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大家好
我是爱谁谁
咱们上期跟大家说了肖克利这个人物
我们继续
一九五七年
发生了一个著名的事件
肖克利的公司呢
发明主要的员工集体跳槽了啊
他这个性格的人呢
看来没有人愿意跟他合作呀
这就是硅谷历史上著名的叛逆八人帮
他们在一个摄影器材公司老板的资助下
开了一家新的公司
叫做仙童半导体公司
仙童半导体公司呢
只用了短短两年的时间
就研制出了集成电路
从而彻底的改变了整个电子的行业
甚至说整个世界的面貌
这八个人离开以后
肖克利的公司呢
就一蹶不振
一九六零年呢
肖克利被迫卖掉了自己的公司
然后去斯坦福大学当教授啊
人家毕竟是这个诺奖的获得者
不可能说是失业没饭吃了
肖克利呢
到了晚年
他还犯了一个问题
就是种族歧视
他写了一篇论文
宣称黑人的智商平均要比白人低百分之二十
这番言论立刻在全美国掀起了轩然大波呀
那可是在美国
愤怒的黑人学生在校园里焚烧了肖克里的画像
那么这八个人都是谁呢
咱不说所有人啊
咱就说一个特别有名的人
叫做摩尔
摩尔呢
离开了仙童公司之后
创办了一个专门生产半导体芯片的公司
这就是大名鼎鼎的英特尔公司
摩尔不仅是英特尔公司的创始人之一
同时也是摩尔定律的提出者
摩尔定律什么意思呢
就是说
当价格不变的时候
每过两年
半导体芯片上所容纳的晶体管数目便会增加一倍
这就意味着一个芯片的计算能力每过两年就会翻一番
也就是说
经过五十多年的发展
与最早的集成电路相比
现在的芯片计算能力已经提升了两亿多倍呀
这就是为什么今天区区一个iphone的手机计算能力呢
就已经超过了上世纪六十年代美国人登陆月球所用的全部计算资源
没有摩尔定律
今天信息时代的日新月异的生活
那就没有
目前最小的芯片的尺寸已经做到了十纳米
也就是一米的一亿分之一
照这个速度发展下去
到二零三零年
晶体管就会变得只有一个原子那么大
到那个时候
我们之前讲过的不确定性原理就会起作用
直接干扰到这些晶体管的运行
也就是说
二零三零年以后
或许半导体芯片就会停止发展了
这就有点像三体中质子的封锁
咱们记得三体中质子封锁了地球的这个科技
你没法去研究量子层面的东西
因为有质子在
它会干扰你
所以咱们记得一个情节
那么西欧思冬眠起来啊后
我问珊珊惠子
你们居然从摩尔定律中又榨出来的东西
就是他们把计算机连到一起了
咱们记那个情节
现在人类在二零三零年之前呢
就得专心的搞这东西了
不然就相当于质子封锁了
因为你没法处理后来那么庞大的信息量啊
咱们这提一下
之前说的二极管
相当于一个简单的开关
三极管
它是会放大信号的
在集成电路里面
放大信号的功能是非常重要
因此咱们之前提到的三极管
它就很重要
还有
我们要提一句
为什么会有光子和原子呢
这个问题
物理学家并没有给出答案
我们只是知道
在目前我们已知的这个世界里
有光子
也有原子
有了光子
这个世界就有了颜色
光子是电磁波最小组成部分
我们已经将这个电磁波应用于很多方面
有了原子呢
才有了地球
才有了行星
才有了太阳和其他很多的物质
以及人类
也许在另外一个世界里没有光子和原子
只是在我们世界有
但是人类目光所及之处
就是啊现在的这个样子
未来呢
未知的东西还在等着我们
我们前面已经讲了两个量子力学的应用
激光和半导体
他们都已经在现实世界里出现了很多很多年
咱们回答一个问题吧
两束激光照在一起
它会发生什么呢
哎
基本不会发生什么反应
它们只是对穿而过
然而呢
当我们把它们的亮度调到非常高的时候
让它们对穿
两束激光还是会发生反应的
下面我们再讲一个比较科幻点的东西
就是在现实中世界没有出现的应用
那就叫科幻嘛
叫量子传输
咱们都用过这个普通的复印机
如果有一张照片或者是一张写满字的纸
那么用复印机
