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目錄

一、起源和動(dòng)機(jī)

二、思想實(shí)驗(yàn)

三、實(shí)驗(yàn)解釋

四、應(yīng)用和測試

五、擴(kuò)展

六、編者推薦

七、百科項(xiàng)目志愿者招募

薛定諤的貓：將一只貓，一瓶毒藥和放射源入密閉容器。如果盒內(nèi)監(jiān)測器（如蓋革計(jì)數(shù)器）檢測到放射性，即單個(gè)原子衰變，燒瓶會(huì)破碎，毒藥釋放，殺死貓。量子力學(xué)的哥本哈根詮釋 Copenhagen interpretation認(rèn)為，一段時(shí)間之后，貓既活著又死了。但是，人們看向盒內(nèi)時(shí)，貓不是活著就是死了，不是既活著又死了。這就提出了一個(gè)問題，量子疊加具體何時(shí)結(jié)束，現(xiàn)實(shí)何時(shí)塌陷成一種或另一種可能性。

薛定諤的貓：將一只貓，一瓶毒藥和放射源入密閉容器。如果盒內(nèi)監(jiān)測器（如蓋革計(jì)數(shù)器）檢測到放射性，即單個(gè)原子衰變，燒瓶會(huì)破碎，毒藥釋放，殺死貓。量子力學(xué)的哥本哈根詮釋認(rèn)為，一段時(shí)間之后，貓既活著又死了。但是，人們看向盒內(nèi)時(shí)，貓不是活著就是死了，不是既活著又死了。

薛定諤的貓是一個(gè)思想實(shí)驗(yàn) thought experiment，有時(shí)被稱為悖論 paradox，由奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤于1935年提出，但該想法起源于阿爾伯特·愛因斯坦。

該實(shí)驗(yàn)表明了薛定諤認(rèn)為的將量子力學(xué) quantum mechanics的哥本哈根詮釋應(yīng)用于日常物品所產(chǎn)生的問題，提出了一只可能同時(shí)活著且死去的貓。這種狀態(tài)被稱為量子疊加 quantum superposition，是與可能發(fā)生也可能不發(fā)生的隨機(jī)亞原子事件相聯(lián)系導(dǎo)致的結(jié)果。

該思想實(shí)驗(yàn)也經(jīng)常出現(xiàn)在對量子力學(xué)詮釋理論的探討中，特別是在涉及測量問題的情況下。薛定諤在提出思想實(shí)驗(yàn)的過程中創(chuàng)造了“量子糾纏”這個(gè)術(shù)語。

起源和動(dòng)機(jī)

1921-1926年，歐文·薛定諤(Erwin Schr?dinger)居住在蘇黎世Huttenstrasse 9號(hào)的花園里。一個(gè)真實(shí)大小的貓形象根據(jù)光線條件的不同，看起來要么是活的，要么是死的。

埃爾溫·薛定諤于1921年-1926年居住在蘇黎世的胡特大街 (Huttenstrasse) 9號(hào)，屋子花園里有一座真實(shí)大小、可移動(dòng)的貓形雕像，參觀房子的人不會(huì)提前知道雕像的位置。

1935年，薛定諤本來想將該思想實(shí)驗(yàn)作為對EPR佯謬論文（以其作者愛因斯坦、波多爾斯基和羅森英文首字母命名）的討論。EPR論文強(qiáng)調(diào)了量子疊加的反直覺性，在量子疊加中，一個(gè)量子系統(tǒng)，比如原子或者光子，可以處于多個(gè)狀態(tài)，對應(yīng)不同的結(jié)果。

當(dāng)時(shí)的主流理論是哥本哈根詮釋，它認(rèn)為一個(gè)量子系統(tǒng)在與外部世界相互作用或被外部世界觀察到之前，一直處于疊加狀態(tài)。這時(shí)，疊加態(tài)會(huì)坍縮成一種或另一種定態(tài)。EPR實(shí)驗(yàn)表明，包含多個(gè)相距較遠(yuǎn)的粒子的系統(tǒng)可以處于這種疊加狀態(tài)。薛定諤和愛因斯坦就后者的EPR佯謬論文通信，在信中，愛因斯坦指出，一個(gè)不穩(wěn)定的火藥桶會(huì)在一段時(shí)間后包含爆炸狀態(tài)和未爆炸狀態(tài)的疊加。

