禪修部落

2009-06-05 18:08:46無遮，小光，一休

世界真的存在嗎?

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相信大家都看過或聽過「駭客任務」(Matrix)，片中描述人類與世界的真實面貌似乎是個被編寫出來的程式幻境，這對於物理學家有更深刻的研究意涵：要怎麼找出新方向來在真實與虛幻之間生存，並重新為自己定位。以下這篇書摘非常精采，知識性的光采晶瑩動人！

(摘自「世界真的存在嗎?」(上海出版，新發現叢書)

【一個世紀以來，物理學家們一直在思考這個問題：支配著無限小的規律似乎難以理解。然而，如果我們承認量子現實只是一種錯覺的話，那麼一切就清楚了！這一認識將掀起一場全面的革命。】

    「我們應該修改物理學教材了！」2005年8月，在德國康斯坦茨湖畔一所大學的最高建築的頂樓，美國物理學家克里斯托弗‧福熙（Christopher Fuch）用這樣一個大膽的提議作為其組織的系列研討會的開場白。康斯坦茨大學出資邀請了50多位美國、加拿大、英國以及義大利、法國和澳大利亞的理論學家和哲學家來參加這一為期一周的會議。他們都是微觀物質運動規律研究領域的頂尖專家。其中的一些學者極具威望，但他們也毫不猶豫的推翻了自己曾經持有的觀點。作為門外漢，我們無法深入理解研討會期間專家們徹夜爭論的深奧的數學問題。不過，他們討論都是圍繞著這樣一個觀點展開的：我們眼前的世界並不是真實的物質世界，而是一個巨大的幻象！

    這讓我們一下子墜入了雲霧之中。在我們一貫的觀念中，物理學的目的，正如字典裡所清晰定義的那樣，不就是「研究物質的屬性」嗎？物理學家們的確是通過對如同康斯坦茨湖畔的石頭一般真實存在的物體的考察和研究，才得以提出了現有的物理學理論。那麼憑什麼說物理學描繪的只是一個幻象呢？很簡單，這是因為物理學家們在抽絲剝繭般梳理「客觀現實」這塊織物的「纖維」時，令其支離破碎了。而物理學的本義，也因此突然變得支離破碎了。

    這種觀點最早是在20世紀初提出的，當時物理學家們剛剛能夠深入探尋我們這個物質世界的奧妙。他們為自己的發現感到驚奇。在此之前，人們已經習慣性的認為，物體要麼是波動，就像海面上盪漾的波浪，要麼是在時空中運動著的粒子，就像綠色球檯上滾動著的臺球。然而，物理學家們進行了更加深入的考察，他們發現光、原子或電子的運動似乎並非如此。比如，在某些條件下，通常被看作波動的光卻會像粒子一樣的運動；同樣，通常被當作粒子的電子有時則會像波一樣運動！

還物理學一個真相

    短短幾年間，理論學家們在創造概念方面作出了史無前例的努力，他們以純經驗論的方式漸漸構造起了一個數學大廈，用以描繪那種種「令人難以置信」的物質運動。就這樣，量子力學在1925年正式誕生了，從此不可動搖。但是，要承認量子力學，就意味著必須拋棄海浪和臺球，而承認物體包括電子、原子、分子以至石頭都是由一個極其複雜的代數概念（即「希爾伯特Hilbert空間的態矢量」）組成的。這也意味著還必須接受一套支配物體演化的新規則，使物體之間能以超越空間和時間的方式發生聯繫，並同時具有幾種不同的態，而當人們對它們進行觀察時又會根據某些非常精確的概率法則任意縮減為一個單一態。物理學家們不得不接受這些如此「離奇」的概念。因為，據說，這個奇異的量子世界正是我們所處的世界這一理論從來沒有受到懷疑；而且這一理論確實也曾成功的預言了各種化學元素的屬性、雷射和電子晶片的特性、DNA的穩定性甚至核反應的「爆炸性」。儘管康斯坦茨湖中的鵝卵石看起來似乎並未表現出這些奇異的特性（這些特性只在微觀系統能夠觀察到），但量子力學的使命的確就是描述圍繞在我們身邊以及構成我們的物質的內部運動。

