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冰與水之歌:零度以下不結冰,魔鬼藏在密度裡!

林祉均
・2020/11/05 ・1932字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

在座各位地球人肯定對「水」一點不陌生。不論是液態水還是固態冰,在生活中都隨處可見。但如果你以為我們已經完全了解水和冰的構成與變化,那你可就錯了,因為它可是超乎想像的複雜。

冰也會七十二變?常見的物質竟然有這麼多型態!

學校裡教過的三相圖將水區分成固、液、氣三種相(Phase)。不過除了這種簡單的分類,固態的冰在不同的壓力與溫度條件下其實還有許多不同面貌。

小時候學過水的三相固體、液體、氣體,除此之外,其實固態冰還有其他型態。圖/Pexels

一般條件下,自然結凍的水只會呈現六角結晶或立方結晶,兩種晶體結構合稱為「冰一」(Ice I)。你可能有些好奇:既然有一,那或許會有二(咦)

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沒錯!目前已知的冰共有二十幾種型態,比 iPhone 的型號還多!只是除了冰一之外,其他的型態都極為少見。

所謂少見是有多少見呢?

一直到 2017 年時,科學家才首次在實驗室中合成出冰七(Ice VII),這種稀有的結晶形態通常只有在彗星或系外行星上才見得到,因為它需要超大的壓力(例如:兩個含冰量豐富的小行星體對撞),才有可能形成。

實驗室中高壓環境下合成的冰七 。圖/實驗團隊(A. E. Gleason)提供

相隔一年後,另一組研究團隊利用 X 光繞射技術,在世界各地的鑽石中發現冰七的蹤影

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為什麼鑽石中會有冰七?推測原因是由於當初在地底時,有少量水分被困在高溫高壓的鑽石礦脈中,而後這些水分隨著鑽石一同被挖掘到地表,雖然溫度下降到普通室溫,但堅固的鑽石內卻仍然維持著高壓。如此獨一無二的條件,讓冰七得以自然生成。

零度以下也不結冰?神秘的過冷水!

光是固態冰就有這麼多花樣了,水結冰的過程同樣也是科學家有興趣的主題。在 Science 期刊上最新的研究發現,過冷水其實是由兩種結構不同的形態混搭而成。

一般的情況下,零度以下的水需要一些雜質或擾動來「啟動」結晶的過程,才能凝固成冰。在缺乏這些條件時,水可以在零度以下仍維持液態,也就是所謂的「過冷」。

關於過冷水的理論模型可說是眾說紛紜,因為這種狀態十分不穩定,輕微的干擾就會讓過冷水全部結晶,讓實驗學家十分頭痛。另外,也很難單從實驗中觀察並判斷過冷水不結晶到底是不是因為還未達到熱平衡。

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過冷水的狀態不穩定,稍微干擾就會全部結晶,也讓實驗學家十分頭疼。圖/giphy

以往的相關研究通常只能依賴分子模擬,不過最近在實驗上有了最新突破。

美國西北太平洋國家實驗室的研究人員準備了一片僅有 15 奈米厚的薄冰,接著利用短暫的雷射脈衝,極速加熱一小塊區域,使其轉為液態過冷水,直到它很快地降溫並重新結晶。

整個過程只有短短幾十奈秒,不過,這個突破已經足夠讓我們使用紅外線光譜來測量過冷水的分子結構。

結果發現,早在結晶開始的短短的幾十奈秒之間,過冷水就找到了它最舒服的平衡狀態;這個狀態還是由兩種結構不同的液體型態所組成,分為高密度與低密度結構,密度分別約為 0.9 和 1.1 g/cm3

實驗發現,過冷水中高密度水所佔的比例,會隨著溫度降低逐漸減少。也就是說,過冷水能在低於攝氏零度的環境下維持液態,很有可能是兩種不同密度的水比例不同所造成的。

其實,這種特殊的二元性質也能在一般常溫的液態水中看到,分為四面體和非四面體結構。不過這類的現象在過冷水是首次被發現,也為水在低溫時的行為提供重要的實驗數據。關於水的各種理論模型,我們終於得以區分何者較接近真實。