為了進(jìn)一步說明，薛定諤描述了一種原則上可以在大型系統(tǒng)中創(chuàng)建疊加態(tài)的辦法，即讓該系統(tǒng)依賴于處于疊加態(tài)的量子粒子。他提出在一個(gè)密閉的鋼制房間中放一只貓，貓的生死取決于放射性原子的狀態(tài)，即原子是否衰變釋放出放射性。薛定諤認(rèn)為，哥本哈根詮釋意味著這只貓?jiān)诒挥^察到之前，既活著也死了。薛定諤并不認(rèn)可貓既死也或是一種嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目赡苄?，相反，他希望用這個(gè)例子說明量子力學(xué)[1]現(xiàn)有觀點(diǎn)的荒謬之處。

但是，自從薛定諤時(shí)代以來，物理學(xué)家提出了諸多其他量子力學(xué)的數(shù)學(xué)解釋，其中一些解釋認(rèn)為 “既生又死”的貓疊加態(tài)非常真實(shí)。薛定諤的貓思想實(shí)驗(yàn)意在批判哥本哈根詮釋（1935年的主流正統(tǒng)學(xué)說），至今仍是各種現(xiàn)代量子力學(xué)詮釋的試金石，具有決定性意義。物理學(xué)家經(jīng)常用各種詮釋解釋薛定諤的貓的方式來說明和比較各種詮釋的特點(diǎn)、優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

思想實(shí)驗(yàn)

薛定諤寫道：人們甚至可以提出相當(dāng)荒謬的實(shí)驗(yàn)。把一只貓和蓋革計(jì)數(shù)器，少量放射物質(zhì)（設(shè)備必須不會(huì)干涉貓）一起關(guān)在鋼制房間內(nèi)。放射物質(zhì)含量極少，也許一個(gè)小時(shí)原子就會(huì)衰變，但也有可能不衰變；如果原子衰變，計(jì)數(shù)管就會(huì)放電，并通過繼電器釋放出一個(gè)錘子，擊碎裝有氫氰酸的瓶子。如果我們把這整個(gè)系統(tǒng)單獨(dú)放一小時(shí)，如果在此期間沒有原子衰變，貓就還活著。第一次原子衰變會(huì)將它毒死。整個(gè)系統(tǒng)的普西函數(shù)將通過將活貓和死貓（原諒這個(gè)表達(dá)）混合或均分在相同部分來表達(dá)這一點(diǎn)。

顯然，這些實(shí)驗(yàn)中最初局限于原子域的不確定性轉(zhuǎn)變?yōu)榱撕暧^不確定性，這種不確定性可以通過直接觀察得到解決。這使我們無法輕易地認(rèn)為代表現(xiàn)實(shí)的“模糊模型”有效。它本身不會(huì)包含任何不清楚或矛盾的東西。搖晃或失焦照片與云層和霧層的快照是有區(qū)別的。

薛定諤著名的思想實(shí)驗(yàn)提出了一個(gè)問題：“量子系統(tǒng)何時(shí)會(huì)脫離疊加態(tài)轉(zhuǎn)而坍縮為疊加態(tài)的其中一種狀態(tài)？”（更嚴(yán)格地說，從何時(shí)起，實(shí)際的量子態(tài)不再是多個(gè)經(jīng)典態(tài)的非平凡線性組合，而是開始有一個(gè)唯一的經(jīng)典描述？）如果貓還活著，它只記得活著的狀態(tài)。但是EPR實(shí)驗(yàn)的解釋與標(biāo)準(zhǔn)的微觀量子力學(xué)都要求貓和筆記本之類的宏觀物體并不總是有唯一的經(jīng)典描述。薛定諤的思想實(shí)驗(yàn)說明了這一顯而易見的悖論。直覺告訴我們，沒有觀察者可以處于多種狀態(tài)的混合，然而上述思想實(shí)驗(yàn)卻表明，貓可以處于既生又死的混合態(tài)。貓是否需要成為觀察者，或者需要另外一個(gè)外部觀察者使得貓能夠存在一個(gè)定義明確的經(jīng)典狀態(tài)？愛因斯坦認(rèn)為每一種選擇都很荒謬，貓的思維實(shí)驗(yàn)極大地突出了這些問題，令他印象深刻。在1950年寫給薛定諤的一封信中，他寫道：除了勞厄之外，您是現(xiàn)在僅存的物理學(xué)家，勞爾認(rèn)為只有誠實(shí)的人才能繞開對現(xiàn)實(shí)的假設(shè)。他們中的大多數(shù)人根本不知道他們在玩什么樣的冒險(xiǎn)游戲——現(xiàn)實(shí)是獨(dú)立于實(shí)驗(yàn)的。但是，你的系統(tǒng)——放射性原子+放大器+火藥+盒子里的貓優(yōu)雅地駁斥了他們的詮釋，在這個(gè)系統(tǒng)里，普西函數(shù)既包含活著的貓，也包含被炸成碎片的貓。沒有人真的懷疑貓的存在與否與觀察行為無關(guān)。

