股基本粒子流,用最徹底的方式成為黑洞的一部分。


在掉到黑洞之前,周圍物質密度急劇增大,大到開始產生反應,目及之處全是光


這個項目或許會幫你得到答案:Raytracing a Black Hole


不一樣。


結果恐怕會讓樓主失望,由於引力作用,基本還沒反應過來就已經被撕碎了

假設你是一個堅硬無比的傢伙,那麼根據現有的理論,你應該會被吸到一個類似於地面的物體上,然後所有的一切全部停止,沒有光,什麼都沒有~就這樣靜靜的呆著,然後再到心理崩潰,接著發現自己又不能自殺,然後徹底瘋了,但由於手腳什麼都被引力吸著,所以即使瘋了也什麼都幹不成,最後就變成一個瘋子躺在上面,面無表情~


想想就難受


不是從我們的角度人已經死了,從人的角度他一直在跌落嗎


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