參考資料

  1. Water structure and science
  2. Gleason, A. E., Bolme, C. A., Galtier, E., Lee, H. J., Granados, E., Dolan, D. H., … & Swift, D. (2017). Compression freezing kinetics of water to ice VII. Physical Review Letters119(2), 025701.
  3. Tschauner, O., Huang, S., Greenberg, E., Prakapenka, V. B., Ma, C., Rossman, G. R., … & Tait, K. (2018). Ice-VII inclusions in diamonds: Evidence for aqueous fluid in Earth’s deep mantle. Science359(6380), 1136-1139.
  4. Kringle, L., Thornley, W. A., Kay, B. D., & Kimmel, G. A. (2020). Reversible structural transformations in supercooled liquid water from 135 to 245 K. Science369(6510), 1490-1492.
  5. Shi, R., & Tanaka, H. (2020). Direct evidence in the scattering function for the coexistence of two types of local structures in liquid water. Journal of the American Chemical Society142(6), 2868-2875.
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嗶——超速了!什麼?聲音竟然有「速限」
林祉均
・2020/11/11 ・1874字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

光速是宇宙的終極速限,任何的物質運動和資訊傳遞都不准超速。不過最近有人做出了最新預測,除了一般物質外,聲音的傳遞速度竟然也有最大上限?

不管是光(電磁波)還是聲音,都是以波動的形式傳播。值得注意的是,波速只會跟系統本身性質(例如:介質不同)有關,一般的繩波或是水面波同樣也是如此,不論震動得多用力或多快,都不會讓波跑的更快或更慢。

我們可以把聲波的傳遞想像成下圖中的彈簧。既然彈簧波的速度可以用彈性係數和彈簧質量來表示,同樣的,聲速應該也可以用某些性質來描述。

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可以把聲波的傳遞想像成圖中的彈簧。圖/Shyam Srinivasan

先從聲音的性質說起

聲音在不同材料中傳遞的差異,可以用體積模數(Bulk Modulus,簡寫 B )來表示。體積模數代表物體在面對外部壓力時,會做出多少體積上的改變。數學上可以寫成:

等號左邊是施加的壓力,右邊是體積模數 B 乘上體積變化量占總體積的比率,負號只是習慣,這代表相同壓力下,B 值越大物體越不容易壓縮,和彈簧的 F=-kx 類似。我們知道越「硬」的彈簧反應越快,可以更快地傳遞波動;同樣地,比起在空氣中傳遞,聲速在較難壓縮的液體和固體中會比較快。因此不難看出,B 會與聲速扯上關係,而且 B 值越大聲速越快。

聲波在固體傳播的速度比在空氣中快。圖/giphy

一般來說,聲速可以寫成:

分子就是上面提到的體積模數 B,而分母的材料密度則表示介質越稀疏,聲速越快。國中學過的聲速與溫度成正比便是這個道理,當溫度變高時,空氣體積膨脹,密度變小,因此聲速傳遞更快。

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為什麼聲速有上下限?

不過公式中的 B 和材料密度都是需要透過實驗獲得的材料參數,因此很難看出聲速會有什麼上下限。如果要再往前一步,就必須進入微觀的原子尺度。想像兩個同極相斥的磁鐵,彼此互相靠近時,斥力會逐漸變大;這是因為隨著兩個相斥磁鐵逐漸靠近,抵抗靠近的磁力位能會逐漸增加。

當兩個同極磁鐵互相靠近,因抵抗靠近的磁力位能增加,斥力會逐漸變大。圖/giphy

同樣地,當原子間的鍵結能量增加,將兩顆原子拉伸或壓縮的難度會隨之上升,物體也就越不容易被壓縮。也就是說,體積模數 B 正比於單位體積內原子間的鍵結能量,巧合的是,材料密度也能寫成單位體積內的原子質量,於是我們可以將聲速寫成:

一般固態物質中,鍵結能量可由古早的波耳氫原子模型導出,大約是 α2c2me / 2(原子質量),α 是一大串常用的物理常數,c 是光速,me 是電子質量。於是我們在原子尺度的物理圖像中,得到了聲速的新公式:

公式中的英文字母都是常數,唯一重要的是原子質量,原子質量越小的聲速便越快。依照理論,聲速最快的會是原子量=1 的固態氫原子,聲速為 36100m/s 。

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聽起來很厲害,實際上真的是如此嗎?

針對一系列不同原子量的固態元素,我們可以看看他們的聲速是否的確符合預期。不過因為 B 的實際值和鍵結種類,晶格結構等複雜因素有關,因此並不會完全落在理論線上,不過整體的趨勢十分吻合。

固態元素中聲速對原子量的對數圖。斜直線為斜率 -0.5 的理論預測,虛線為擬合直線。紅點為原子量=1時的聲速上限。圖/Science advance

有趣的是,如果我們將新的聲速公式移項一下,會發現聲速上限對光速的比率,可以用簡單的物理常數來表示,這點是前人使料未及的。這結果或許不像光速這麼絕對,不過仍然是一次很漂亮的科學推理,也為固態物理的理論與實驗提供了嶄新的發展題材。

參考資料

  1. Trachenko, K., Monserrat, B., Pickard, C. J., & Brazhkin, V. V. (2020). Speed of sound from fundamental physical constants. arXiv preprint arXiv:2004.04818.
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林祉均
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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是誰藏在月球的土壤裡?NASA 表示:水啦!
PanSci
・2020/10/28 ・2667字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

NASA 第一次透過「同溫層紅外線天文台」(Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy,以下請容我們都稱她為 SOFIA)在月球的暗面上發現水啦!

NASA 首次透過 SOFIA 在月球上找到水。圖/NASA

根據這項發表在《自然天文學》(Nature Astronomy) 的觀測結果,我們可以推斷月亮上的水應該分布在表面各處,而不僅限於陰影遮蔽的地方。

是水!一點點點點的水!

過去我們也曾在月球表面發現了某種形式的氫,但很難區分出水 (H₂O) 與羥基 (OH)。而這一次呢,SOFIA 在不是月球暗面的克拉維斯環形山 (Clavius) 也檢測到了水分子啦!

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克拉維斯環形山雖然名字是個「山」,但其實是一個非常大的撞擊坑,也是月球上最古老的地貌結構之一。而根據來自該處的數據,研究者在土中發現了水,濃度約為百萬分之 100 至 412,換算一下為每立方公尺 350 毫升左右。

SOFIA 在克拉維斯環形山 (Clavius) 檢測到了水分子。圖/Nature Astronomy

350 毫升聽起來有點兒多?嗯⋯⋯但撒哈拉沙漠的水量大概是它的 100 倍,不過,雖然水量極為稀少,這次的發現仍然十分重要,因為它翻轉了我們對於月球表面的理解,也指出了一些新的問題,有待我們去探索,像是:到底為何月球上會有水?這些水又是如何在沒有空氣的月球表面保存下來的?

所以說,為什麼月球上竟然會有水?

照理來說,月球上沒有跟地球一樣的大氣層,所以表面若是被太陽照射到,水分都應該散失了,不過,我們現在卻能夠偵測到水,這表示「一定存在著某種水源,也有一些物質將水困於其中。」來自 NASA 戈達德太空飛行中心 (Goddard Space Flight Center) 的博士後研究員凱西·洪尼鮑爾 (Casey Honniball) 表示。