請注意，薛定諤的裝置中并沒有火藥，他用蓋革計(jì)數(shù)器作為放大器，用氫氰酸毒藥代替火藥?；鹚幨?5年前愛因斯坦給薛定諤的最初建議中提到的，愛因斯坦在信中也一并討論了。

實(shí)驗(yàn)解釋

自薛定諤時(shí)代以來，人們提出了許多其他的量子力學(xué)詮釋，針對薛定諤的貓?zhí)岢龅寞B加態(tài)持續(xù)多久以及他們何時(shí)（或是否）坍縮，這些詮釋給出了不同的答案。

哥本哈根詮釋

量子力學(xué)的主流詮釋之一是哥本哈根詮釋。該詮釋認(rèn)為，一個(gè)系統(tǒng)在觀察時(shí)將不再處于疊加態(tài)，而是坍縮為疊加態(tài)中的任意一種狀態(tài)。薛定諤的思維實(shí)驗(yàn)清楚地表明，哥本哈根詮釋沒有明確定義測量和觀察的本質(zhì)。實(shí)驗(yàn)可以解釋為，盒子關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)處于“衰變的原子核/死貓”和“未衰變的原子核/活貓”疊加態(tài)中，只有打開盒子進(jìn)行觀察時(shí)，波函數(shù)才會(huì)坍縮成這兩種狀態(tài)之一。

但是，哥本哈根詮釋的主要科學(xué)家尼爾斯·玻爾從未認(rèn)為是觀察者引起了波函數(shù)的坍縮，因?yàn)樗⒉徽J(rèn)為波函數(shù)真實(shí)存在，它只是一個(gè)統(tǒng)計(jì)工具。因此薛定諤的貓對他來說不是什么謎題。早在意識(shí)的觀察者打開盒子前，貓就已經(jīng)死去或者仍然活著。分析一個(gè)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)會(huì)發(fā)現(xiàn)，盡管實(shí)驗(yàn)涉及的有效性尚有爭議，在有意識(shí)的觀察者對測量結(jié)果進(jìn)行觀察前，測量本身（比如蓋革計(jì)數(shù)器）就足以使量子波函數(shù)發(fā)生坍縮。（這種當(dāng)原子核中的粒子撞擊監(jiān)測器時(shí)“觀察”已經(jīng)發(fā)生的觀點(diǎn)可以發(fā)展為客觀坍縮理論。在薛定諤的思維實(shí)驗(yàn)中，波函數(shù)要發(fā)生坍縮，監(jiān)測器需要進(jìn)行“無意識(shí)觀察”。相比之下，“多世界理論”否認(rèn)曾發(fā)生過坍縮。

多世界詮釋和歷史一致論

 

用多世界詮釋解釋量子力學(xué)“薛定諤的貓”悖論。多世界詮釋認(rèn)為每一個(gè)事件都是一個(gè)分支點(diǎn)。不管盒子是否打開，貓都是既活著也死了，但“活著的”和“死了的”貓?jiān)谟钪娴牟煌种е校瑯诱鎸?shí)但不能相互作用。