    而在這裡，我們顯然看到了一個大問題！量子力學作為物理學領域中描述物質最深刻的理論，為什麼它距離我們的傳統觀念如此遙遠？為什麼這一學說最基本的理論都如此難以理解？現實真的是如此超出我們的想像嗎？30年來，每年都要舉行一些大型的國際學術研討會，目的是通過對目前掌握的十幾條線索進行分析，再現能與當代物理學研究數據相一致的真實世界的面貌。然而問題的關鍵在於，每一種對於世界的「現實的」詮釋看上去都那麼超現實！最著名的一種詮釋是1957年美國物理學家休‧艾福雷特（Hugh Everett）提出的：針對「為什麼量子物體能同時具備多態，但在人們對其加以測量時又縮減為單一態」這一問題，艾福雷特解釋說，其他所有的態確實存在，只不過它們存在於平行世界中。

     而在克里斯托弗‧福熙看來，這些研究工作都誤入了歧途：「我們的任務並不是要為了證明量子理論的意義，而是去額外的製造更多的結構、更多的定義和更多像科幻一般的假設。我們的任務恰恰是要將這一切統統拋棄、重新從零開始。然而，要做到這一點，我認為就必須把目光投向量子資訊學理論的著作、技術和含義。」

一片肥沃的土壤

    資訊：是的！資訊在這裡意味著什麼？這個概念難以準確定義，但大家從直覺上都知道它到底是怎麼一回事：在資訊學上，資訊就是對能夠被按照0和1二進製數進行編碼的事件的認知要素。乍一看來，它與量子力學好像沒什麼關係。不過，在20世紀80年代中期，物理學家們發現，量子法則使人們可以用一種全新的方式處理資訊。量子法則實現了兩個物體之間的長程關聯，這實際上可以被看成一種新的聯繫渠道，使得人們能夠實現資訊在兩地之間的遙距傳輸、保障機密資訊的安全或同時進行大規模的平行計算。在這些美好前景的吸引下，理論學家和實驗學家們便創立了一套新的語言，開拓了物理學的一片充滿了活力的新領域「量子資訊學」。

    然而驚喜並不止這些。從20世紀80年代末開始，出現了這樣一種思考：既然我們可以用量子力學來處理資訊，那麼可不可以反過來，用資訊去理解量子力學呢？可不可以不把量子資訊學當作量子力學理論的一種運用，而將其視為這一理論的基礎呢？這正是科學家們在康斯坦茨大學會議上爭論的核心問題：量子力學所揭示的到底是物體本身還是我們所知的關於物體的資訊？也許「希爾伯特空間態矢量」所表現的並非光子、分子或石頭這些物體本身，而是我們所擁有的關於這些物體的資訊。如果確實如此，那不蒂於對物理學理論的一個徹底顛覆！

    粗看之下，這一觀點似乎沒什麼特別，甚至還有些落後；顯然，我們只能通過我們貧乏可憐的感知能力獲得的資訊去了解這個世界：從德莫可立特(註：希臘早期哲學家)到康德，哲學家們早就告訴過我們，有一塊看不到扯不破的紗幕將我們和現實世界隔開。但如果進一步參考尼爾斯‧玻爾、埃爾溫‧薛定諤以及沃爾夫岡‧泡利等現代物理學奠基者的思想，我們就會發現這一觀點極其適合詮釋量子力學。這是因為，資訊具有與物質完全不同的屬性：與鵝卵石相反，資訊沒有空間和時間的位置，因而我們可以任意的複製它、分享它、總結它、刪除它。那些離奇的量子現象，我們一直以為它們是物質的屬性；但如果我們從資訊的角度對這些現象逐一加以重新考察，就會發現它們再正常不過了。

    比如，為什麼一個系統能同時存在於好幾種狀態之中？很簡單，這是因為我們已知的資訊尚不足以準確的告訴我們它到底處於何種狀態。為什麼對該系統進行測量，就能使其一下子縮減為單一態？這是因為這種測量使我們獲得了新的資訊，加深了對該系統的認識。為什麼兩個系統之間可以發生超時空的關聯？這是因為這兩個系統之間存在著共同點，我們從一個系統獲得的資訊可以立刻讓我們了解另一個系統。量子世界裡為什麼會有偶然的存在？這是因為我們缺乏必要的資訊，無法對一些問題作出回答，所以不得不將其劃歸偶然的範疇。為什麼能量不是連續的而是量子化的？這是因為它和信息本身的量子化是對稱的，量子化的資訊縮減為一些二進製的答案：是或否、0或 1。簡而言之，正如奧地利物理學家安東‧柴林格在幾年前曾解釋過的那樣：「如果我們遵循這樣一個原則：即量子力學的基礎概念就是資訊，那麼我們就能夠很自然的理解量子現象。」這樣一來，量子現象就變得合乎我們的常識了。