嗯⋯⋯這些水到底是由誰「創造」或帶來的呢?其實啊,有好幾種可能的來源,比如說:落在月球表面的微隕石上頭可能攜帶著少量水分,在撞擊後便讓水沉積在月球表面;又或者可能是太陽風將氫吹到月球表面,而後氫與土壤中的含氧礦物質發生化學反應,進而產生羥基,然後再透過微隕石撞擊時產生的輻射,將羥基轉化為水。

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另一方面,這些水到底是如何儲存與累積的,也是值得探討的問題。微隕石撞擊時會產生高溫,可能會將水分子變成小小的珠狀結構,並將其困在土壤當中。又或者,水可能是本來就藏在月球土壤顆粒之中,也因此逃過了陽光的魔掌,得以保存下來。

這是第一次發現月球上有水嗎?

這不是我們第一次在月球上「發現水」,雖然阿波羅 (Apollo) 太空人於 1969 年首次從月球返回時,認為月球是完全乾燥的。不過,早在 2008 年的一次軌道任務中,科學家便在月球暗面的隕石坑中發現了水的痕跡,並於 2009 年發表了相關結果

同年, 為了得到更多月球有水的證據,NASA 撞擊了月球南極的火山口,這次他們發現了與水有關的光譜特徵,但這畢竟是間接而非直接證實月球上有水,無法明確地區分其存在的形式—— H₂O 或 OH。

而這兩個研究方向,都在近期有了新的進展。

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科羅拉多大學博爾德分校的行星科學家保羅·海恩 (Paul Hayne) 和他的同事們於《自然天文學》發表研究,透過理論模型和 NASA 月球偵測軌道的數據,計算得出月球的極地地區擁有約 40,000 平方公里的永久陰影區域可能含有水,這些區域大約 60% 位於月球的南半球。這些區域的水可能來自隕石、彗星和其他曾經撞擊到月球表面的物體。雖然大多數的水會蒸發,但是有些水會跟著穿過稀疏的大氣層,到達陰暗的角落,然後才像霜一樣沉積在冰冷的岩石和土壤上。

另一個便是這次 NASA 利用 SOFIA 直接找到了水分子波長的紅外光!主要作者凱西·洪尼鮑爾說:「在 SOFIA 觀測之前,我們知道存在某種水合作用。」但卻無法知道實際上有多少水,以及它的形式為何。

SOFIA 提供了一種看月球的新方法,它是一台安裝在經過改裝的波音 747 飛機上的紅外儀器,該飛機可以在約 14,000 米的距離上航行,其直徑 106 英寸的望遠鏡可以更清晰的觀察宇宙中的紅外線。使用 SOIFA 能夠偵測到紅外線的暗天體照相機 (Faint Object Infrared Camera, FORCAST),SOFIA 可以偵測到水分子特有的特定波長(6.1微米),並在月球正面的克拉維斯環形山發現了相對來說頗高的濃度。

SOFIA 利用紅外線偵測的方式,在克拉維斯環形山發現了相對來說頗高濃度的水。圖/Nature Astronomy

為什麼會用 SOFIA 來找水呢?

其實,SOFIA 本來是拿來觀察遙遠、看不太清楚的物體,像是黑洞啦、星團啦或是星系等等。所以這一次拿來看月球,基本上不屬於她的日常業務範圍。

參與這項計畫的 NASA 艾瑪斯研究中心 (Ames Research Center) 科學家納西姆·朗格瓦拉 (Naseem Rangwala) 表示:「事實上,這是 SOFIA 第一次觀察月球,我們原先甚至沒法確定能否取得可靠數據。」不過,月球上是否有水的問題實在太重要了,讓研究員做出全新的嘗試,而既然這次的測試可行,未來,「我們正計劃更多的飛行以進行更多的觀測。」

SOFIA 的後續飛行任務,將會在其他陽光照射的地方與不同月相中「找水」,以了解月球上的水究竟如何生產、儲存與運輸。而這些蒐集來的數據,將會加入未來的月球任務中,例如 NASA 的 Volatiles Investigating Polar Exploration Rover(簡稱 VIPER),為的是創建首張月球水資源圖,用於人類未來的太空探索任務。