用多世界詮釋解釋量子力學(xué)“薛定諤的貓”悖論。多世界詮釋認(rèn)為每一個(gè)事件都是一個(gè)分支點(diǎn)。不管盒子是否打開，貓都是既活著也死了，但“活著的”和“死了的”貓?jiān)谟钪娴牟煌种е?，同樣真?shí)但不能相互作用。

1957年，休·埃弗萊特提出了量子力學(xué)的多世界詮釋，該詮釋并不把觀察視為一個(gè)特殊過程。在多世界詮釋中，盒子打開后，活貓和死貓仍然存在，但彼此之間是退相干的。換句話說，盒子被打開時(shí)，觀察者和可能死亡的貓分裂成兩個(gè)分支：觀察者看著盒中的死貓，觀察者看著盒中的活貓。但由于死態(tài)和活態(tài)是退相干的，它們之間無法發(fā)生有效的交流或相互作用。

打開盒子時(shí)，觀察者與貓糾纏在一起，因此形成了對應(yīng)貓生與死的“觀察者狀態(tài)”；每個(gè)觀察者狀態(tài)都與貓糾纏或聯(lián)系在一起，因此“貓狀態(tài)的觀察”與“貓的狀態(tài)”相對應(yīng)。量子退相干確保不同的結(jié)果不會(huì)相互影響，對多世界詮釋的歷史一致論也很重要。在多世界詮釋中，只有“死貓”或“活貓”才能稱為一致歷史的一部分。通常認(rèn)為退相干是為了避免同時(shí)對多個(gè)疊加態(tài)進(jìn)行觀察。

宇宙學(xué)家馬克思·泰格馬克提出了薛定諤貓實(shí)驗(yàn)的一個(gè)變體，稱為量子自殺機(jī)。它從貓的角度檢驗(yàn)薛定諤的貓實(shí)驗(yàn)，并認(rèn)為通過這種方法，人們或許能夠區(qū)分哥本哈根詮釋和多世界詮釋。

系綜詮釋

系綜詮釋 ensemble interpretation指出，疊加態(tài)不過是一個(gè)更大系綜的子系綜。態(tài)矢量不適用于單個(gè)貓實(shí)驗(yàn)，而僅適用于大量相似準(zhǔn)備的貓實(shí)驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。該詮釋的支持者認(rèn)為，這使得薛定諤的貓悖論變得無關(guān)緊要，或者說根本不是問題。

這一詮釋拋棄了單一量子力學(xué)系統(tǒng)有一個(gè)始終對應(yīng)的數(shù)學(xué)描述這一觀點(diǎn)。

關(guān)系詮釋

關(guān)系詮釋 relational interpretation認(rèn)為人類實(shí)驗(yàn)者、貓或裝置之間，或者生命體與非生命體之間沒有本質(zhì)區(qū)別；所有這些遵循相同波函數(shù)演化規(guī)則的量子系統(tǒng)都可以被認(rèn)為是“觀察者”。但是關(guān)系詮釋允許不同的觀察者根據(jù)掌握的不同盒內(nèi)系統(tǒng)信息，對同一系列事件給出不同的解釋。貓可以被認(rèn)為是裝置的觀察者；同時(shí)，實(shí)驗(yàn)者可以被認(rèn)為是盒內(nèi)系統(tǒng)（貓和裝置）的另一個(gè)觀察者。在盒子被打開之前，根據(jù)自身的死活，貓擁有關(guān)于設(shè)備狀態(tài)的信息（原子要么已經(jīng)衰變要么沒有衰變）；但是實(shí)驗(yàn)者并不掌握這些信息。這樣，在同一時(shí)刻兩個(gè)觀察者對于盒子的狀態(tài)有不同的描述：對貓來說，裝置的波函數(shù)“坍縮”了，對實(shí)驗(yàn)者來說，盒內(nèi)系統(tǒng)處于疊加態(tài)。直到盒子被打開，兩個(gè)觀察者對所發(fā)生的事情都掌握了同樣的信息，兩個(gè)系統(tǒng)才“坍縮”為同樣一個(gè)確定結(jié)果，既貓不是活著就是死了。