咱们就可以复印出很多东西
事实上
在宏观世界
或者说经典世界中
不管什么东西都是可以copy的
不论是房子
汽车 飞机
还是人体器官
用三d打印技术都可以分毫不差的把它们复制出来
换句话说
在经典世界中
我们只需要事先准备一堆原材料
然后把一个物体的信息全部复制到这堆原材料里面
就可以造出一模一一样的东西
了
但在微观世界
或者说在量子世界中
一切都不一样
咱们之前说了
一种是经典是物理
一种是量子物理嘛
一九八二年
三位物理学家发现了一个很重要的定理
叫做什么量子不可克隆定理
他说的是
在量子的世界里
没有一个东西可以完全的被复制
换句话说
你没办法拷贝像一个电子
一个原子
一个分子那么小的东西
虽然量子不可克隆定理禁止了微观世界中的拷贝
但是它却没有禁止微观世界中的传输啊
也就是说
在量子世界中
你还是可以把一个微小的物体的信息全部复制到一堆原材料里
从而制造出来一个一模一样的东西
但是与经典世界不同的是
原来的物体一定会被破坏掉
你拿一张纸去复印
那么你能得到两张
你打印一个三d打印的东西
你会得到两个原本的和你新打印出来的
但是量子世界是原本的被破坏
而新的一模一样的东西就出现了
最终的效果就是
一个物体会突然从自己原来的位置消失
与此同时
另一个地方会突然出现一个一模一样的东西
所以
从理论上来说
人类可以制造出一台量子传输机
当你走这个机器里面啊
机器开动起来
原来的你呢
变成一堆垃圾
与此同时
在另外一个星球
有一台与之配套的这个机器
里面有一堆物质会突然得到你的全部消息
然后变成了你就走了出来
如果能掌握这种瞬时的量子传输技术
那么人类呢
就可以实现科幻电影里面的常见的这种空间旅行了
如果人类的大脑是一台量子计算机
我们可以把一个人的大脑传输到另一个地方去
那么在那个地方出现的人
还是原来的人
因为我们知道
根据量子不克克隆定理
原来的这个人会被毁灭啊
他就会出现另一个地方
这是可以做到
著名的科幻电影星际迷航中就有一个场景
这个可克船长和他的手下走进一个房间
一束光呢打下来
然后他们就消失不见了
最后又出现在另一个地方
这个过程就是典型的量子传输
通过一台量子传输机
瞬势的把他们传输到其他地方
在实现量子传输之前呢
其实我们是不知道被传输人的感受是如何的啊
就像我们做任何事情一样
你都得先有了
你才知道那比如制造出这个超音速飞机之前
我们都不会知道这个飞行员的感受是怎么
具体是怎么样的
你只能猜
所以说啊
无论怎么样
无论是你制造出来这个量子传输机
还是说人类的大脑就是一个量子计算机
我们有这种办法
把人的大脑的里的全部信息复制过去呢
还是把你整个人变成量子的这个所有的信息复制过去呢
都能够实现这个
它是两种途径
一种是把你大脑里所有的记忆
那身体可能不是你的这个身体了
但是你的记忆全部过去了
二一个就是你的记忆连着你的身体全部过去了
反正吧
量子传输应当是忠实的传输
就是把一个物体传到另一处
得到的新物体和原来一模一样
那么能不能改变被传输的人呢
还是应该可以的
但是实现忠实传输之后的
这是下一步的事情
我们现在连传输还没做呢
不可能说考虑下一步
继是
那么阿凡达里面传输的就不是一个人的身体了
而是他的灵魂了
或者叫他全部的记忆
利用一台棺材似的量子传输机
男主角的这个灵魂呢
被传输到阿凡达的身体里
让他得以脱离双腿瘫痪的身体
在潘多拉星球上自由奔跑
咱们记得那个熟悉的场景
刚开始他颤颤巍巍
后来呢
开心的跑起来
潘多拉星球的土著呢
后来也利用他们自己的土办法
嗯
帮助这个男主角呢
把灵魂永远的留在了阿凡达的体内
其实啊
量子传输已经在真实的世界中
就人类的世界中实现了
一九九三年
六位物理学家想出了一个用量子纠缠来实现量子传输的办法
这个办法非常深奥
我们这就不讲
就说利用这个办法
