暗物質(zhì)之謎

目錄

• 簡(jiǎn)介

• 主持人致辭

• 主旨報(bào)告

• 秦波：世紀(jì)疑難——暗物質(zhì)之迷

• 邀請(qǐng)報(bào)告

• 陜歡源：引力透鏡 —— 宇宙中的“照妖鏡”

• 討論與交流

• 主要專家簡(jiǎn)介：

• 展開

【簡(jiǎn)介】

現(xiàn)代天文學(xué)觀測(cè)表明，宇宙中最主要的物質(zhì)組分是暗物質(zhì)，其占據(jù)了宇宙物質(zhì)總量的約85%，而我們所熟知的由質(zhì)子、中子、電子組成的普通物質(zhì)，只占15%。通過大量天文觀測(cè)，天文學(xué)家不僅已清晰給出了暗物質(zhì)存在的有力證據(jù)，而且可以比較精準(zhǔn)地測(cè)量出暗物質(zhì)在宇宙空間中的分布。但對(duì)暗物質(zhì)究竟是什么，人們迄今了解非常有限。揭開暗物質(zhì)之謎，將是本世紀(jì)最偉大的一項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)。本次沙龍邀請(qǐng)國家天文臺(tái)SKA科學(xué)部主任秦波研究員和德國波恩大學(xué)博士后研究員陜歡源，在沙龍上介紹了暗物質(zhì)研究領(lǐng)域的概念、發(fā)展歷史、研究進(jìn)展，并對(duì)相關(guān)問題進(jìn)行討論。

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【主持人致辭】

汪克敏：歡迎大家的到來?，F(xiàn)在天文學(xué)的觀測(cè)表明，宇宙中最主要的物質(zhì)組成是暗物質(zhì)，其占據(jù)了宇宙物質(zhì)總量的約85%，而我們所熟知的由質(zhì)子、中子、電子組成的普通物質(zhì)占15%。但暗物質(zhì)究竟是什么？如何揭開暗物質(zhì)之謎？是大家關(guān)心的熱點(diǎn)。下面請(qǐng)秦波研究員作主旨報(bào)告。

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【主旨報(bào)告】

秦波：暗物質(zhì)之迷——世紀(jì)難題

一、引言

各位專家好！新觀測(cè)手段，打開全新窗口，對(duì)舊知識(shí)體系有顛覆性和革命性。今天的物理學(xué)正處于一場(chǎng)重大變革的前夜。一百多年前，物理學(xué)天空的“兩朵烏云”催生了相對(duì)論和量子力學(xué)。物理學(xué)經(jīng)過百年的輪回，又一次處在了一個(gè)十字路口。揭開“暗物質(zhì)、暗能量”之謎，將是人類認(rèn)識(shí)宇宙的又一次重大飛躍，可能導(dǎo)致一場(chǎng)新的物理學(xué)革命。中國應(yīng)抓住歷史機(jī)遇，在這場(chǎng)物理學(xué)的偉大變革中有所作為。

圖1 X射線天文學(xué)：星系團(tuán)A2029（X射線vs 光學(xué)）

二、精確宇宙學(xué)

現(xiàn)代宇宙學(xué)的研究，對(duì)宇宙的一些基本問題有了一些了解：

1.宇宙的幾何是平坦的還是彎曲的？非常平坦，誤差僅2%

2.宇宙是在不斷膨脹的：從任何一個(gè)觀測(cè)者看，星系都在向外飛去，其速度與這個(gè)星系與觀測(cè)者的距離成正比。這個(gè)比例系數(shù)就是描述宇宙膨脹的基本參量——哈勃常數(shù)

H0 = 70.1 ±1.3 km/s/Mpc

3.宇宙起源于一個(gè)致密熾熱的奇點(diǎn)的大爆炸，宇宙的年齡 137 ±1 億年

4.宇宙的基本組分（按照質(zhì)能關(guān)系折算）

暗物質(zhì)：占22%

暗能量：占74%

普通物質(zhì)：僅占4%

圖2 宇宙的基本組分

在慶祝宇宙學(xué)成就的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)我們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)竟然如此少！人類的現(xiàn)有知識(shí)僅描述了宇宙組分的4%，而對(duì)~96%的組分基本不了解。

