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行星假说
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【简介】

      行星假说,顾名思义,即是建立可科学的基础上关于宇宙中行星的一系列假说。
      例如:有些星体的存在只是取决于某些天文学家一时的想法,后来却“消失”了。
      这里是一份有关它们的故事:


【水星的内部行星】
·vulcan, 1860-1916, 1971

      在1860年海王星被观测到之前,法国的数学家勒威耶亚当斯就已经预测了它的位置。这一准确预测表明有关水星的运动偏差或许是由于水星的内部行星或是在水星的运行轨道内存在着第二个小行星带引起的。而这些只有在它们经过太阳或在日全食的时候才有可能被观测到。在zurich的太阳资料中心的prof. wolf曾经在太阳上看到一些可疑的小点,另一个天文学家也曾看到一些相似的东西。一共二十四个点,看来与水星的内部行星轨道十分匹配,一个的运行周期为26天,另一个为38天。

      1859年,勒威耶收到一封属名为lescarbault的天文业余爱好者的来信,信上说他在1859年3月26日在太阳上观测到一个黑圆点,看来似乎是一颗行星通过太阳表面。他看这个黑点在一个小时零一刻钟的时间内,移动了相当于太阳直径四分之一的距离。lescarbault估计它的轨道倾角在5.3到7.3度之间,它中心点的经度约为183度,它的离心率“十分大”,它通过太阳的时间为四小时又三十分。勒威耶研究这一观测结果,并计算出它的自转周期为19天又7个小时,离太阳距离为0.1427天文单位,倾角为12度10分,中心点为12度59分。它的直径比水星小,质量约为水星的十七分之一。由于它太小了,因而无法计算出它的轨道与水星轨道的偏差,但或许这是在水星内的小行星带中最大的一颗。勒威耶倾注了所有的精力在这个黑点上,并命名它为vulcan(火神)。

      在1860年发生了一次全日食。勒威耶动员所有的法国以及其他国家的天文学家去找寻vulcan,但却无人寻得。勒威耶开始更倾向于wolf的“太阳黑子”的解释了,并且这种猜测在1877年勒威耶逝世之前便得到了更多有力的证据。在1875年4月4日,一位德国天文学家h. weber在太阳上看到一个圆点。值得注意的是,勒威耶的计算表明vulcan可能在那年的4月3日经过,而wolf发现那个周期为38天的行星也可能在那个时候出现。这个“圆点”当时被设在格林威治和马德里的天文台拍摄下来。

      在1878年7月29日的日食之后,也曾有过一阵骚动,两个观测者声称在太阳附近看到小的亮的圆盘状物体,而这物体只可能是在水星内轨道上运行的小行星:j.c watson (密歇根大学的天文教授)确信发现了两颗水星的内部行星!lewis swift (1992年回归的swift-tuttle彗星的发现者)也认为他看到那颗星就是vulcan。但他所看到的星的位置却与watson所看到的位置完全不同。另外,无论是watson还是swift所看到的,都不符合勒威耶或是lescarbault对vulcan的描述。

      自此以后,尽管天文学家在全日食时仍竭力观测,却再也没有看到vulcan。在1916年爱因斯坦出版了《广义相对论》,书中没有依靠引进未知的水星内部行星便解释了水星运行轨道偏差的原因(根据广义相对论的观点,质量产生引力场,质量越大引力场越强,引力场也是一种质量,这一质量产生了较小的引力场,引起了水星轨道的偏差。类似于电磁波的发散,电场与磁场的相互转变。--译注)。在1929年的5月,波茨坦人erwin freundlich拍摄了整个全日食的照片,并且仔细研究这些照片,再于六个月后拍摄了太阳周围的照片,发现在太阳附近并没有比九等星更亮的天体了。

      但是,过去人们看到的又是什么呢?lescarbault不可能去编造一个“童话”,勒威耶也不可能无道理地相信他。或许lescarbault当时碰巧看到了一颗正在地球轨道上运行的,离地球十分近的小行星,而那颗小行星在当时还未被人知晓,所以导致lescarbault产生的唯一解释便是这是水星的一颗内轨道行星。而至于swift和watson或许是观察时比较匆忙,而错把某些恒星认成vulcan。