交易詮釋

在交易詮釋 transactional interpretation中，實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)射一個(gè)逆著時(shí)間行進(jìn)的超前波，超前波與粒子源發(fā)射的順著時(shí)間行進(jìn)的波相互作用，形成駐波。這些波被認(rèn)為是真實(shí)存在的，裝置被視為“觀察者”。在交易詮釋中，波函數(shù)的坍縮是“非時(shí)間性的”，并且發(fā)生在粒子源與實(shí)驗(yàn)裝置相互作用的整個(gè)階段。貓從未處于疊加態(tài)，相反，不管人類實(shí)驗(yàn)者什么時(shí)候看盒子，貓?jiān)谌魏翁囟〞r(shí)間都只處于一種狀態(tài)。這樣交易詮釋就解決了這一量子悖論。

量子芝諾效應(yīng)

量子芝諾效應(yīng) zeno effect指延緩量子從對初始狀態(tài)到其他狀態(tài)的演化。

另一方面，存在加速量子系統(tǒng)演化的反芝諾效應(yīng)。例如，如果你頻繁地窺視放置貓的盒子，你可能會(huì)延遲或加速?zèng)Q定性選擇。芝諾效應(yīng)和反芝諾效應(yīng)都是真實(shí)存在的，并且已知會(huì)發(fā)生在真實(shí)的原子上。被測量的量子系統(tǒng)必須與周圍環(huán)境（在這個(gè)例子中是實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)室等）強(qiáng)耦合，以獲得更準(zhǔn)確的信息。但是，在薛定的貓實(shí)驗(yàn)中，沒有信息傳遞到盒子外部，這種與環(huán)境的耦合被認(rèn)為是一種準(zhǔn)測量，但是一旦貓的生死（通過窺視盒子）傳遞到了盒子外部，準(zhǔn)測量就變成了測量。準(zhǔn)測量和測量一樣都會(huì)引起芝諾效應(yīng)。芝諾效應(yīng)告訴我們，即使不窺視盒子，貓的死亡也會(huì)因?yàn)榄h(huán)境而被延遲或加速。

客觀坍縮理論

根據(jù)客觀塌縮理論 objective collapse theories，當(dāng)達(dá)到某些客觀物理閾值（時(shí)間、質(zhì)量、溫度、不可逆性等），疊加態(tài)會(huì)自動(dòng)地被破壞（與外部觀察無關(guān)）。因此，貓應(yīng)該早在盒子被打開之前很久就已經(jīng)穩(wěn)定在一個(gè)確定狀態(tài)。這可以粗略地稱為“貓觀察自己”，或者“環(huán)境觀察貓”。

客觀坍縮理論需要對標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)進(jìn)行修改，以允許疊加態(tài)被時(shí)間演化破壞。

應(yīng)用和測試

薛定諤的貓量子疊加態(tài)和退相干環(huán)境效應(yīng)

薛定諤的貓實(shí)驗(yàn)是純理論性的，所涉及的實(shí)驗(yàn)裝置并被制造出來。但是，很多涉及類似原理的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)取得成功，例如一些（在量子力學(xué)標(biāo)準(zhǔn)中）相對較大系統(tǒng)的疊加態(tài)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。這些實(shí)驗(yàn)并沒有表明與貓大小一樣的物體可以處于疊加態(tài)，但是這些實(shí)驗(yàn)提升了存在“貓態(tài)”的系統(tǒng)的大小上線。在很多實(shí)驗(yàn)中，即使冷卻到接近絕對零度，貓態(tài)也只能短暫存在。

多光子的“貓態(tài)”已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。

觀測到處于疊加態(tài)的被捕獲的鈹離子。

一項(xiàng)涉及超導(dǎo)量子干涉儀（ SQUID）的實(shí)驗(yàn)與薛定諤思想實(shí)驗(yàn)的主題聯(lián)系在一起：“疊加態(tài)并不是說十億個(gè)電子正向流動(dòng)，十億個(gè)電子反向流動(dòng)。超導(dǎo)電子總是沿同一方向移動(dòng)，當(dāng)超導(dǎo)量子干涉儀中的所有超導(dǎo)電子都處于薛定諤的貓態(tài)時(shí)，它們會(huì)同時(shí)在回路中雙向流動(dòng)?！?/p>