    兩年來，這一思想不斷的得到充分的發展。在那些聚集在康斯坦茨大學的物理學家們看來，現在已經到了從定律層面上用對量子力學的這種新解釋來「改寫物理學教材」的時候了。現在的目的，不再是對量子理論加以詮釋，而是要重新創立量子理論；不再是被動的接受20世紀初物理學界以經驗論方式拼湊出來的那些法則，而是要證明這些法則都是與資訊獲取、資訊表達及資訊傳播相關並受到這些條件限制而得出的結果。這個領域是一片極其肥沃的土壤！傑弗里‧巴伯、阿列克謝‧格蘭邦、呂希安‧哈代和克里斯托弗‧福熙認為，在我們這個世界中，資訊是受到某些限制的。他們努力嘗試搞清楚什麼樣的理論是不描述現實的本來面貌而是描述我們對現實資訊的獲取的。結果，他們的答案都指向量子理論！他們四人的研究似乎十分令人困惑，其實非常深刻非常理性，值得我們加以特別關注。他們的出發點各不相同：有的認為，資訊是主觀的，取決於提問的人；也有的認為，資訊是客觀的，就像是一種新的實體，不受觀察者的主觀因素影響。但他們都同意這樣一點：從資訊的概念出發，很容易導出量子理論。這恰恰說明，量子力學並不是一種描述波、粒子或場的運動屬性的現實理論，而是一種描述資訊屬性的理論。

幕後的世界

    這完全推翻了我們對真實世界的觀點。因為，這說明，我們原來所認為的真實世界，可能僅僅是我們的看法而已。這種情況，就好像是一個僅僅通過電腦螢幕來了解外部世界的人一樣：他決不能因此斷定，外部世界就是他電腦螢幕上的象素！克里斯托弗‧福熙認為，我們必須把資訊和世界區分開來。我們必須將資料中屬於電腦螢幕的因素去掉，這樣才能保證剩下的資料反映的是世界的本來面貌。「通過蒸餾淨化而保留下來的部分相對於整套理論來說，它也許非常微小，才是量子力學試圖向我們揭示的自然的本來面貌。」他補充。同時他強調，現在要知道這種「蒸餾淨化了的真實」到底是什麼樣的，為時尚早。

    傑弗里‧巴伯的看法則恰恰相反：「關鍵問題並不在於思考資訊指涉的內容是什麼。比如，你想把一條消息從你的電腦發到我的電腦中來，那麼這條消息包含什麼內容並不重要：也許是一幅圖片，也許是一篇法語文章，抑或是一篇中文小說。重要的是，對該消息進行壓縮、傳送和解碼，而不必在乎它反映的是什麼。描述資訊的交換，在我看來，這才是基礎物理學全新而唯一的任務。」

    阿列克謝‧格蘭邦的立場看起來更為極端。他認為物理學根本不應該繼續關注現實那隱藏在螢幕背後的現實。因為既然我們必須通過螢幕去了解現實世界，那麼奢談幕後的現實又有何意義？「有關真實的存在的問題是物理學家們的一種信仰。然而科學並不取決於信仰，」他語氣堅定的說，「物理學的任務就在於對事務進行描述，而不在於求證其描述的事務的真實性，也不必去管這種真實性是否存在。」

    儘管有人指責他們不承認自我以外的任何真實，是陷入了一種唯心論唯我論的泥沼；也有人指責他們把理論僅僅當成行動的工具，是墜入了工具主義的迷途，但這 100餘位宣布要推翻傳統物理學的物理學家們還是引起了科學界的反響。巴黎科學技術歷史和哲學研究所的基多‧巴恰加盧皮說：「雖然這些研究工作清楚的表明，資訊的某些特性可以將我們直接導向量子結構，但目前看來，這些特性都還不具有決定意義。因為他們所使用的某些數學假設仍然缺乏確定性。」巴黎綜合技術學院認識論研究中心的米歇爾‧讓波爾則為「這曾經在20世紀70年代主宰物理學的現實主義浪潮的再次漲潮」而感到欣喜，他說：「這些研究工作證明和實踐了康德首倡的超驗論推論：即只有從認知局限的形式出發，才能實現認知。」