      在1970~1971年,"vulcan"又再次被提起,原因是一些观测者认为他们在全日食时探测到了一些在太阳附近的微弱的光。但这也可能只是一些暗淡的彗星。后来人们确实看到了这几颗彗星,而它们由于运行轨道离太阳过近而撞上了太阳。


【地球的第二颗卫星, 1846】

      1846年,toulouse天文台的负责人--frederic petit宣布他们发现了地球的第二颗卫星。它是在1846年3月21日傍晚时被三位观察者看到的,他们是toulouse的lebon和passier以及artenac的lariviere。petit发现这颗卫星的运行轨道是椭圆的,运行周期为2小时44分59秒,它离地球(表面)最远距离为3570千米,最近距离为11.4千米。听到这个发现后,勒威耶抱怨说由于空间距离的阻隔,许多事都无法得到确证。而petit却义无反顾地致力于对这第二颗地球卫星的研究,并终于在15年后宣布正是这颗小卫星造成了地球的主要卫星--月球的一些特殊的运行情况,可是这一点几乎被所有的天文学家所忽视。要不是法国作家凡尔纳在书中提及,它几乎就被遗忘了。在凡尔纳的小说《从地球到月球》中,写到一艘航空船差点撞上一个小天体,而小天体却没有撞向他们,而是绕着地球运行:

      “它只不过是一颗比较大的陨星而已,”barbicane说,“但它似乎被地球吸引着作环绕地球的运动。”

      “可能吗?”michel ardan惊叫说,“难道说地球有两颗卫星?”

      “是的,我的朋友,地球有两颗卫星,而不是像我们通常所认为的那样只有一颗。这是因为这第二颗卫星太小,运行速度又太快,以至于地球人一直没有看到它罢了。据说,法国的天文学家monsieur petit已证实了它的存在,并计算了它的运行轨道。他说这颗卫星公转周期约为3小时20分钟……”

      “其他天文学家同意他的看法吗?”nicholl问道。

      “没有”,barbicane回答说,“但是,如果他们能像我们一样亲眼目睹的话,肯定不会再有怀疑了……它还提供了一个我们确定方位的方法……它的离地距离我们知道,那么,我们是在离地7480千米与它相遇的。”

      成千上万的人阅读了凡尔纳的这本书,可是直到1942年才有人注意到他小说中的不一致之处:

      一个离地距离为7480千米的卫星的运行周期应为4小时48分钟,而不是3小时20秒。

      由于它是在太空舱中被看到的,而月球却不能被看到。而这两颗卫星应当作的是逆向的运行,这是十分值得记录的一笔,而凡尔纳却忽略了。

      在任何情况下,这颗卫星都是在阴暗中,不能被看到的。因为抛射体在十分长的一段时间内是不会离开地球的阴影的。

      威尔逊天文台的r.s. richardson博士,在1952年描述了这颗卫星的运行轨迹:近地点为5010千米,远地点为7480千米,离心率为0.1784。

      由于凡尔纳使petit所发现的第二颗卫星闻名于世,越来越多的业余天文学家发现这是一个成名的好机会--任何人只要发现这颗卫星,他的名字便会被载入天文学的史册。没有几个主要的天文台从事这地球第二颗卫星的研究,即使有也要暗自进行。而德国的业余爱好者们却在积极地跟踪着那个被他们称为kleinchen (“一点点”)的天体--虽然他们从未找到它。

      w. h. pickering一直笃信着这样一个理论:如果卫星的轨道离地球的表面距离为320千米并且它的直径为0.3米,又拥有月球般的反照率,那么它必然可以通过3英寸的天文望远镜观察到。一颗直径为3米的卫星可能成为第5星等的裸眼可见的天体。虽然pickering并未寻找petit所说的天体,他却在进行着寻找第二等卫星--即月球的卫星的工作(1903年的《大众天文》中报道“通过图象来寻找月球的卫星”)。可是他没有找到,事后他总结认为月球的卫星的直径小于3米而无法观察到。

      pickering那篇关于一颗极小的卫星存在的可能性的文章--《一颗流星般的卫星》刊登在1922年的《大众天文》上,不想又引起了业余天文爱好者的一阵骚动。主要原因是这篇文章提供了观察上的一些实际的要求:“一架3~5英寸的天文望远镜和一个低倍的目镜即可。这无疑对业余爱好者是一次好的机会。”可惜又一次的,一无所获。