三、探測(cè)暗物質(zhì)

今后十年、二十年的必然趨勢(shì)： 由天文觀測(cè)轉(zhuǎn)向物理探測(cè)（即暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)）在實(shí)驗(yàn)室（地下、地面、空間）捕捉和探測(cè)暗物質(zhì)粒子，是最終揭開暗物質(zhì)之謎的必由之路，自九十年代末以來，國際上暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)已蓬勃展開。

圖3 三種探測(cè)暗物質(zhì)的方法

當(dāng)前物理學(xué)界探測(cè)暗物質(zhì)的方法主要有三種：

   ● 加速器物理方法：

    · 利用對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生暗物質(zhì)：歐洲核子中心的LHC（大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)），通過實(shí)驗(yàn)分析是否有暗物質(zhì)產(chǎn)生。

   ● 非加速器物理方法：

    · 直接探測(cè)方法：測(cè)量暗物質(zhì)粒子與普通粒子之間極其罕見的散射事例。

    · 間接探測(cè)方法：測(cè)量暗物質(zhì)粒子湮滅所產(chǎn)生的次級(jí)粒子。如 γ光子，正負(fù)電子e+ e-, 中微子。

圖4 全世界暗物質(zhì)地下實(shí)驗(yàn)分布（暗物質(zhì)直接探測(cè)）

目前國際上已有大量暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)在進(jìn)行，基本上是非加速器實(shí)驗(yàn)。相對(duì)于加速器實(shí)驗(yàn)，非加速器實(shí)驗(yàn)造價(jià)十分低廉。

我國暗物質(zhì)探測(cè)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀：

   ■ 起步相當(dāng)晚，進(jìn)步很大。

   ■ 利用得天獨(dú)厚的自然條件優(yōu)勢(shì)：中國錦屏隧道（當(dāng)今世界最得天獨(dú)厚的暗物質(zhì)地下實(shí)驗(yàn)室）。

   ■ 前景廣闊（從跟隨到引領(lǐng)，暗物質(zhì)空間探測(cè)，中國暗物質(zhì)粒子探測(cè)衛(wèi)星---悟空的重要發(fā)現(xiàn)---1.4TeV附近的尖峰，暗物質(zhì)湮滅信號(hào)）。

圖5 中國錦屏隧道—— 當(dāng)今世界最得天獨(dú)厚的暗物質(zhì)地下實(shí)驗(yàn)室

圖6 我國發(fā)射暗物質(zhì)探測(cè)試驗(yàn)衛(wèi)星—“悟空”

謝謝大家！

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【邀請(qǐng)報(bào)告】

陜歡源：引力透鏡---宇宙中的“照妖鏡”

各位專家上午好！暗物質(zhì)只參與引力相互作用，而不參與電磁相互作用，即不能發(fā)光，無法通過傳統(tǒng)天文觀測(cè)手段探測(cè)到，因此不依賴于天體“發(fā)光”的觀測(cè)手段就顯得尤其重要。根據(jù)愛因斯坦廣義相對(duì)論，當(dāng)背景光源發(fā)出的光在引力場(chǎng)（包括重子物質(zhì)和暗物質(zhì)）附近經(jīng)過時(shí)，光線會(huì)像通過透鏡一樣發(fā)生彎曲，這種現(xiàn)象被稱為引力透鏡效應(yīng)。光線彎曲的程度主要取決于引力場(chǎng)的強(qiáng)弱。通過分析背景光源的扭曲，可以研究暗物質(zhì)主導(dǎo)的引力場(chǎng)性質(zhì)，從而一窺“黑暗”宇宙的真面目。

一、暗物質(zhì)問題提出及發(fā)展歷史

   ◇ 1933年，美國加州工學(xué)院的瑞士天文學(xué)家弗里茲·扎維奇（Fritz Zwicky）通過對(duì)后發(fā)座星系團(tuán)的研究，發(fā)現(xiàn)星系外側(cè)的旋轉(zhuǎn)速度較牛頓引力預(yù)測(cè)的速度要快，指出暗物質(zhì)存在。