一群奥地利的物理学家们在一九九七年首次实现了量子传输
不过他们传输的东西非常简单
只有一个光子
而且传输的距离也很短
只有一个普通实验室的长度
经过了近二十年的发展
今天人类创造的量子传输最远距离记录已达到三百四十公里
相当于武汉到长沙的距离
也就是说
你把光子放到一台位于武汉的量子传输机里面
它就可以穿越时空
瞬间出现在三百四十公里之外的长沙
当然
我们不能高兴的太早
因为目前人类一次传输的光子数目最多是十二万八千个
你说这数目已经听着挺多的了
这离传输一个人呢
有多远呢
咱们下面简单估算一下
看看咱们人体内大概包含多少个原子
咱们知道人体的主要成分是水嘛
小孩身体里大概七成豆水
大人呢
大概六成豆水啊
为了简单起见
我们假设人体内百分百都是水
这样算出来的结果
在量级上上肯定是正确嘛
因为太多了
所
所咱们忽略略
那百分之几十水呢
是由这个水分子组成的
一个水分子里又包括两个氢原子和一个氧原子
也就是三个原子
通常这样的估算
我们发现
七十公斤
也就是一百四十斤的普通人体内
大概有七千亿亿个原子
这个
这个数字好像没什么概念
好大
但是我就知道它好大
具体怎么大
谁都不知道
那么我们简单说一下吧
银河系非常大
大家都知道
就连速度最快的光
从一头跑到另一头
要画上十万年
让如果我们找七千亿亿亿个亿米高的人
让他们头对头脚对脚的这么躺成一排
那他们连起来就可以绕银河系二百多万圈
现在是不是有一些概念
目前人类一次能传输的光子
咱们刚说了
最多十二万八千个
但是一个普通人体内却有七千亿亿亿个原子
所以
就我们人类目前的科技而言
不要说瞬间传输一个人了
就算瞬间传送一个盒子
那都是天方夜谭
如果你听说谁做了这个量子传输
传输一盒子什么之类
都是假的
一定是假的
咱们再说一概念
就是所有的物质里面都有原子核
咱们知道
因为都是原子嘛
包括电子产品
但电子产品是没有利用到原子核的
因为我们人类没有到那个微观尺度
就是用它来做应用技术
现在还不存在用到了原子核的芯片
也许有一天我们会利用这个原子核来做芯片
但是那个时候的芯片已经不是现在的芯片
应该叫做量子芯片
我们之前说用经典物理
你去用摩尔定律你去做
那肯定会受到量子世界的干扰
那么你就得做量子的芯片
那么就一定用到这个原子核
我们还要说一个
就是原子核和原子在一起的时候呢
原子核要么带走原子中的电子
要么就跟啊原子中的原子核发生反应
具体要看它跟这个原子核离得说有多近
就是原子核原子核离度有多近
这些我们都是要知道的概念
量子传输吧
咱们再说几句
就是它不可能达到时光机的效果
呃
有些人会把这个概念搞混
就是它不可能让我们回到过去的
之前我们讲到虫洞
就是说
只有今天的人搞出了虫洞
那么未来的人才可能过来
但是今天搞出虫洞的人绝对回不到古代
因为古代人没有搞出虫洞
所以是这么一回事
所以回到过去只是一个奢望
不可能回到过去的
另外
咱们说一句
虫洞不是物质啊
它是一种空间的形态
是空间的一种形态罢了
虫洞它千万不要把它想成是一个啊空间呢
开了个洞什么之类
那就想错了
另外
咱们说黑洞
不是洞
它是个天体
黑洞是没有特殊外形的
所有黑洞的外形都是由它的质量和旋转所决定的
当在质量和旋转决定了以后
那所有的黑洞都长得是一模一样的
而且你还看不见它
你得通过其他办法
像上次拍那照片
那只是黑洞辐射出来的热罢了
不是说黑洞就长那样
我们继续说计算机吧
今天我们生活已经离不开这玩意了
不论是台式电脑还是笔记本电脑还是智能手机
还是我今天给大家录节目的这些东西
本质上都是计算机
机器设备
还有就是里面的这些软件呀等等这个算法呀
这些东西
存储
那我们知道计算机里面有一个部分叫存储器
那就常说的硬盘
就跟我之前卖的u盘是一样的
就其功能呢
相当于一个货架
用来放各种各样的数据
另外还有一个部分呢
叫做处理器
