Thursday, March 21, 2013

温度的相对论变换公式

温度的相对论变换公式

分析热力学的应用:

平衡态热力学中温度的相对论变换
 
沈惠川!

(中国科学技术大学天文与应用物理系统计力学中心,合肥"#$$"%)

("$$& 年’ 月() 日收到;"$$& 年($ 月") 日收到修改稿)

用分析热力学的观点和方法研究了温度的相对论变换公式,得到了与*+,-./,01-2341- 和54 6789+14 完全相同的

结果:! : !( ;!" !$

;分析热力学的特色和优点是,在推演过程中根本不需要!" : !( ;!!"$



这一可能引起争议
 
的和# : #$

这一显而易见的相对论变换公式,它们是作为附带结果出现的<

关键词:分析热力学,相对论热力学,平衡态热力学,热力学基本*81228- 括号

!"##:$#"$,$&(",$’)$

! 0=>,1+:2?4-?@1.?@,-A321-9?@,< 879< .-



2?4-?@1.?@,-A@23.< 45@
 
(B 引言

自(C$’ 年D< 01-2341- 发表相对论以来,物理学



家对热力学量的相对论变换已作了全方位的探讨;
 
但关于温度的相对论变换公式,从(C%# 年E< F33 开

始,至今仍有人在说“三”道“四”< 其中最主要的观点

有以下#,& 种:

(()*+,-./[(],01-2341-["],54 6789+14[#]认为

! : !( ;!" !$

, (()

(")0551-938-[&],F33[’],GH++47[%]认为

! : !$

!( ;!"

, (")

(#)I,-52J479[)—((]认为

! : !$

, (#)

(&)另有部分人(例如K< L< M4@J@79?)认为,!$

和! 之间没有确定的变换关系<

上述各式中!$



为热力学系统在相对于它为静
 
止的参考系"$

中的N4+O1- 温度,! 为该热力学系统

在另一个相对于"$

以速度$% :!%&( % : (,",#)运

动的惯性参考系"中的N4+O1- 温度;& 为光速<

需要说明的是,54 6789+14[#]证明*+,-./=01-2341-

变换公式! :!( ;!" !$

的方法与众不同< 根据相

对论["],当一位静止的观测者关注着以速度$% :!%&

(% : (,",#)运动的热力学系统时,系统内部某种周

期运动的频率"$



在此观测者眼里是
 
" : !( ;!""$

, (&)

紧接此式,54 6789+14 由

%6 ! : ’"< (’)

立即得到了与*+,-./=01-2341- 相同的结论< 式中%6

和’ : "#$ 分别为68+3P>,-- 常数和*+,-./ 常数<

I< 54 6789+14 由此建立了“单粒子”(+, Q,731.@+4 128+44)

的热力学理论<

我国学者谈镐生等人[("]和叶壬癸[(#—(’]于(CR"

年开始注意到有关温度的相对论变换方面的争论<

在*+,-./[(]和01-2341-["]的论文中曾指出,若将热力

学过程中外界对系统所做的元功#( 分解为容积)

变化所对应的元功( ; #5))与系统动量#$%



变化所
 
对应的元功(*·

$%

5#$%

)之和,则关于系统内能+ 变化



的热力学第一定律可写成
 
5+ : !5, ; #5) ; #$%

5*·

$%

, (%)

式中, 和# 分别为热力学系统的熵和压强;*$%



和
 
#$%



分别为系统作整体运动时的广义坐标和广义动
 
量,*·

$%

: 5*$%

5-

为广义速度;重复角标按01-2341- 约定

求和( % : (,",#)< 谈镐生等人的文章从另一角度出

发,证明了(%)式的正确性并重新得到了(()式;同时

还分析了0551-938- 和GH++47 的错误原因,并指出了

第’ 卷第% 期"$$’年% 月

($$$=#"C$S"$$’’($%)S"&R"=$)


物理学报
DTUD *EVWXTD WXMXTD
 
Y8+<’,M8<%,Z@-4,"$$’"



%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
 
"$$’T?1-< *?[2< W8.<
 
!"##$% 模型的正确处理方案! 谈镐生等人认为,在!"