圖7 Fritz Zwicky，1898 -1974

   ◇ 隨后幾十年的觀測(cè)事實(shí)，大尺度星系邊緣物質(zhì)運(yùn)動(dòng)速度不是減慢而是與中心可見物質(zhì)稠密區(qū)一樣快，證實(shí)了有大量看不見的物質(zhì)（暗物質(zhì)）存在，并且有力的作用。

圖8 預(yù)示暗物質(zhì)的存在 — 星系旋轉(zhuǎn)曲線

二、探測(cè)暗物質(zhì)的方法---引力透鏡

根據(jù)愛因斯坦的理論，質(zhì)量使得時(shí)空彎曲，光線沿著時(shí)空中最短路徑行進(jìn)。因此恒星在天空中真實(shí)的位置與視線延伸有偏轉(zhuǎn)。這就是引力透鏡現(xiàn)象。1919年5月29日著名的愛丁頓團(tuán)隊(duì)日全食觀測(cè)，驗(yàn)證了愛因斯坦光線偏轉(zhuǎn)（太陽在明亮的畢星團(tuán)前，使得恒星的位置偏離夜間觀測(cè)位置）。由于暗物質(zhì)雖然看不見，但是也有引力作用，因此這一觀測(cè)方法可以應(yīng)用到大尺度宇宙學(xué)，用來觀測(cè)引力透鏡現(xiàn)象的前景物質(zhì)，即大質(zhì)量天體（包括暗物質(zhì)）。

從20世紀(jì)70年代開始的引力透鏡觀測(cè)方法，目前已成為暗物質(zhì)研究最重要的工具之一。

圖9 引力透鏡

圖10 天文觀測(cè)發(fā)現(xiàn)的引力透鏡現(xiàn)象

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【討論與交流】

主持人：感謝兩位博士的發(fā)言。咱們開始討論階段，可以自由發(fā)言提問。

鄒振?。?/strong>暗物質(zhì)有幾個(gè)參數(shù)可能是簡(jiǎn)并的。你圖上的排除線，排除的是哪個(gè)參數(shù)？

秦波：縱坐標(biāo)是作用截面，橫坐標(biāo)是質(zhì)量。

鄒振?。?/strong>是理論上預(yù)言的？

秦波：實(shí)驗(yàn)有獨(dú)立性，不管理論預(yù)言怎么樣，都可以繼續(xù)測(cè)。

鄒振隆：那就是不管質(zhì)量如何，主要約束截面了？

秦波：不是，是在不同的質(zhì)量段，而且很敏感，原因是我們實(shí)驗(yàn)用靶粒子是超過一個(gè)截面的，原子核大概是100倍氫原子。暗物質(zhì)粒子打過來的時(shí)候?qū)性雍舜蝻w，它越重，信號(hào)越好，所以設(shè)計(jì)的時(shí)候，要用核比較重的惰性氣體。

鄒振?。?/strong>也是改善靶標(biāo)的性質(zhì)？

秦波：這就是清華他們賭的那個(gè)，所有的都是針對(duì)大質(zhì)量，比如說100倍的氫原子質(zhì)量，往上走的，所以設(shè)計(jì)在低質(zhì)量端是個(gè)缺陷，對(duì)低質(zhì)量的敏感，它可以做到最好，它押的是這個(gè)。

蔣世仰：太陽系里面的暗物質(zhì)，一定是比太陽質(zhì)量的1%還要少，說不定暗物質(zhì)非常稀有。

秦波：九大行星的開普勒運(yùn)動(dòng)速度曲線，說明太陽系里暗物質(zhì)的確非常稀有，但星系轉(zhuǎn)動(dòng)速度曲線和星系團(tuán)速度彌散分布表明暗物質(zhì)在大尺度上占主導(dǎo)。

蔣世仰：就是說知道是兩種不同的分布曲線，說不定反過來證明，在太陽系探測(cè)到暗物質(zhì)概率很低，會(huì)不會(huì)最后是浪費(fèi)錢。

藍(lán)松竹：我有個(gè)問題，像星系，重子物質(zhì)分布大尺度上是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的，暗物質(zhì)會(huì)不會(huì)也是這樣分布？