也就我们常说的CPU
它可以用来对存储器中的这个货架上的数据进行一些处理
从而得出你想要的结果
不论是存储器还是处理器
你都只是计算机的硬件
你要想让这计算机真正派上用场
需要软件
也就是说对计算机下命令的指令集
计算机里面也有很多指令集的
其中最简单的
那就是加法嘛
把两个数加到一起
至于减法
乘法和除法
都是可以通过加法来实现的
哈 举个例子
乘法其实就是加法的累积嘛
比如一乘二相当于一加一
那么一乘三相当于一加一再加一
至于减法和除法
其实就是把加法和乘法颠倒过来
那么有了加减乘除
就可以让计算机做这个更复杂的事情
你比如解个方程
算个微积分
画个图
播放视频等等的
总之吧
计算机最核心的工作原理就是从最简单的加法算起
也就是加法运算
不管多复杂的计算机指令集
归根结底都是在做加法
不过在做加法之前呢
还有一个很关键的问题要解决
那就是用计算机里面的原件来表示数字
说到这儿
表示数字是一件非常难的事情
为什么
大家想想
二进制出来之前
人类是不可能有计算机的
是没有计算机的
也就是说
那时候人类都是十进制算法
这计算机
咱知道
用不了十进制
为什么呢
因为你要想表示从零到九这十个数字
你必须造出十种不同的电子元件
或者找出电子元件的十个不同状态
这不可能
而十进制之所以人类一直用了这么久的根本原因呢
其实很简单
就是因为人类有十个手
手指头嘛
小孩子算数
父母教你怎么算
他掰着手指头数嘛
尽管咱们知道
人类的眼睛的延伸是望远镜
腿的延伸呢
是这个火车
飞机
耳朵的延伸是电话
所以
在二进制没出来之前
人类的脑力是一直没有得到延伸的
你找不出你脑力的延伸
因为你存储什么的
你都没办法存储
而初级那些的
都不能算作你的脑力的延伸
也就是说
在没有出现计算机之前
人类根本没办法处理这么大的信息量
所以
计算机才是现代世界的根本
那么
计算机用不了十进制该怎么办呢
那就把十进制换成二进制
对于二进制来说
其个位数字只有两个
分别是零和一
到了二以后
就得往前面的数位进位
所以
所以二进制中的二要用十来表示啊
那么三呢
是十一
也就是说
把个位数里的零再变成一
而到了四以后呢
就没办法再用两位数表示
所以
要再加一位数
就把最前面的数位变成一
后面的数位呢
哎 都变成零
也就是变成幺零零
这就是二进制中的四
用这种每到二就往前面进一位的计数法呢
我们就可以用零和一把所有整数都表示出来了
这就是所谓的二进制嘛
对于计算机而言呢
用二进制可比十进制简单多了
要表示二进制中的这个数字
零和一
你只需要找出电子元件的两种不同状态就行了
我们之前和大家讲过
半导体二极管可以在电路中充当开关
换句话说
二极管有一个关和一个开这两个状态
那么用关表示零
用开表示一
这样我们就可以在计算机中表示二进制的数字
一常排的二极管就可以表示一个很大的数字
而很多排的二极管就可以表示很多的数字集成电路
那更多了
换句话说
二极管可以用来存放数据
这就是我们刚才讲过的存储器
那么更有意思的是
二极管不但能用来存储数据
还可以帮我们进行数学运算
咱们想象
有一条路啊
路上有两扇门
我们还是用关来代表零
用开来代表一
如果这两扇门都是关的
那么这条路走不通
在数学上就相当于零乘零等于零嘛
如果有一扇门是关的
另一扇门是开的
那么这条路还是不通
相当于数学上的零乘一等于零嘛
零乘任何数都得零
或者一乘零等于零
但如果这两扇门都是开的
那么这条路就通了
相当于一乘以一等于一
因此
用二极管的开关状态呢
就很很轻松的可以实现乘法运算了
换句话说
如果在一块电路板上集成很多个二极管
就可以用来对数据进行运算
这就是我们刚才讲的处理器
现在我们知道
计算机的两大核心部分
存储器和处理器
都是用半导体二极管做出来的
我们上一节课说了
这量子力学最重要的一个应用就是制造二极管