    無論如何，這一觀點目前尚不成熟。因為，即使我們原本以為的真實完全是或部分是一種幻象，那還必須要解釋，為什麼真實會具有這樣一種表象而不是別的表象。因此在資訊的基本概念上重新建構時間、空間乃至物質的概念，將是這一全新的物理學艱巨的任務。

通向量子引力學？

    這些物理學家們用愛因斯坦在1905年至1915年間完成的事業為例來激勵自己。起初，愛因斯坦這位年輕的天才為了建立自己的狹義新相對論而對那些高深玄妙的經驗方程（洛倫茲方程）進行了重新詮釋。兩年後，他在此基礎上又創立了廣義相對論，成了物理學的一根支柱。廣義相對論描述的是空間和時間的對稱以及萬有引力。然而，就像克里斯托弗‧福熙所強調的那樣：「很難想像一個人，即便他是愛因斯坦，能夠實現從洛倫茲變換這樣一個抽象結構到廣義相對論的直接飛躍。」

    愛因斯坦創立相對論是一個充滿吸引力的記錄：對於量子力學的重新詮釋會不會在將來的某一天超越這一記錄？資訊的概念能否協調量子力學與相對論的矛盾，並最終實現朝向「量子引力理論」的飛躍？這可是物理學家們的最高夢想。呂希安‧哈代已經走上這條道路。他在康斯坦茨大學首次介紹了他的「通往量子引力學的新途徑」。如果他能夠堅持到底，那將是對這一觀點的真正的確認。儘管這必將會讓物理學家們頭痛不已，但物理學教材將因此而徹底改變。

【我們曾經以為的客觀現實已經被打破，在這片廢墟上漸漸誕生了一門「新物理學」，這是一種以資訊概念為出發點研究萬物的學科。它雄心勃勃的想要重新定義時間、空間和物質。它的最終目標，就是探索一個新的世界---我們的世界。】

    「歡迎來到世界的源頭。」物理學家們孜孜不倦的研究著在微觀層次上主宰著我們世界的法則，為我們帶來了這樣一條令人暈眩的消息。他們承認，量子力學遠遠不能描述物質的屬性，它告訴我們的只是「資訊」。結論就是：雖然我們一直以為只要伸手出去就能觸及到世界的真實基礎，但就在我們伸出手去的那一瞬，這些真實的基礎便突然消失了，留在我們眼前的只是一種集體的幻覺、一種由我們自己的研究模式所造成的偽跡。

    這一切不由得讓人聯想到幾年前由沃卓夫斯基兄弟編導的三部曲電影《駭客帝國》（Matrix）。在這部影片中，無處不在的電腦程式控制了人類，讓他們以為自己生活在一個安詳的世界之中。然而那個世界卻是虛擬的。英國劍橋大學的數學家約翰‧巴勞在去年發表的一篇文章中，就描繪了一個「僅僅比我們的文明先進一點點」的文明世界。在那個文明世界中，人們「能夠模擬星辰的升落和星系的形成；通過整合生物化學法則，還能觀察生命和意識的進化、見證不同文明的成長並與他們溝通；人們努力的進行研究和探索，想要知道天空中是否存在著一個創造了他們的宇宙的凌駕於一切之上的超級程式員。」簡單的說，他提出了一種觀點，即我們可能只是一個巨大的電子遊戲裡的虛擬存在而已，這種觀點並不荒謬。只不過，在目前看來，這種觀點我們無法通過實驗來證明或駁斥它。和《駭客帝國》中的主人翁們相反，我們可沒有什麼紅色藥丸可以讓我們穿透電腦螢幕！既然如此，那麼構建這樣一個可能永遠只是假設的「超宇宙」又有什麼意義呢？