秦波：沒錯(cuò)，是這樣的。

藍(lán)松竹：是不是也是伴隨重子物質(zhì)一起分布的呢？

秦波：大尺度上是這樣的。

林元章：天文上的觀測(cè)比較肯定。我的問題，現(xiàn)在物理學(xué)界相信暗物質(zhì)存在的，有百分之多少？

秦波：全部。

林元章：那就是說相信天文學(xué)的結(jié)果。

秦波：當(dāng)然，必須相信，沒有選擇。

藍(lán)松竹：還有一個(gè)問題，現(xiàn)在是所謂21世紀(jì)的兩個(gè)幽靈，一個(gè)是暗質(zhì)量、一個(gè)是暗能量。那么它們二者之間有沒有物理學(xué)上的聯(lián)系？

秦波：這個(gè)理論家在做，比如說是不是有什么關(guān)聯(lián)，但目前一般的觀點(diǎn)，這兩件事是分開的，暗物質(zhì)就是物質(zhì)，暗能量是真空的排斥作用，只要是真空的話它就在排斥，而暗能量的本質(zhì)更不清楚。

王柏懿：我們更是門外漢了，剛才聽了天文臺(tái)的老同志都對(duì)暗物質(zhì)好像感覺是有點(diǎn)疑問，那我們作為小學(xué)生，就先接受大家的看法，暗物質(zhì)是有的。我的問題都很小兒科，第一，到底暗物質(zhì)在宇宙里怎么分布？是均勻分布還是像星系有螺旋那樣？這個(gè)我特別想知道。第二，就是說你們剛才講很多，我們普通物質(zhì)，有幾個(gè)說法，一個(gè)是普通物質(zhì)不到15%，可您剛才又給了我一個(gè)數(shù)據(jù)，就是說暗物質(zhì)是22%，暗能量74%，普通物質(zhì)4%，這個(gè)差太多了，我不知道應(yīng)該接受哪一個(gè)百分比？第三個(gè)問題，你剛才說到這個(gè)數(shù)密度，在每立方厘米里面，我們周圍，每立方厘米是0.4個(gè)氫原子，就在我們的周圍，每立方厘米的氫原子的數(shù)是多少？這樣我就有比較確切的概念了，到底是0.4個(gè)數(shù)密度大概是多少？還有你剛才講到這個(gè)，我可以通過一些物理的監(jiān)測(cè)，而不是通過天文的方法來探測(cè)這個(gè)暗物質(zhì)的存在，那么你講了一個(gè)湮滅條件，談到湮滅的話會(huì)發(fā)出光子，正負(fù)質(zhì)子一碰就湮滅了，所以我不知道它的湮滅和我們常常認(rèn)識(shí)到的淹沒是什么關(guān)系？

另外暗物質(zhì)和暗能量，一般我們理解，沒有靜止質(zhì)量就是運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，那么所謂的暗能量是指沒有靜止質(zhì)量的暗物質(zhì)具備的占這么多，還是怎么樣？我就是一點(diǎn)都不懂，提一些小兒科的問題，想通過這個(gè)事兒知道一些。

秦波：首先暗物質(zhì)不算在已知的物質(zhì)組分里?，F(xiàn)在這個(gè)圖餅叫宇宙能量的總組分，暗物質(zhì)和普通物質(zhì)（都可用質(zhì)能關(guān)系折算為能量）一樣驅(qū)使宇宙收縮，而暗能量驅(qū)使宇宙膨脹，兩個(gè)共同作用，決定宇宙是怎么樣運(yùn)動(dòng)的，所以在宇宙學(xué)里，就能量組分而言，總是把暗能量算一塊（占74%），普通物質(zhì)算一塊（占4%），暗物質(zhì)算一塊（占22%），如將普通物質(zhì)和暗物質(zhì)打包（26%），里面暗物質(zhì)占85%，普通物質(zhì)約15%。

王柏懿：暗物質(zhì)的所占的能量，那我就理解了，我現(xiàn)在搞明白了。那你的標(biāo)題不對(duì)，你不能寫基本組分，那應(yīng)該說是它能量的分配，不同組分的能量的分配，我剛才很仔細(xì)看你是組分，我看的是成分。你是指能量的分布，暗物質(zhì)占多少暗能量。