如果没有量子力学
就不会有计算机
咱们知道
人类历史上第一台通用计算机叫做ENIAC
它叫做eniic
那么这个计算机是一九四六年早衰
体积巨大
长三十米
宽六米
高二点四米
用今天的眼光来看
这个大小
几乎有一栋豪宅那么大
它里面呢
有一万七千四百六十八根真空管
七千两百根二极管
一千五百个中转器
七万多个电阻
一万多个电容
六千多个开关
总重三十一吨
这台计算机每秒钟可以做五千次加法和四百次乘法
比今天最差的计算机呢
还要慢很多
但在当时
已经是世界上最先进的计算工具了
它的耗电量很大
每小时耗电一百五十千瓦
这什么概念
相当于七十五台挂式空调一小时总的耗电量
它的总造价高达四十八万美元
这在当时是购买力可以买五百多公斤的黄金啊
这个计算机啊
比较著名
咱们在中学的课本上也见过那个样子
图片
下面有它的图片
我们来简单了解一下计算机的发展历史吧
第一代计算机叫做电子管计算机
应该是用电子管做出来的
一九四六年到一九五七年
叫做电子管计算机时代
这个计算机又大又笨重
运算速度也很慢
造价还特别贵
以至于当时的人呢
说这种计算机
世界上仅有几台就够了
第二代计算机呢
叫晶体管计算机
我们之前说过
晶体管是贝尔实验室的三位物理学家发明的
晶体管计算机呢
它的时代大概是一九五八年到一九六四年
与第一代计算机相比呢
这种计算机的运算速度是有了大幅的提升
制造成本呢
也相应大大的降低了
然后呢
是电子管计算机
第三代的计算机
是用中小规模的这个集成电路做出来的
大家应该还记得集成电路
就咱们之前说的那个帕尼拔人邦做出来的仙童半导体公司
一九六五年到一九七零年
是这种电脑的时代啊
不过那时候的这种啊
这个计算机呢
是叫打孔机
还要往里面输数据的时候
你必须在这个纸袋上打很多孔
然后把这个纸袋呢
放到计算机里面
让计算机读啊
这咱们之前看过一个照片
那个女人坐在一排
在那那个纸条上打着个孔
我们以为这个缝纫机
其实呢
是那时候的第一代这个白领
第四代的计算机呢
是用大规模和超大规模的这个集成电路做出来的
这种电脑呢
从一九七一年以后才开始普及
现在一台普通的个人电脑
计算能力已经超过二十世纪六十年代的nasa美国国家航空航天局把宇航员送上月球所用的计算资源总和呀
所以啊
你看这个发展速度
曾经世界上运行最快的这个速度的计算机呢
叫做天河二号
是由这个
呃
中山大学管理的一台超级计算机
运算速度呢
最高可以达到每秒钟五点五亿亿次
换句话说
天河二号一秒钟之内完成的计算量
相当于全全部这个中国人拿着计算器持续不断的算上四百多天
不过呀
咱们要说人类的逻辑思维
从纯粹的速度上来讲
当然赶不上天河二号啊
普通计算机也赶不上
但是人类的思维方式不同于这个普通计算机
所以不能纯粹的咱们用速度来做一个比较
对于普通的计算机来说
你给一个指令
它给出一个确定的结果
但是人类不同啊
你很难判断一个人会如何回答你的指令
量子计算机要想变得和人类大脑一样
它也得复杂到一定程度才行
咱们知道
人类大脑约有八百六十亿个这个神经元
所以你可以想象
需要多少量子比特才能成为一台有意识的机器
未来可能不是那么快
但是也不是说
嗯
我们这辈子可能见不到
或许还是有机会的
期待一下吧
那么刚才我们讲的都是经典计算机
什么叫经典计算机呢
就是他们的这个核心电子元件尽管都是用量子力学做出来的
但是他们工作原理依然满足经典力学
所以他们叫经典计算机
接下来我们要给大家介绍的是量子计算机
它的工作原理满足的是量子力学
老实说
量子计算机目前还处于非常初步的阶段
人类距离建造出一个通用的量子计算机还要有非常长的路要走
我们刚才说了
通用计算机不仅可以做加减乘除
还可以做很多事啊
图片了
传声音了
播视频了
那么在解释量子计算机所利用的这个量子力学原理之前
我们回顾一下