参考系中的观测者看来,当!参考系中热力学系统

以速度&’#!’(( ’# $,%,&)运动时是有整体动量的,

因而’()*+,-* 所认为的“功和热量都是能量因而必



须符合质量的相对论变换公式”以及他所得到的
 
!) # !)"

"$ .!%

和!* # !*"

"$ .!%

都是错误的! 但是谈

镐生等人的文章对’()*+,-* 的错误原因分析得不

够透彻! 式中!)"

和!) 分别为在!"



参考系中和在
 
!参考系中外界对热力学系统所作的元功,!*"



和
 
!* 分别为在!"

参考系中和在!参考系中所观测

到的热力学系统吸收的元热量! 至于/01123 的错误



论证,谈镐生等人在文章中也有一句同样的关键话

没有说,即正确的处理方案应是先对实际热力学过
 
程进行4-32*,5 变换,然后再在两个参考系!"

和!

中取准静态极限;而/01123 的错误在于将这两种操

作次序颠倒了过来!

叶壬癸的文章则指出,所有依赖于!* #

"$ .!%!*"



推导出来的关于温度的相对论变换公

式,都是有毛病的;他从狭义相对论与平衡态热力学

之间的逻辑关系出发,指出关于温度的相对论变换
 
公式的正确形式应是617*89:’*;,2)* 的!

近年来丁光涛等($<=> 年),李复龄[$?]($<=<

年),聂金柱等($<<@ 年),高天寿[$A]($<<@ 年),王家

庆($<<? 年和%""" 年),张志远($<<? 年),以及陆全

康[$=]($<<A 年),高连歌等($<<= 年),刘发兴等($<<=

年),李慧($<<< 年),张有生[$<](%""$ 年),李延龙等

(%""% 年),也分别从不同角度讨论了这一问题!(请

查阅BCDE! *2, 和F8)2*82BG)*7! *2,! 8*)! 张有生在文

章中所说的“尚能取得共识的是:体系的粒子数+,

熵, 和压强- 是4-32*,5 不变量”,“体积. 是4-32*,5

收缩的”一席话与’*;,2)* 在文献[%]中的结论是一



致的;即
 
+ # +"

,, # ,"

,- # -"

,. #".$ ."

, (A)



式中
 
" # $

"$ .!% ! (=)

丁光涛等人和聂金柱等人的文章亦站在617*89:

’*;,2)*:(2 H3-+1)2 一边! 李复龄,陆全康,高连歌等人

和王家庆则与I,, 所持观点相同! 但值得一提的是

文献[$A]中的错误! 首先,文献[$A]用于讨论压强-

和温度/ 的相对论变换公式的基本出发点是分子运



动论中非相对论分子的近似表达式
 
- # %&

0J〈#〉,&%

’H / #〈#〉,

〈#〉# $%

1〈2%〉, (<)

式中1 为分子质量,0J 为热力学系统的分子数密

度,〈#〉为非相对论分子平动能的平均值,2’( ’# $,

%,&)为非相对论分子无规运动的速度分量! 由于参

考系!相对于!"

以速度&’#!’( 运动使〈#〉#



$%
 
1〈2%〉中的2’必须符合相对论速度相加公式,因

而经过简单的计算可以证明文献[$A]所说的“随机



速度平方的平均不随参考系变换而改变”根本是错
 
误的;从而为〈#〉# $%

1〈2%〉所作的统计平均也是根

本错误的! 利用- # %&

0J〈#〉和&%

’H / #〈#〉二式的



实质,就是仅考虑分子平动能的平均值,所以文献
 
[$A]与’()*+,-* 没有考虑“当!参考系中热力学系

统以速度&’#!’( 运动时是有动量的”所犯的错误

也是相同的,其结果/ #"/"

亦与’()*+,-* 错得相

同! 其次,因为文献[$A]的〈#〉相对论变换的错误,导

致- #"% -"

的更大错误;实际上如果用〈#〉相对论

变换是〈#〉#"$ .!%〈#"



〉的正确形式,则由分子数
 
密度的相对论变换公式0J #"0J



"
 
,正好可以得到“压
 
强- 是4-32*,5 不变量”的正确结果!