秦波：關(guān)于粒子湮滅的問題，是說它都有一個(gè)很小的，兩個(gè)碰到一塊兒的時(shí)候，它有一定的概率，包括γ光子，正負(fù)電子、中微子都有。

王柏懿：你指的湮滅是自己之間，所有它倆碰上了就湮滅。那你又說暗物質(zhì)的粒子是沒有碰撞的。

秦波：這個(gè)是非常非常小的概率，極其小的概率。

孫克忠：為這個(gè)報(bào)告，我特意看了一些暗物質(zhì)的知識(shí)，我看到日本測(cè)的暗物質(zhì)在地下一千米。

秦波：他們指的是等效水。

孫克忠：暗物質(zhì)穿透能力大概多大？

秦波：地球都可以穿。

孫克忠：為什么要在洞里？

秦波：要屏蔽宇宙線。這個(gè)很麻煩的東西，要找非常非常純凈的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，這個(gè)很難很難。

單煥炎：我是外行，對(duì)暗物質(zhì)、暗能量還有一個(gè)反物質(zhì)，對(duì)吧，我的印象當(dāng)中反物質(zhì)比較好理解，對(duì)暗物質(zhì)、暗能量只是知道一些很奇奇怪怪的特性，這些特性究竟怎么得出來的？根本什么理論角度非要提出暗物質(zhì)這個(gè)理論？你剛才也講到，從星系里面的運(yùn)動(dòng)的速度，一般的引力做不到的，好像這點(diǎn)的說服力，我覺得還不是太夠，從理論上來說，我覺得不是太夠。

上個(gè)世紀(jì)初，光學(xué)里面有個(gè)黑體輻射，當(dāng)初也是一個(gè)物理學(xué)的難題，解釋不了這個(gè)曲線為什么是這個(gè)形狀的？人家理論物理學(xué)家去推，一個(gè)叫維恩的人只推到一半，是符合的，另外一個(gè)人，是瑞利金斯，根據(jù)當(dāng)時(shí)的理論推的，推的另外一段，當(dāng)時(shí)就不能全部的把共識(shí)完整的推導(dǎo)出來，結(jié)果是普朗克提出了量子概念，符合得非常準(zhǔn)確，所以這個(gè)說明了什么東西呢？這些速度，不是像我們?cè)瓉淼囊?chǎng)這個(gè)服從的規(guī)律的話，它說不定還隱含另外一種規(guī)律，不一定是暗物質(zhì)、暗能量。這是打個(gè)問號(hào)，我的話不一定對(duì)，這是我的一個(gè)疑問，一個(gè)問題。這好像給我一些當(dāng)年在光學(xué)里面，要提出一個(gè)以太，非要用以太光才能傳播，當(dāng)初的理論就是這樣的，后來否定掉了以太的理論，所以剛才呢，我有一個(gè)問題呢，你既然得出了這些理論依據(jù)，一定要讓我相信，是準(zhǔn)確的從哪兒得出來的，而且15%和18%，比例怎么得出來的？還有提出暗物質(zhì)的奇奇怪怪的特性，這是我們平時(shí)一般比較難以接受的這樣一些特性，這是一個(gè)問題。

單煥炎：能量是個(gè)標(biāo)量，有個(gè)交大的教授說，標(biāo)量沒有負(fù)值，我覺得這點(diǎn)是錯(cuò)誤的。另外一個(gè)，你看看啊，你地球的引力的勢(shì)能就是負(fù)的。還有一個(gè)，氫原子的能級(jí)也是負(fù)的。

秦波：那只是為了標(biāo)定，定義無窮點(diǎn)為零，兩碼事兒。

何遠(yuǎn)光：根據(jù)秦老師講的，我認(rèn)為我們現(xiàn)在是測(cè)不了的，你這個(gè)特別小，可以穿過去，因?yàn)槟惆凶雍苄?，粒子很重，速度很快，那打什么東西都打出去了。

秦波：就是說咱們一定要拋棄掉你想象中的它的幾何，這個(gè)東西到底大小有多大，粒子物理全部是用的反應(yīng)截面，截面就是概率，這個(gè)東西是一個(gè)定量的描述。所以就看概率有多大。