      有一种理论认为向来无法解释的月食运行轨道的偏离是由于这第二颗卫星的重力场引起的。那就意味着这个天体的直径至少应有几千米这么大--但如果存在这样大的一颗卫星,那它早应被古代巴比伦人发现了。即使它十分小,但由于它相对比较近又移动得十分快,也应当是十分明显的,就像我们看到人造卫星与航天飞机一样。可是另一方面,又无人有兴趣去观察过小的天体。

      当然还有不少人提出地球的第二颗天然卫星存在的想法。1898年,georg waltemath博士声称他不仅发现了第二颗卫星,还发现了一系列的白矮星。waltemath提供了这卫星的轨道数据:距地球1.03亿千米,直径为700千米,运行周期119天,synodic周期177天。“有时”,waltemath说,“它在晚上像太阳一样明亮”并且他认为这颗星就是lient greely在1881年10月2日在格陵兰看到的。waltemath还预言在1898年的2月2日、3日、4日,这颗卫星将经过太阳,这再次唤起了公众的热情。在2月4日,greifswald邮局的12个雇员不加任何保护地用裸眼观察太阳。(herr postdirektor ziegel便是其中的一个)可容易想象当时那个有趣的场景:一个在普鲁士战役中的军人在办公室的窗前,指着天际,对着他唯命是从的雇员讲着waltemath的预言。在被采访时,那些目击者说看到一个黑色的天体出现在太阳的直径上,并于柏林时间1:10至2:10通过太阳。但后来被证实是错误的,因为就在那个时候,两位有经验的天文学家:澳大利亚pola的baron ivo von benko和jena的w. winkler也在仔细地观察。据他们说只是一些太阳黑子罢了。这次的失败并未使waltemath气馁,他仍旧坚持自己的预言并呼吁大家去证实。当代的天文学家已被一次又一次的诸如“嘿,顺便问一下,那颗新卫星怎么样了?”之类的问题激怒了。但占星术家的理论却变得流行了--在1918年名为sepharial的占星术家把这颗卫星命名为lilith。他认为它在大部分时间里是暗而不可见的,只有在它离得相当近或通过太阳时才可看到。sepharial在waltemath观察成果的基础上,建立了一套lilith的理论。他认为lilith与月球有大致相同的质量,虽然很难观察到,却以干扰了地球的运行而显示它的存在。甚至到了今天,lilith--这颗黑色卫星仍被一些占星术家标在自己的天宫图上。

      总有一些观察者不时地报告看到“其他的地球天然卫星”。德国的天文杂志《die sterne》报道说名为w. spill的德国业余天文学家在1926年5月24日观察到这第二颗卫星通过月球。

      在1950年左右,当人造地球卫星刚开始被提出时,每个人都预见它只能被分级式火箭送上天,不载任何无线电发射装置,而由在地雷达跟踪。如果这样的话,一些近地的小卫星会产生极大干扰,它们会反射雷达发射到人造卫星上的波。但这却提供了人们寻找天然卫星的好方法,clyde tombaugh发展了这项技术:在离地5000千米高的卫星速率被预测出。一个拍摄站便以这个速度跟踪拍摄。恒星、行星等天体在照片上显现一条直线,但在这一高度的卫星却显示成一点。如果卫星不在这个高度,那么它在照片上表现为一条短小的直线。

      lowell天文台的观测始于1953年,并且真正地探索了一块处女地:除了这个德国天文台外,没有人注意到地月之间的这块空间。到1954年秋,各类享受很高声誉的周刊和日报报道说这个天文台的观测已得到了初步结果:有一个离地高度为700千米和一颗离地高度为1000千米这样两颗卫星。人们普遍地产生这样的疑问:“它们是否是天然卫星呢?”没有人知道这些报道源自何处--因为天文台的观测根本没得到什么结果。在1957年和1958年当第一颗人造卫星发射后,其上携带的相机才又继续追踪那些卫星。

      但是这并不意味着地球只有一颗天然卫星。地球可能在很短的时间内有一颗近地卫星。流星体飞过地球,穿过上层大气时会损失很大动能而进入围绕地球的卫星轨道。但由于它经过大气上层的每个近地点,它不会维持很长时间,或许只有一或两个周转,也可能达到一百个周转(相当于150小时左右)。一些报告表明这样的“瞬间卫星”曾被看到过,可能当初petit所看到的便是这样的卫星。