本文从分析热力学[%"—%%]的角度重新讨论平衡

态热力学中温度的相对论变换! 讨论的出发点是由

617*89 和’*;,2)* 的“将热力学过程中外界对系统所

做的元功#) 分解为容积. 变化所对应的元功

( . -(.)与系统动量-$’变化所对应的元功

(3·

$’(-$’)之和”得到的(?)式,以及617*89 所认证的



“同一系统在不同惯性系中的熵相同”(即“熵是
 
4-32*,5 标量”)这一普遍认同的假设! 其中,前一个出



发点作为相对论热力学第一定律的必然表达式尽管
 
为’()*+,-* 和I,, 所违反,但也没有被他们刻意否

认;他们以及/01123 的问题将在本文文末进行讨论!

另外,由于叶壬癸说过“所有依赖于!* # "$ .!%

!*"



推导出来的关于温度的相对论变换公式,都是
 
有毛病的”,所以本文有意避!* #"$ .!%!*"



这
 
一相对论变换公式! 同时,尽管文献[$A]中的结果-

#"% -"



是错误的,但本文在论证温度的相对论变换
 
公式时仍然避免提早使用- # -"



这一正确公式,而

宁可将其作为结论自然地推导出来;目的是不给人
 
?期沈惠川:分析热力学的应用:平衡态热力学中温度的相对论变换%@=&

以“蛮不讲理”和“强加于人”的错觉!

"# 分析热力学基础及其主要内容

关于不涉及系统整体运动的分析热力学["$—""],

其基础有二:一为%&’& 方程(在较为一般的开系中



是)
 
(! ) "(# * $(% +!& (’&



,
 
(( ) * #(" * $(% +!& (’&



,
 
() ) * #(" + %($ +!& (’&



,
 
(* ) "(# + %($ +!& (’&



ì

í

î

ïï

ïï
 
!
 
(,$)

二为-.//0 变分原理((1 23456.1 称为“7’849 变分原



理”)
 
!# ) $ !" # : $,

!( ) $ !" ( ; $,

!) ) $ !" ) ; { $!

(,,)

式中(,),* 分别为热力学系统的<16=>469? 自由

能,-.//0 自由能和焓;!&

,’&



分别为热力学系统的
 
化学势(或称为“热势”和“热力势”)和=46 数,& 为

组元编号;与前面一样,重复角标按@.8091.8 约定

求和!

实际上,%&’& 方程(,$)式就是微分形式的热力

学第一定律,而-.//0 变分原理(,,)式则等价于热

力学第二定律! 由(,$)和(,,)式,可以得到平衡态热



力学中的正则方程:
 
($

(’&

) *"!&

"%

,(%

(’&

) "!&

"$

, (,"’)

("

(’&

)"!&

"#

,(#

(’&

) *"!&

"" ! (,"/)

而由(,"’)和(,"/)式,又可得到平衡态热力学中的

基本%4.0048 括号

[%,$]

%,$ ) ,,[ #,"]

%,$ ) ,! (,A)

因而,熵# 和B16C.8 温度",容积% 和压强$,是两

对共轭正则变量! 但是,平衡态热力学中每对共轭正



则变量的乘积,其量纲都是能量量纲;它与经典力学

或量子力学中每对共轭正则变量的乘积其量纲都是
 
作用量量纲(或角动量量纲)完全不同!

进一步,从-.//0 变分原理还可以得到热力学

正则变换和分析热力学中的“准<’.6948DE’4/. 方

程”;不过,由于在平衡态热力学中!!!$ 以及

!*!$,因而热力学正则变换只有G 种而不是,H



种;同时,正是出于这一原因,分析热力学暂时还不
 
能纳入“2.3I>4&& 系统动力学”["A]的范畴!



由于分析热力学与分析力学一样,都是建立在
 
%&’& 方程,J1518(31 变换和变分原理的数学基础上,

因此所有在分析力学["G,"K]中讨论的事,也可以在分

析热力学或者“分析力学—热力学”中进行讨论! 例

如,分析力学中的“化<’.6948.’ 为动量的正则变换

技术”["H,"L]就可以用于分析热力学,以化简化学势

(正则函数)的表达式!