單煥炎：那就是說暗物質(zhì)和正物質(zhì)還是起碰撞作用，就是概率小而已。

秦波：把強(qiáng)力扔掉，把電磁力扔掉，就是個(gè)弱力。除了引力以外，存在比較弱的弱相互作用。就是四大相互作用里面，它有兩種相互作用。

藍(lán)松竹：我覺得你那個(gè)碰撞實(shí)際上就是個(gè)偶然事件，我們探測(cè)這個(gè)偶然事件發(fā)生的概率有多大？如果碰撞概率非常小，就說明密度一定很低。另外呢，我還覺得是不是可以這樣理解？就是現(xiàn)在我們叫暗物質(zhì)也好，暗能量也好，是因?yàn)槲覀兡敲炊嗟挠^測(cè)，解釋不了，說有一個(gè)東西，我們不知道的，所以這樣就加暗物質(zhì)了，暗能量了。

蔣世仰：是這樣的。

藍(lán)松竹：你比如說剛才說的那個(gè)星系的運(yùn)動(dòng)，要按理論應(yīng)該是逐漸的衰弱下來，現(xiàn)在實(shí)際觀測(cè)不是啊，你總得給它一個(gè)解釋吧，那還有一團(tuán)物質(zhì)影響了它，使得它變成了這樣，所以這樣的話，就是說我們是根據(jù)觀測(cè)的結(jié)果，現(xiàn)有的理論又解釋不了，怎么辦呢？叫暗物質(zhì)也成，黑物質(zhì)也成，只不過因?yàn)橐呀?jīng)說了把那個(gè)叫暗物質(zhì)了，就沿用下來我們叫暗物質(zhì)。

秦波：這是我們的結(jié)果，這下面的實(shí)驗(yàn)都是沒做的實(shí)驗(yàn)，液氙作為靶子，惰性氣體，比如說等一年，它有一個(gè)反沖，有好幾種信號(hào)，大概三種信號(hào)，都確認(rèn)了以后，大概認(rèn)為這是一個(gè)有效的信號(hào)，等了一年，說明這個(gè)概率是比較低的，排除掉了，如果是在這個(gè)位置，那就一定探測(cè)到了，我沒探測(cè)到，就表示它的作用截面和這個(gè)暗物質(zhì)質(zhì)量的參數(shù)空間的話，做得越低，越小，說明你的靈敏度越好，我們測(cè)一年也沒測(cè)出來。正結(jié)果負(fù)結(jié)果都是很好的實(shí)驗(yàn)，正結(jié)果就拿諾貝爾獎(jiǎng)，負(fù)結(jié)果就是一個(gè)約束。

林世昌：因?yàn)槲腋汶娮拥?，電子也看不見，現(xiàn)在能看見，而且電子確認(rèn)有用，量子也上來了，那么能不能預(yù)示一下。

秦波：現(xiàn)在先認(rèn)識(shí)它是什么東西再說。

林世昌：對(duì)我們?nèi)祟悤?huì)起太大的作用？

秦波：這個(gè)問題太早了，得知道它是誰，這已經(jīng)是不得了的事情，100年物理最大的事情。

藍(lán)松竹：現(xiàn)在觀測(cè)，根據(jù)現(xiàn)象賦予了一些性能，至于它本身還有什么性能，根本就不認(rèn)識(shí)。

林世昌：好多人說認(rèn)識(shí)早著呢，到底有沒有靈魂，有沒有氣場(chǎng)？那么暗物質(zhì)可能是個(gè)科學(xué)，不能相比，到現(xiàn)在為止，說老實(shí)話，我還不知道什么玩意兒？到85%，這個(gè)85%怎么來的？

秦波：是從觀測(cè)星系團(tuán)得來的，宇宙中沒有比它大的體系了，這里面的組分就肯定是代表性了，我覺得測(cè)這里面的普通物質(zhì)多少、暗物質(zhì)多少，都可以很精確的測(cè)出來，不用懷疑，15%。

主持人：由于時(shí)間關(guān)系，咱們的討論就到這兒，我們以后還可以交流，時(shí)間關(guān)系今天討論到這兒。

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