編按:Volatiles Investigating Polar Exploration Rover(簡稱 VIPER)是一種移動機器人,主要執行的任務是在月球的南極漫遊、尋找水冰。不僅如此,VIPER 可以提供水的位置與實際可用的水量等資訊。

「不論是科學上的目的還是對我們的太空人而言,水都是十分寶貴的資源,」NASA 人類探索與運營任務部首席探索科學家雅各·布萊切爾 (Jacob Bleacher) 指出:「如果我們可以利用月球上的資源,那我們進行月球任務時,就能少帶一點水、多帶一點設備,來幫助新的科學發現。」

延伸閱讀

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被選為世界最醜動物的「水滴魚」,壓力很大——《化學有多重要,為什麼我從來不知道?》
商周出版
・2020/10/17 ・2844字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 475 ・五年級

TAAi 2020 25th 人工智慧研討會

  • 作者/陳瑋駿

有別於氣體不斷碰撞物體表面,在日常中你能夠感覺到固體與液體壓力,正是因為有地心引力的存在,任何物體受到地球引力的牽引,都會有一股向下墜的力量,當它壓在你身上的時候,你就能具體感受到壓力的存在了。

水滴魚曾經被票選為最醜動物第一名。圖/Flickr,jamasca66

也正因如此,我必須糾正那位想當爛泥躺沙發的朋友。人生在世誰無壓力,不過如果要說誰的壓力比較大,那我們大家都遠輸「水滴魚」一大截呢!

從水滴魚看恐怖的壓力不平衡

水滴魚是一種深海魚類。你可能從沒聽過牠的名字,但如果去網路上 Google 一下,看到牠那彷彿哭喪著臉的神情,塌鼻梁,全身癱軟得像爛泥的模樣,實在很難不覺得牠醜得可愛。

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既然是深海魚,水滴魚想當然主要生活在深海海域中(約水深 600 ~ 1200 公尺),牠之所以被人類發現,是因為深海捕撈作業時,被意外打撈上岸。

但在我們指著牠古怪長相嘲弄玩笑時,必須先知道,水滴魚並不是故意要長成這種爛趴趴的醜樣子,一切都是因為壓力驟降的緣故。

水滴魚被深海打撈上岸時,因壓力驟降,全身癱軟得像坨泥。圖/商周出版

10 公尺的水深相當於一個大氣壓,換算下來,生活在 600 ~ 1200 公尺的深海中,水滴魚的環境壓力是我們日常的 60 到 120 倍之多!

因此為了適應深海的高壓,深海魚類也有一套抵抗壓力的辦法。

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人們利用攝影機偷窺深海情景時發現,水滴魚在海底時,看起來與一般魚類並沒有什麼兩樣。

但是被意外打撈上岸時,由於外在環境壓力驟然降低,水滴魚本身也沒有骨頭一般的支撐結構,魚身就像是一個水球軟爛軟爛的,無法以海底那種看似正常一點的樣貌見人,於是就被人類票選為最醜動物,實在是很無辜。

下次對那位想當爛泥的朋友說:「你的壓力有比水滴魚大嗎?」圖/giphy

換個角度來說,如果人類在沒有壓力調節的情況下,從海面上一路狂降到水滴魚的海底世界去,會變成怎樣……你就想像一下大約兩棟台北 101 高度的水柱壓在你身上,或許這真的很難想像你的身體會變成什麼樣,但這就是水滴魚的日常。

這也是為什麼那些潛水員無論從陸地下到深海,或是從深海回到海面上時,都得經過緩慢的壓力調節過程,要是沒有妥善處置,容易造成有一種稱之為「減壓症」的病症,更通俗的叫法,我們稱之為「潛水夫病」。

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減壓症是什麼原因所造成的呢?