A# 整体运动热力学系统中的新的共轭



正则变量
 
在作整体运动的热力学系统(开系)中,其%&’&

方程是(,$)式的直接推广:

(! ) "(# * $(% * $"+

(,·

"+

+!& (’&



,
 
(( ) * #(" * $(% * $"+

(,·

"+

+!& (’&



,
 
() ) * #(" + %($ * $"+

(,·

"+

+!& (’&



,
 
(* ) "(# + %(% * $"+

(,·"++!& (’&



ì

í

î

ïï

ïï
 
,
 
(,G)

式中,·

"+

和$"+



分别为系统作整体运动时的广义速
 
度和广义动量! 由(,G)式可知(为简化书写略去脚标

+ 和&)

# ) * "(

" ( ) " %,, · ",’,

$ ) * "(

" ( ) % ",, · ",’,

$"+

) * "(

",· " ( ) + ",%,’,

!& ) "(

"’( ) & ",%,,·" !

(,K)



从而得到
 
[ $"+

,,·

"-

]%

,$ )"( $"+

,,·

"-



)
 
"(%,$)

)"( $"+

,,·

"-

)M"(%,,·

"-



)
 
"(%,$)M"(%,,·

"-



)
 
)
 
"$"+

" ( ) % ,

·"

"$

",· " ( ) - %



)
 
* "" (

"%",· " ( ) + ",%,, · ",’* "" (

",·

"-

" ( ) % ",%,, · ",’)"+-



,
 
即有基本%4.0048 括号:

[ $"+

,,·

"-

]%

,$ )"+-

, (,H)

"GNG 物理学报KG卷

式中!!"

为!"#$%&’" 符号( 上式(兼顾正则方程()*+)

和()*,))表明在作整体运动的热力学系统中,整体

运动的广义动量#!!

和广义速度$·!!



是一对新的共
 
轭正则变量( 由于平衡态热力学中每对共轭正则变



量的乘积,其量纲都是能量量纲,所以与广义动量
 
#!!

共轭的是广义速度$·!!



,而不是分析力学中的广
 
义坐标$!!



(
 
由()-)式,又有

[ #!!

,$·

!"

]%

,& .!( #!!

,$·

!"



)
 
!( %,&)

.!( #!!

,$·

!"



)
 
!(’,#)

·!(’,#)

!( %,&)



.
 
[ #!!

,$·

!"

]’,#

[ %,&]

’,#

.!!"



) (
 
于是又有基本/01220$ 括号:

[ #!!

,$·

!"

]%

,& .!!" ( ()3)

同理还有另两个基本/01220$ 括号:

[ ()

,"*

]’,# .!)*

, ()4)



和
 
[ ()

,"*

]%

,& .!)* ( ()5)

67 温度的相对论变换公式

回到本文讨论的问题( 以下标8 表示在相对于

热力学系统为静止的"8



参考系中的热力学量和力
 
学量( 根据相对论[*],动量的相对论变换为

#!"

.(!!" 9#$$! "

)#!

8! 9$%"

+8



,
 
, (*8)



而速度的相对论相加公式是
 
$·

!!



.
 
(!!" 9#$$! "

)$· !

8" 9$!%,

% ) 9$-

$·!

( 8- ) ,

( (*))

式中$!, . .! ( ! . ),*,-)为运动参考系"相对于参

考系"8

的运动速度,+8

为热力学系统在参考系"8



中的整体运动的能量,而
 
# . %*

% 9 )

,% . )

#) :$*

(或$*

.%* : )

%*

)( (**)



因为
 
!#!"

!#!

8"



. )
 
#) :$* .% (不对" 求和),(*-)

!$·

!!

!$· !

8!

. ) :$*

) 9$"

$·!

( 8" ) ,

* $ ) :$*

(不对! 求和),

(*6)



(其中用到了热力学系统“整体运动速度不大”或“取

准静态极限”的假设)所以,
 
!( #!"

,$·

!!



)
 
!( #!

8"

,$· !

8!



)
 
.!( #!"

,$·

!!

);!( #!

8"

,$·

!!



)
 
!( #!

8"

,$· !

8!

);!( #!

8"

,$·

!!



)
 
.!#!"

!#!

8"

·!$·

!!

!$· !

8!



. )
 
#) :$*

·() :$*

). #) :$* ( (*<)

又因为()3)式有



) .
 
[ #!"

,$·

!!

]%

,&

[ #!

8"

,$· !

8!

]%



8
 
,&8

.!( #!"

,$·

!!



)
 
!( %,&)

·!( %8

,&8



)
 
!( #!