经典通用的这个计算机
最基本的功能是什么
我们之前说了存储器和处理器两大部分最基本的元器件的二极管
二极管的主要功能呢
开和关
我们把开合关的分辨历程对和错啊
所以呢
经典计算机最主要的功能就是判断对和错
一个经典的二极管
咱们知道
要么是百分百的开
要么是百分百的关
就是百分百的对或百分百的错
不可能有第三种可能了
但是量子计算机就不一样
我们在第一讲中讲过不确定性原理
说过一个微观粒子可以既出现在一个地方
又同时出现在另一个地方
类似的
一个量子计算机中的元器件
既可以处于开的状态
同时又可以处于关的状态
记住
是同时又可以处于关的状态
比如
它可能是百分之五十开
也可能是百分之五是关
就是同时的
也可能是百分之三是开的
百分之七是关的
啊
还有可能是百分之四十五点五是开的
百分之五十四点五是关的
总之
最后加起来总共是百分之百
哎
这当然与我们的日常生活经验完全不符了
不过在量子力学里
这就是世界最原本的面目
它这个状态呢
很像薛定谔的猫
对这个非常熟悉的
咱们要跟大家说了
咱们上期不是说这个量子计算机的不确定性原理
我们说用微观例子来举例子
说既可以出现在这个地方
又可以出现在另一个地方
我们说的量子计算机中的元器件
既可以出于开
又可以处于关
可能是百微之五十对
百分之五
五十
也可能三十对
七十
也可能是四十五对啊
五十五
那么这期我们就说这个薛定谔的猫
想象有一个密封的盒子
里面关着一只活着的猫啊
然后呢
这个盒子里有一个玻璃瓶
里面装满了致命的毒气
玻璃瓶上方有一个锤子和一个装了放射性元素的装置
我们以前讲过
放射性元素就相当于一个不稳定的原子核
它随时都可能发生衰变
也有可能一直不衰变
你根本不知道它什么时候衰变
如果放射性的元素衰变
那么这个锤子掉下来呢
把这个瓶子砸破
毒气释放
杀死猫
如果放射性元素不衰变
锤子不掉下来
猫也就不会死
至于猫是死是活
完全取决于放射性元素到底有没有衰变
至于它是否会衰变
则完全取决于量子力学
因为它咱们说了
遵存这个量子的规律
也就是说
它衰变的可能性是百分之五十
不衰变的可能性是百分之五十
这就意味着
猫有百分之五十的可能是死
也有百分之五十的可能是活
在打开盒子之前
你无法确定猫的死活
换句话说
在打开盒子之前
猫其实是处于一种百分之五十活着和百分之五十死掉的叠加状态
这就相当于我们刚提到的量子开关
它既可以是开的
也可以同时是关的
好的
那么这个巧妙的把量子力学和我们日常生活联系起来的思想实验
请记住
是思想实验
那么严酷的这个严苛的这个实验条件是我们没法提供的
它是由著名的奥地利物理学家薛定谔提出来的
和前面我们提到的海森堡一样
它都是量子力学的奠基人
啦啦啦
这个薛定谔啊
他从小特别聪明
他没有上小学
直接就上了中学
中学也是个学霸
他的老师要是遇到自己不会做的题目
就会把薛定谔叫上来救场
那么薛定谔后来咱们只要成为一位物理学家
对生命还很感兴趣
对生物学也感兴趣
所以写了一本书叫生命是什么
他这本书是非常棒的
在这本书中
他尝试从物理学的角度从商来解释复杂的生命现象
这本书影响极其生物学
有六位的诺奖获得者都声称他们获诺奖的工作是受到了这本书的启发
我们刚才说
薛定谔是量子力学的奠基人之一
他发现了量子力学中最核心的方程
也就是所谓的薛定谔方程
从而获得了这个一九三三年的诺贝尔物理学奖
他正是通过这个薛定谔方程
物理学家们发现
在量子的世界中
粒子可以同时存在于很多地方
我们说薛定谔的猫处于百分之五十的活着和百分之五十死掉叠加的一个状态
根据然是在这儿的
这被称为什么量子力学的哥本哈根解释
咱们下期节目跟大家继续说
量子力学与人类大脑
感谢大家的收听
我是爱谁谁
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