    不過，幾年來資訊學的洶湧澎湃對物理學造成了巨大的衝擊，這使一些人對該影片劇本的立意產生了濃厚的興趣。這是因為，如果我們能夠恰當把握其表達的思想，就有可能獲益良多：我們完全沒有必要像這些科幻作品中所描寫的那樣，為了尋求那超越表象的真實或為了揭開某個虛無飄渺的「超級程式員」的真面目而無畏的耗費我們的精力；相反，我們可以循著這一思路，重新定義我們與世界的物理關係，以便尋找一條與世界和諧相處的途徑。

    我們應該記住這樣一個道理，儘管這個道理好像是一句囉嗦的廢話：我們只能通過我們所掌握的關於現實世界的資訊去了解這個現實世界。「資訊是物質與抽象、真實與理想之間的仲介，」美國物理學家克里斯蒂安‧拜耶強調，「真實的物體，不管是一個原子、一個DNA分子，還是一本書或一架鋼琴，都是從資訊這種奇特的可壓縮的實體中迸發出來的，而資訊，在進行了一系列複雜的轉換後產生了意義，扎根在我們的大腦、我們的理智之中。」

19世紀的一場公開辯論

    想要理解世界，物理學家們的客觀性首先就與資訊密切相關。物理學不只是一種研究本質的本體論，它首先應該是一種方法論，它先應該研究的是，我們是以什麼方式去了解我們所了解的東西，並且應該研究與我們的認知相關的局限。漢斯認為：「如果我們能夠理解資訊的本質，並將其涵容於我們的物理世界模型之中，那將是我們朝著真正理解客觀現實這一目標邁出的第一步。」「一切皆源自信息？」（It's from Bit?）這是美國物理學家在1989年提出的一個口號，巧妙的歸納了物理學家們的雄心壯志。也許我們周遭的一切真的只是一個由0和1構成的巨大漩渦的表現？也許我們真的應該用純資訊學的術語去重新定義物理學的法則、重新定義空間、時間以及物質的概念？這一思想看上去如此離奇，但其實，早在19世紀下半葉熱力學奠基之時，就已經激起了一場紛紛嚷嚷的公開辯論。熱力學研究的是蒸氣機內部的熱流，當時建立這一學科的堅實基礎就是一些可測量的物理概念（比如能量、熱、溫度和熵），以及一些簡單明確的定律（比如能量守恆定律或熵增加原理），還有就是經過證明的能夠提高機械效率的一種有效係數。

熱力學的例子

    當時在物理學界一石激起千層浪的問題就是，這些主宰著宏觀物質的法則與分子的微觀屬性到底有何聯繫。奧地利物理學家路德維希‧玻爾茲曼是第一個通過提倡方法論的態度為解答這個問題掃清了障礙的人，他借助統計學研究，在1875年證明熵的概念---熱力學的中心概念能夠被解釋為對混亂程度的測量、對一個系統中每個分子位置和速度等未知資訊的量的測量。然而，正如蘇格蘭人詹姆士‧麥克斯韋所強調的那樣，「混亂，和與其對應的秩序一樣，並非物質本身的屬性，而是取決於觀察它們的人的精神因素」。也許那些具有天賦的感知力、記憶力和計算能力的超人才有可能了解分子的所有奧秘並為熵賦予一個虛空的值。這些物理學家可謂是信息時代先驅，他們不顧當時那些現實主義定義的捍衛者的尖叫和驚呼，大膽的斷言熱力學概念是「與我們所認知的外延相關的」，這些概念只存在於「僅具有中等認知水準的人的頭腦中，這些人能夠發現某些形式的能量，同時卻忽略了其他形式的能量」。

    這場辯論一直沒有定論。幾十年後，同樣的「本體論」和「方法論」之爭又隨著量子力學的誕生而展開了。在物質最深處發現的奇異性將物理學家們逼進了死衚衕，他們中的許多人早早的就預感到有必要換一個角度進行思考。不過，這要一直等到20世紀50年代初洛德·香農提出資訊數學理論，以及20世紀80年代中期該理論與量子理論發生碰撞之時，這種「資訊學的態度」才漸漸成為了科學研究的一個計劃。這個計劃之所以如此吸引人，是因為香農的理論和物理學都有一個共同的目的：最大限度的對資訊進行壓縮。事實上，在香農看來，這種壓縮是估算一條消息中所包含的資訊量的唯一方法；而在物理學家們眼中，這種壓縮就要求我們要找到能夠歸納儘可能多的現象的、具有足夠普遍性的法則和概念。儘管資訊的概念依然很難定義，但今天新一代的物理學家們已經準備好了要重新繼承麥克斯韋和玻爾茲曼的瀆聖的勇氣。