8"

,$· !

8!



)
 
.!( #!"

,$·

!!



)
 
!( #!

8"

,$· !

8!



)
 
·!( %8

,&8



)
 
!( %,&)( (*=)

所以将(*<)式代入(*=)式后得到

!( %,&)

!( %8

,&8

). #) :$* .%:) ( (*3)

最后,应用/>+$&’的“同一系统在不同惯性系中

的熵相同”(即“熵是?0"%$@A 标量”)这一普遍认同的



假设,即
 
% . %8

, (*4)



就有
 
!( %,&)

!( %8

,&8

). !( %8

,&)

!( %8

,&8



)
 
. !&

!& ( ) 8 %8

. #) :$* ( (*5)



于是,
 
& . #) :$* &8 .%:) &8 ( (-8)

<7 几个附带的相对论变换公式

首先,根据基本/01220$ 括号()=)式,有

) .!( #!!

,$·

!!



)
 
!(’,#)

=期沈惠川:分析热力学的应用:平衡态热力学中温度的相对论变换*64<

!!( !!"

,#·

!$



)
 
!(%,!)

·!(%"

,!"



)
 
!( !!

""

,#· !

"$



)
 
!!( !!"

,#·

!$



)
 
!( !!

""

,#· !

"$



)
 
·!(%"

,!"



)
 
!(%,!)

!"# $!% ·!(%"

,!"



)
 
!(%,!)



,

即
 
!(%,!)

!(%"

,!"

)! "# $!% !"$# & (’)

将由容积% 的相对论[%]收缩公式(实际上源于长度



沿运动方向的收缩)
 
% ! "# $!% %" !"$# %" & (’)

代入(’)式,就自然得到

! ! !" & (’’)

其次,根据基本()*++), 括号(#-)式,有

# !!( &’,#’)

!( (,)) ! !( &’,#*



)
 
!( (,))

·!( ("

,)"



)
 
!( &"’,#"*



)
 
! !( &’,#*



)
 
!( &"’,#"*



)
 
·!( ("

,)"



)
 
!( (,))

! !( &’,#*



)
 
!( &"’,#"*



)
 
·!( ("

,)"



)
 
!( ("

,))



,

即
 
!( &’,#*



)
 
!( &"’,#"*

)! !)

!) ( ) " ("

! "# $!% !"$# & (’)

对/)0 数不变的系统(即“闭系”)来说,有

&’! &"’& (’)



此时有
 
#’! "# $!%#"’& (’)

从而,在单元“闭系”中,其3*44+ 自由能的相对论变



换是
 
+ ! "# $!% +" & (’)

既然在单元“闭系”中其3*44+ 自由能的相对论变换

是(’)式,那么对于所有热力学系统来说其3*44+

自由能的相对论变换都是(’)式&

最后,由) ! !,

! ( ) ( %,&,#·!

可知,内能, 的相对

论变换也与(’)式类似:

, ! "# $!% ," & (’)

同样,由"- ! )"( 可得,元热量"- 的相对论变



换是
 
"- ! "# $!%"-" & (’)

27 结论和讨论

(8)用分析热力学的观点和方法来研究温度的



相对论变换公式十分方便,而且在数学上十分严密;

分析热力学的特色和优点是,在推演过程中根本不
 
需要"- !"# $!%"-"



这一可能引起争议的相对论
 
变换公式,甚至连! ! !"



这一显而易见(但也有人

认为并非显而易见)的相对论变换公式都不需要,它
 
们是作为附带结果在本文中出现的& 与此相悖,若是

按照9::;<=00>? 理论将热力学第一定律表成通常热

力学中的(非相对论)形式,则利用容积% 的@)?>,:A

变换公式和压强! 是@)?>,:A 标量作为前提条件,仍

然可得到温度) 的@)?>,:A 变换公式是(0B,CD;

E*,+:>*,;F> G?)H0*> 的,而不是EFF*,H:),;9::;<=00>? 的&

(G)本文只有两个前提条件,即相对论热力学

第一定律(2)式,以及(0B,CD 所认证的“同一系统在

不同惯性系中的熵相同”(即“熵是@)?>,:A 标量”)这

一普遍认同的假设& 这两个前提条件由于其普遍性

而根本算不上什么“额外条件”& 从而,本文的结果更

具一般性& 同时,由于本文的结果与(0B,CD;E*,+:>*,;

F> G?)H0*> 的结论完全相符,反过来也说明,分析热

力学理论是完全正确的& 当然,分析热力学的两个前

提条件,即(IBII 方程(对应于热力学第一定律)和

3*44+ 变分原理(对应于热力学第二定律)也根本算

不上什么“额外条件”&

(J)本文中推演温度的相对论变换公式的关键

是(%1)式,而在计算(%1)式之前必先计算(%’)式和

(%.)式;关键的关键是相对论动量公式(%")式和速

度相加公式(%#)式即

!!"