一種壓電“音叉”已經(jīng)被制造出來，可被置于振動(dòng)和非振動(dòng)狀態(tài)的疊加態(tài)。諧振器包含約10萬億個(gè)原子。

一項(xiàng)涉及流感病毒的實(shí)驗(yàn)已被提出。

一項(xiàng)利用機(jī)電振蕩器和細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)已被提出。

在量子計(jì)算中，“貓態(tài)”有時(shí)指GHZ態(tài)（Greenberg-Horne-Zeilinger態(tài)），其中若干量子比特處于全為0和全為1兩種態(tài)的相等疊加態(tài)。

 

至少有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，有可能在觀察貓之前就確定它的狀態(tài)。

擴(kuò)展

“維格納的朋友”是薛定諤實(shí)驗(yàn)的一個(gè)變體。實(shí)驗(yàn)中有兩個(gè)人類觀察者：第一個(gè)觀察者通過觀察確定是否看到閃光，然后將觀察結(jié)果傳遞給第二個(gè)觀察者。問題是，波函數(shù)究竟何時(shí)“坍縮”？是在第一個(gè)觀察者進(jìn)行觀察時(shí)，還是只有當(dāng)?shù)诙€(gè)觀察者知道了第一個(gè)觀察者的觀察結(jié)果時(shí)？

另一方面，一些著名物理學(xué)家甚至認(rèn)為，1998年觀測到宇宙暗能量的天文學(xué)家可能通過一個(gè)偽薛定諤貓的假設(shè)“縮短了它的壽命”，盡管這是一個(gè)有爭議的觀點(diǎn)。

量子系統(tǒng)的演化：薛定諤方程

薛定諤方程又稱薛定諤波動(dòng)方程，是由奧地利物理學(xué)家薛定諤提出的量子力學(xué)中的一個(gè)基本方程，也是量子力學(xué)的一個(gè)基本假定。本課程將結(jié)合薛定諤方程的例子為你介紹薛定諤方程，同時(shí)還將涉及系本征值和本征向量的相關(guān)內(nèi)容。

文章推薦

薛定諤的貓到底是什么意思

“……，‘薛定諤的貓’的物理學(xué)背景在于，一個(gè)粒子的態(tài)在被觀測前具有多種可能態(tài)，用物理的語言來講就是多個(gè)波函數(shù)的疊加。但是在觀測之后，發(fā)現(xiàn)這個(gè)粒子其實(shí)處于疊加的多個(gè)波函數(shù)中的某一個(gè)。這樣的實(shí)驗(yàn)事實(shí)令人費(fèi)解：為什么粒子的態(tài)可以同時(shí)處于這個(gè)態(tài)，又處于那個(gè)態(tài)？而在觀測之后，又固定在一個(gè)態(tài)上面了？為什么粒子的行為取決于我是否觀測它？“薛定諤的貓”這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)通俗易懂，描述了微觀領(lǐng)域中，粒子違反邏輯的行為?！?/p>

薛定諤的貓究竟可行嗎

“……，所以，疊加態(tài)這個(gè)詞，我們可以理解為：概率。一個(gè)粒子，在不被觀測的時(shí)候，它的各項(xiàng)屬性沒有確定的值，所有屬性均是以一種概率的形式存在，在這個(gè)時(shí)候，這個(gè)粒子過去被觀測過幾次、出現(xiàn)過幾種狀態(tài)，對于該粒子當(dāng)前的狀態(tài)均沒有任何影響。也就是說，無論概率塌縮過幾次，特定狀態(tài)出現(xiàn)的概率不疊加?！?/p>

以上內(nèi)容都是我們做這項(xiàng)目的起點(diǎn)，作為來自不同學(xué)科和領(lǐng)域的志愿者，我們建立起一個(gè)有效的百科團(tuán)隊(duì)，分配有審校、翻譯、編輯、宣傳等工作。我們秉持：知識(shí)從我而來，問題到我為止的信念，認(rèn)真負(fù)責(zé)編撰每一個(gè)詞條。

來源：集智百科

原標(biāo)題：《什么是薛定諤的貓 | 集智百科》

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