我們在前一章提過亨利定律,講淺一點,就是壓力越大,氣體溶解越多的現象。換言之,如果壓力由大變小的時候,氣體就會從液體裡頭釋出,就像汽水罐開瓶一樣。

因此潛水夫從海底浮上水面時, 要是沒有經過減壓的過程而急遽上浮,原先在海底高壓環境溶在體液裡的氮氣就會變成氣泡釋出,這些氣泡在身體內短時間無法消除,輕則皮膚發癢、皮疹、關節痛,重則導致死亡。

雖然這個症狀俗稱為潛水夫病,但具有高風險的可不只有潛水夫!既然這個症狀稱作「減壓症」,只要是身處的環境牽扯到壓力急遽變化,都得思考如何好好與壓力和平共存。

潛水夫從海底浮上水面時, 若沒有經過減壓而急遽上浮,易出現潛水夫症。圖/Wikimedia Commons

像是飛機起飛的時候,飛行高度急遽增加,換言之,氣壓也會跟著急遽下降,照理來說,減壓症或多或少都會反映在乘客上,不過好在飛機上都一定會搭載加壓艙,讓機內的氣壓盡可能與地表接近,才不至於讓一趟舒適的飛行體驗成為折磨人的受刑台。

看到了抗壓性極高的水滴魚,不禁讓人訝異生命為了延續它們的基因,不斷演化出各種不同的生理構造去對抗外在的艱困,當我們見證世界之大無奇不有時,不免發自內心的讚嘆。

沸點永遠是攝氏 100 度嗎?

在壓力之下,我們看見了生命體的強韌,但也發現到,無生命體對於外在壓力的變化,也有著一套屬於它們的應對規律。

「熔點」與「沸點」是我們所熟知,也與生活息息相關的物理性質。當把冰塊加熱,從零下的低溫上升到熔點時,代表冰塊將在這個溫度下熔化變為液態水;再持續加熱到沸點時,可以看到液態水將冒泡沸騰,變成水蒸氣,逸散到空氣裡。

我們從小就知道,當溫度升高到攝氏 100 度後,水會被「煮開」了。圖/Pixabay

我們從小到大都被教導,水的熔點是攝氏 0 度,而沸點則是攝氏 100 度,但這兩個數字之所以近乎真理般不曾被改變過,是因為我們身處一大氣壓的環境下所致。

換句話說,物質的熔點與沸點會隨著外在壓力不同而有所不同

當外在壓力越大時,大多數的物質熔點會提高,這也意味著會更難熔化;然而水與眾不同的地方在於:當外在壓力越高時,熔點反而會降低,這表示冰塊受到擠壓的時候,會更容易熔化為水!

用吸管感受一下壓力如何影響熔點

想要親身體驗一下這個現象,我們可以在速食店點一杯飲料,記得別去冰,接著準備一支細口的塑膠吸管(對了,速食店已經不提供吸管囉),先儘管把飲料喝完好好享受一番,此時底部是不是堆著許多冰塊呢?

就在這時,我們用手將吸管口壓在冰塊上面,一開始力量別太大,慢慢增加力量就好,到最大力的時候稍微「ㄍ一ㄥ」一下,接著再慢慢將力量變小,將吸管拿起來。

嘿,你的冰塊「黏」在吸管上了嗎?這就是很有名的「復冰現象」,當我們用吸管抵在冰塊上施加壓力時,吸管所壓住的冰塊區域熔點降低,進而融化成水,讓吸管稍微深入冰塊裡面。

吸管所壓住的冰塊區域熔點降低,進而融化成水,讓吸管稍微深入冰塊裡面。圖/商周出版

就在這時我們逐漸將力量變小,冰塊上的壓力消失,熔點上升,原先融化的水又變回冰塊, 於是結冰的部位將吸管包覆起來, 看起來就像冰塊「黏」在吸管口囉!

——本文摘自泛科學2020年10月選書《化學有多重要,為什麼我從來不知道?》,2020 年 8月,商周出版
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