      除了“瞬间卫星”这种解释外,还可能有两种可能性。一个可能是月球有自己的卫星--但是尽管经过许多次搜索,都没有发现过(据现在所知的,月球的引力场十分不稳定或者说太“不平”了,以至于它的任何卫星轨道也十分不稳定--那绕月卫星便会在运行相当短一段时间后,一般几年或十年左右,撞向月球)。另一种可能是存在着绕月球运行的特洛伊卫星,落后或超月球公转轨道60度。

      krakow天文台的波兰天文学家kordylewski首先报告了这种“特洛伊卫星”。他是在1951年开始他的寻找的。他希望能在绕月轨道上找到一颗离月球为60度的大小合适的天体。可是探索一无所获。在1956年他的同国人,同事wilkowski提出可能存在许多微小的天体,由于太小而不能被单独看见,但却多得合成云状粒子。如果这样的话,最好的观察方式将是用肉眼,而不是通过天文望远镜。用天文望远镜只会“漠视”了它们的存在。kordylewski博士很愿意试一试。他所需要的是一个无月的晴朗的夜空。

      1956年10月,kordylewski终于首次在距月球60度的两个位置中的一处,看到了明亮的碎片。它不是很小,对角为2度(大约是月球的4倍),它很暗,只有众所周知的对日照(黄道带上正对太阳的明亮碎片)的亮度的一半。1961年的3、4月,kordylewski成功地在预计位置上拍摄到了两片星云。它们看上去似乎在不断扩大,不过这可能只是由于亮度的改变而造成的视觉差而已。1975年,j. roach运用 oso (公转太阳天文台)的6艘太空飞船探测了这些“云状卫星”。1990年它们再次被拍摄下来,这次是由波兰的天文学家winiarski拍摄的,他还发现它们“徘徊”在高于“特洛伊卫星”10度的地方,它们的光比黄道带的光红一些。

      至此长达一世纪的对于地球第二颗卫星的搜寻似乎已成功了,即使这颗卫星与当初任何人想预计的都不同。它们十分难找,也很难与黄道带的光发开,特别是那颗对日照。

      但仍有人认为还存在另一些天然地球卫星。在1966年至1969年间,美国科学家john bargby声称他观察到至少十颗小到只能通过天文望远镜才观察到的地球天然卫星。bargby发现了这些天体的椭圆轨道:离心率为0.498,半主轴长14065千米,远地点高度14700千米,近地点高度680千米。bargby认为它们是在1955年破裂的天体的碎块。他得到的这些结论大都是建立在不稳定的人造地球卫星的基础上的。bargby运用人造地球卫星所提供的资料,却没有意识到这些数据只是一些近似值,甚至于有时是错误的,因此根本不能应用于精确的科学分析。另外,根据bargby的观察结果,当他所说的卫星经过近地点时,应为可见的一等星,应该轻易地就被肉眼观察到,可是却从没有人看到类似的天体。

      1997年,paul wiegert (等人)发现了小行星3753有一个很奇怪的轨道,似乎是地球的一颗伴星,可是它并不围绕地球运动。


【小行星撞击假说】


      关恐龙绝灭原因的假说很多,但最有名的莫过于美国科学家阿尔瓦雷斯于1980年提出的小行星撞击理论了。

      1991年,有科学家在墨西哥尤卡坦半岛寻找石油,谁料到 石油没找着,却发现了一个地下的隐伏构造。这一构造状似碗形,直径200—300千米,深约3 千米,形成于6500万年前。科学家相信,这个隐伏构造当是撞击坑的所在。这个坑现被称为‘奇克苏鲁布’撞击坑,这是因为奇克苏鲁布镇正好坐落在撞击坑的中心部位。

    现今的尤卡坦是陆地,但6500万年前这一带却是一片浅海水域。当年小行星以高速向地球撞来,在临近撞击点的上空,星体突然发生大爆炸,强大的冲击波在一舜间把撞击点炸出一个巨大的坑,100多立方千米的岩石被挖出。