「時間，就是無知」

    只不過，如今他們要用資訊術語重新詮釋的是物理學用來描述世界的所有概念：空間、時間、物質、定律。要實現這個計劃，就不可避免的要對愛因斯坦用來描述物質、時間和空間之間關係的廣義相對論進行重新詮釋。進行這樣的重新詮釋，人們還沒有什麼把握。最困難的並不是空間概念。傳統上認為，空間一詞指的是物體在其中運動的幾何環境。但在卡爾洛‧羅維利看來，「空間就是關係」。這位任職于馬賽地中海大學的義大利理論學家證明了：從基礎的互動網路即資訊交換網路出發，就能建構一個擁有一切空間屬性的實體。這就有點像是古代軍人穿的鎖子甲，湊近一些觀察，就會發現它並不是一個平面，而是交織在一起的許多小球。為了得出這一結論，羅維利運用了源自「球體量子引力學」（這門正在興起的學科的目的是將量子理論和相對論統一起來）的一些方法。因此，一直被當作運動的範疇的空間，可以從資訊學的角度，被重新定義為無數數據本地傳送的結果。

    「至於時間。人們已經有了一些奇思妙想，不過仍然很模糊」，羅維利進一步解釋道。儘管如此，他還是和法國數學家阿蘭‧科納一起，揭示出時間流並不存在於微觀層次，而是產生于宏觀層次上我們那種對資訊進行壓縮的必然需要。更確切的說，只有忽略各種基本態之間的資訊差別，我們才有可能觀察到參數t，這個參數不隸屬於任何態，並且具有時間的所有特性。就像熵一樣，如果戴上資訊學的眼鏡去考察時間這個概念，就會發現它也取決於觀察者的資訊處理能力，它也是只存在於像我們這樣「僅具有中等認知水準的人的頭腦中」。可能時間並不是一個用來標記事件進度的獨立的流，而是我們沒有深入了解事件細節的能力的標誌！年輕的俄羅斯哲學家阿列克謝‧格蘭邦在其論文中也花了一部分篇幅來探討這個問題，他就此提出了一句令人驚駭的格言：「時間，就是無知。」

    那麼，對於物質和能量的概念又該如何重新詮釋？目前，人們暫未找到任何明確的途徑。但是，就像阿列克謝‧格蘭邦所強調的那樣：「電子或原子，它們首先是一些詞語，是普通語言中的一些詞彙；有了這些詞，我們就可以不去考慮這些物體到底是由什麼構成的。」而在方法論的浩大計劃中，就必須使用資訊術語對這些詞加以重新定義。也許有一天，會有一種新的理論能夠通過資訊概念將量子力學和廣義相對論統一起來，到那時我們就能找到答案了。而這正是英國物理學家呂希安‧哈代所接受的挑戰，為此他提出了一個全新的概念：「原因曲線」，也就是理解我們所具有的為湧入大腦的資訊提供邏輯解釋的意願。儘管目前我們還無法判斷這種「通向量子引力學的新途徑」是否正確，但這種「原因曲線」可以被看作是那些方法論新概念的範型，它們的使命就是全面主導物理學。在人類進入到「信息時代」的今天，物理學的目的不再只是描述世界的本來面貌，而更多的應該是描述我們那被困在顱骨之中的大腦為了理解世界所進行的頑強努力。物理學要作的，不再是通過方程式去對在時間和空間中運動的物質進行計算，而是要以我們為了掌握數據浪潮而做的有限但卻勇敢的努力為出發點，使這些概念顯現出來。說到底，物理學正在重新定義的，不僅是外部世界，而更多的是我們人類的境遇。是的，從某種意義上說，我們的確是被關在一個類似《駭客帝國》所展示的虛擬世界之中！但和影片所表現的不一樣，這個世界並不是一個普普通通的電腦程式；在與這個世界共處時，我們所得到的，就是我們自己對資訊進行計算的結果。這個結果不僅不能奴役我們，相反還能使得我們得到解放，防止我們被那洶湧澎湃於我們周圍的資訊巨浪所淹沒。而且，今天，新一代的物理學家們已經下定決心要解開這個結果的密碼。

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