!($$" K%!!$ "

)!!

"$ K!""

."



/
 
,
 
#·

!$



!
 
($$" K%!!$ "

)#· !

"" K!$"/

" # K!0

#·!

( "0 ) /

(后一式的通常形式即相对参考系沿#!

# ! #! 运动

时的形式为#· ! ! #· !

" K!/

# K!

#·!

"/

)& 注意,在进行(%.)式偏

导数运算之前不要急于将相对论速度相加公式(%#)

式化为通常形式,否则会导致错误结果& 这中间有个



“求导数运算和投影运动方向孰前孰后”的次序问
 
题,必须格外注意并弄清其中的物理含义&

%.62 物理学报1.卷

(!)一般来说,当问题中同时涉及相对论和热



力学时,相对论考虑和热力学考虑并不分孰前孰后;

但“平衡态”是一种近似,“准静态”则更是一种近似,

而近似处理在理论分析中总是放到最后一步才去实
 
现的" #$$%&’)& 的错误,表面上是对“系统动量!!"

变化所对应的元功(#·

!"

$!!"



)”未加考虑,但其本质
 
上则是将“*)+,&(- 变换”[在相对论热力学第一定律

(.)式中应用“相对论速度相加公式”(/0)式]和“取

准静态极限”这两种操作次序颠倒了过来:在(.)式

中不考虑( 1 !!"

$#·

!"



)这最后一项,实际上等同于过

早地使用了“取准静态极限”条件[用非相对论热力
 
学第一定律取代了相对论热力学第一定律(.)式]"

而2(( 和3455,+ 的错误,表面上是将相对论考虑置于

!$ 之中,但其本质也在于将“*)+,&(- 变换”(即相对



论速度相加公式及对其偏微商)和“取准静态极限”

(即对分母的近似处理)这两种操作次序颠倒了过
 
来;只是程度有所不同而已" 与#$$%&’)& 的错误稍

微不同的是,2(( 和3455,+ 的“取准静态极限”操作稍

晚了几步(但也没有“放到最后一步去实现”)" 此外,

3455,+ 过早地引入! 6 !7



,是导致他犯错的另一个原
 
因"由此可见,#$$%&’)&,2(( 以及3455,+ 的错误,包

括所有导致% 6!%7



的错误,都是这些作者违背相
 
对论所致;这一点在分析热力学中看得格外清楚"

(#)从逻辑上讲,本文所证明的相对论变换关

系与*8&$9:,+’的结果无关" *8&$9:,+’错误的本质,



在于他破坏了热力学第一定律必须具有不变形式这
 
一得到公认的前提;关于这一点,在;8-8+)<[/=]的书

中看得很清楚" 在所谓的“温度不变量的相对论热力



学”中,甚至连许多最基本的热力学关系式都需要重
 
写并且随着参考系的运动速度具有不确定性" 换言

之,在*8&$9:,+’和;8-8+)< 的理论中,相对论热力学

第一定律(.)式是不成立的" 在他们的理论中只承认

>58&?@ 的& 6 &7 " 由此可见,*8&$9:,+’和;8-8+)< 的

错误,包括所有导致% 6 %7



的错误,都是这些作者
 
破坏热力学所致" 至于*8&$9:,+’所提到的“两个相



互运动参考系中的观测者将各认对方参考系中的温
 
度降低,因而应有% 6 %7



”的佯谬,实际上与通常在

相对论讨论中出现的“尺缩钟慢”佯谬是同一类问
 
题" 这类问题已有许多人作了解释,故而不值一驳"

(A)本文的目的就是探讨温度的相对论变换,

因而行文之初就已排斥了认为“%7

和% 之

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