    科学家计算出,当时的海啸大浪最高达350米,低的也有100米。据他们研究,当年那一带的海平面比现在约高出200米,灾星就撞在200米深的浅海海底。

    由于小行星撞在浅海海底,所以引起的海啸与撞击的能量相比并不算大,但海水向撞击坑回流时引起的海啸却十分巨大。他们认为,小行星要是落在了深海之中,所引发的海啸将会比落在浅海区大出近10倍!据认为大海啸发生时,海水淹没了整个墨西哥和大半个美国。

     当发生撞击时,溅起的尘埃长时间挡住了阳光,使浮游植物无法进行光合作用而死亡。那时海洋中的生存环境变得相当恶劣。当时海洋表层的浮游植物在短时期内大量死亡就是一个很好的例子。

    又据氧同位素的研究,显示撞击后大洋表面水温下降约10℃。研究者估计,在相当长的一段时期内,地表平均气温下降约数摄氏度,导致全球冰川化,形成新冰期。

    那时的地球进入了漫长而黑暗的冬天,大地久久不见天日,地面急剧降温,景况十分可怕。据说地球上要是发生了核大战,其情景将与6500万年前的那幕惨剧相似。所以说核大战实在是打不得。

    据近年研究,小行星肇事后,有好长一段时间天上下的雨是富含硫酸的“硫酸雨”。研究者说,小行星撞击点的地下岩层中夹有大量石膏矿,石膏中的硫便是硫酸雨的直接来源。硫酸雨对地球表面的生物所造成的伤害有多大,不言自明。研究者认为,小行星要是撞在别处(不含石膏矿的地方),结局就会比这好得多。

    小行星对地球的这一击,使地球表面又是大火,又是海啸,又是降温,同时天降酸雨,大地一片昏暗。不用说,由撞击而引发的火山和地震,肯定也会跟着一同出来可劲地闹腾。一个好端端的地球,瞬时变成了人间地狱。可怕!

    大量证据表明,6500万年前确有一颗小行星袭击了我们的地球,并酿成了一场空前的生态环境大灾难,地球的生态系遭到了彻底的破坏。有一种观点认为,白垩纪末的这场大灾难系当时强烈的火山活动所为,但种种证据显示,火山没有这么大的能耐。

    由于科学家已掌握了大量的证据,小行星现在已很难洗刷自己的“罪名”。然而,小行星真的是“屠龙凶手”吗?(当然我们也不否认它曾杀死过大量恐龙);如果6500万年前小行星没来“轰炸”地球,恐龙是否就会 一直繁衍到今天?小行星究竟对白垩纪末期的大绝灭事件负有多大的“责任”?这些仍然是难以解开的谜。


【开普勒的行星运动假说】


    开普勒关于行星运动的理论,完全不同于以前所提出的假说;他的关于行星运动的轨道“是椭圆”的断言,更超越了他前人所做的各种各样的改进。在有关行星运动的分析中,开普勒并不偏重于各种几何问题,相反,他提出了以下一些问题:“行星运动的原因是什么?”“如果像哥白尼的假说所指出的那样,太阳是太阳系的中心,那这一事实就应该能够由行星本身的运动和轨道辨别出来。”这些都是物理问题,而不像以前所设想的那样,都是几何构造的问题。

    尽管开普勒解决行星运动等问题的方法,完全不同于他以前的任何人,但他的工作仍然是从对观察结果进行仔细分析后得出一般结论的方法,而且是这种方法的一个杰出的例子。他的分析过程漫长并且极其艰辛:他在20多年的时间里,坚持不懈地进行工作,从来没有放弃他的目标。如果用呕心沥血这个词来形容他的努力,也是丝毫不过分的。

    开普勒从一开始就认识到,仔细研究火星轨道是研究行星运动的关键,因为火星的运动轨道偏离圆轨道最远,它使得哥白尼的理论显出了严重的缺陷。开普勒还认识到,对第谷·布拉赫准确的观察资料进行分析是整个问题的必不可少的先决条件。开普勒曾经写道: 

    我们应该仔细倾听第谷的意见。他花了35年的时间全心全意地进行观察……我完全信赖他,只有他才能向我解释行星轨道的排列顺序。

    第谷掌握了最好的观察资料,这就如他掌握了建设一座大厦的物质基础一样。

    我认为,正当朗高蒙太努斯(longomonta-nus)全神贯注研究火星问题时,我能来到第谷身边,这是“神的意旨”,我这样说是因为仅凭火星就能使我们揭示天体的奥秘,而这奥秘由别的行星是永远揭示不了的……。

    实际上,开普勒曾千方百计想获得他梦寐以求的第谷的观察资料。如果说他犯了偷窃罪,似乎也并不夸张,因为他自己就曾经承认:“我承认,当第谷死的时候,我正是利用了没有或缺乏继承人这样的有利条件,使第谷的资料由我照管,或许可以说霸占了观察资料。”他自己又解释道:“争吵的原因在于布拉赫家族有怀疑的天性和恶劣的态度;另一方面,也在于我自己有脾气暴躁和喜欢挖苦人的毛病。必须承认,滕纳格尔(tengnagel)有充分的理由来怀疑我。我已占有了观察资料并且拒绝把它们交给继承人。”

    得到了第谷的观察资料以后,开普勒不断向自己提出了这样的问题:“如果太阳确实是行星运动的起源和原因,那么这一事实在行星自身运动中如何体现出来?”他注意到,火星的运动在近日点比在远日点要快些,并且“想起了阿基米德”,于是,他用矢径(连接太阳和火星瞬时位置的矢量)的方法,算出了沿轨道运动的面积。开普勒写道: 

    当我认识到,在运动的轨道上有着无数个点以及相应产生了无数个离太阳的距离,我产生了这样的想法:运动轨道的面积包括了这些距离的和。因为我回忆起阿基米德用同样的方法,将圆面积分解成无数个三角形。”

    这就是开普勒于1603年7月发现面积定律的经过。牛顿把它称为开普勒三大定律的第二定律。从此以后,人们都这样称呼面积定律。开普勒用了5年多的时间才建立起这个定律;其实,早在1596年他发表《宇宙的奥秘》这本书之前,他就在探求这一规律,那时他用的方法是把五个规则的多面体与当时已知的6个行星联系起来。

    面积定律能够确定轨道上各点的速度的变化,但不能确定轨道的形状。在他得出面积定律的最终表述的前一年,开普勒实际上就摒弃了行星运动轨道是圆的假说。1602年10月他曾写道:“行星轨道不是圆。这一结论是显而易见的——有两边朝里面弯,而相对的另两边朝外伸延。这样的曲线形状为卵形。行星的轨道不是圆,而是卵形。”

    在作出火星轨道是卵形这一结论之后,开普勒又花了3年时间才确定它的轨道实际上是椭圆,当这一结论确立时,他写道: 

    为什么我要在措词上作文章呢?因为我曾拒绝并抛弃的大自然的真理,重新以另一种可以接受的方式,从后门悄悄地返回。也就是说,我没有考虑以前的方程,而只专注于对椭圆的研究,并确认它是一个完全不同的假说。然而,这两种假设实际上就是同一个,在下一章我将证明这一点。我不断地思考和探求着,直至我几乎发疯,所有这些对我来说只是为了找出一个合理的解释,为什么行星更偏爱椭圆轨道……噢,我曾经是多么的迟钝啊! 

    开普勒用了10年多的时间才发现了他的第三定律,即任何两个行星公转周期的平方与他们到太阳的平均距离的立方成正比。1618年,开普勒在他的《宇宙的和谐》一书中表述了这个定律。下面就是开普勒自己对发现这个定律的描述: 

    准确地说,就是在1618年3月8日这天,这一结论显现于我的脑海中。但不幸的是,当我试图用计算来证实它的时候,我又以为它是错误的,因而我抛弃了它。5月15日,这个念头终于又回到了我的脑海中,并且以一种全新的方式使我豁然开朗。它与我17年来对第谷观察资料进行分析所得出的数据吻合得如此之好,以致刚开始的瞬间,我感到我好像在梦幻之中。 
    至此,开普勒呕心沥血的漫长而艰辛的追求,终于结束了。

    在他的第一本书《宇宙的奥秘》中,开普勒就说过:“但愿我们能够活着看到这两种图像能够相互吻合。”22年后,当他发现了他的第三定律,从而使得他的梦想得以实现时,开普勒在《宇宙的奥秘》再版中加进了这样的注释:“22年后,我们终于活着看到了这一天,并为此感到欢欣鼓舞,至少我是如此;并且我相信梅斯特林(maestlin)及其他人将分享我的快乐!”

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