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從「無(wú)用」理論到「有用」技術(shù),無(wú)線電是怎樣成為文明標(biāo)志的?

時(shí)間:2020-09-19 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 作者:中科院物理所 點(diǎn)擊:

在信息化時(shí)代,地球被無(wú)線電的海洋包圍著,現(xiàn)代人居于其中,但經(jīng)!坝枚恢,其背后的理論研究,以及后人加以應(yīng)用和開(kāi)發(fā)的眼光,共同構(gòu)成了20世紀(jì)的文明之光。

撰文 | 流熵

無(wú)線電在如今已深入我們生活的每一個(gè)角落,但大多數(shù)人對(duì)它“用而不知”。除了我們熟知的廣播、對(duì)講機(jī)、手機(jī)、WIFI、藍(lán)牙運(yùn)用了無(wú)線電,很多人不知道的是,身份證、公交卡、銀行卡,這些卡片也運(yùn)用了無(wú)線電技術(shù)。它們用到了基于無(wú)線電原理的射頻識(shí)別 (RFID, Radio Frequency Identification) 和近場(chǎng)通信 (NFC, Near Field Communication) 技術(shù)。每刷一次卡,就是一次無(wú)線電通信的過(guò)程。此外,飛機(jī)、輪船和高鐵也離不開(kāi)無(wú)線電。不管航天器飛出地球多遠(yuǎn),通過(guò)無(wú)線電就能對(duì)它進(jìn)行控制和通信。利用射電天文望遠(yuǎn)鏡甚至可以接收到宇宙邊緣的信息!

掐指算來(lái),無(wú)線電技術(shù)誕生至今已有120多年,培育了眾多的產(chǎn)業(yè)形態(tài),深刻改變了人類的生活方式,拓展了人類的科學(xué)視野,成為20世紀(jì)文明的標(biāo)志之一。而無(wú)線電通信技術(shù)的代表性先驅(qū)、意大利人馬可尼(Guglielmo Marconi,1874-1937)也因此被世人敬仰,并獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。然而,美國(guó)一位著名教育家卻說(shuō):“無(wú)論我們從廣播獲得怎樣的快樂(lè),無(wú)論無(wú)線電和廣播為人類生活帶來(lái)了什么,馬可尼的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略不計(jì)!边@話從何說(shuō)起呢?

無(wú)線電到底是什么?怎么用?

我們先來(lái)看看無(wú)線電究竟是什么?

說(shuō)到底,無(wú)線電是一種利用電磁波傳遞信息或能量的技術(shù),由于擺脫了導(dǎo)線的束縛,被叫做無(wú)線電。它以非接觸的形式,傳遞信息和能量,幫助人們突破了距離的阻隔。只要有無(wú)線電信號(hào),多遠(yuǎn)的距離都可以溝通聯(lián)絡(luò)。航天探測(cè)器的信號(hào)收發(fā)原理和我們的手機(jī)是一樣的:都是在發(fā)射端由電磁振蕩產(chǎn)生無(wú)線電波,在接收端通過(guò)天線耦合到無(wú)線電波的能量,繼而轉(zhuǎn)為電路信號(hào)再進(jìn)行分析處理。

電磁波速度公式和示意圖

電磁波是由電和磁的相互感應(yīng)產(chǎn)生的,速度為光速,大約是每秒30萬(wàn)千米,等于頻率和波長(zhǎng)的乘積。電磁波波長(zhǎng)越短,頻率越高,能量越強(qiáng)。電磁波的來(lái)源分兩種:一種是天然的,比如雷電、太陽(yáng)和宇宙射線;一種是人工的,比如高壓電線、雷達(dá)、廣播和WIFI。電磁波按頻率從低到高,可分為無(wú)線電波(它波長(zhǎng)最長(zhǎng))、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線、X射線和伽馬射線(它波長(zhǎng)最短,能量最強(qiáng))。無(wú)線電波的頻率在3000GHz以內(nèi)[2],所以,它是電磁波大家族中的一員。

電磁波譜大家族

除了利用無(wú)線電波的波動(dòng)特性來(lái)傳遞信息,人們還可以利用無(wú)線電波的反射特性實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè),比如雷達(dá)、遙測(cè)遙感和導(dǎo)航。無(wú)線電波還具有傳輸能量的特性,利用它造出微波爐、電磁爐等設(shè)備加熱物體。綜合利用無(wú)線電波的這些特性,人們研制出各種各樣的醫(yī)療器械來(lái)診療疾病。

鵲橋號(hào)中繼星為嫦娥四號(hào)和玉兔二號(hào)提供無(wú)線電信號(hào)的中繼服務(wù)

如今,在我們的信息化時(shí)代,可以說(shuō)地球是被無(wú)線電的海洋包圍著。無(wú)線電鋪天蓋地的實(shí)際應(yīng)用,我們就不過(guò)多枚舉了,無(wú)線電技術(shù)的一切原理都可由麥克斯韋方程推演而來(lái)。

無(wú)線電頻譜:看不見(jiàn)摸不到的珍稀資源

如果把信息比作貨物,無(wú)線電波就是運(yùn)貨的汽車,那么無(wú)線電頻譜在移動(dòng)通信中就是信息運(yùn)送的公路。就像開(kāi)車要各行其道一樣,不同的無(wú)線電業(yè)務(wù),要使用不同的頻率。把頻率按高低順序,像樂(lè)譜一樣排列起來(lái),就是無(wú)線電頻譜,它是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信不可或缺的核心資源。無(wú)線電頻譜作為一種特殊的自然資源,具有重大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和戰(zhàn)略價(jià)值,是人類近百年來(lái)新發(fā)現(xiàn)的一座巨大寶藏。

和石油、水、礦產(chǎn)、森林等自然資源不同,無(wú)線電頻譜資源不會(huì)被消耗掉。人們用它或不用它,它都在那里,不增不減,不生不滅。但在特定的技術(shù)條件下,頻譜資源的可用范圍是有限的。在一定的區(qū)域、時(shí)間和頻域內(nèi),某段頻率一旦被使用,其他設(shè)備便不能再用,否則就會(huì)產(chǎn)生干擾。所以,對(duì)其科學(xué)利用就能獲得價(jià)值。若閑置不用,就會(huì)造成浪費(fèi)。

無(wú)線電頻譜資源雖然由人類共享,但對(duì)于一個(gè)主權(quán)國(guó)家來(lái)說(shuō),卻是屬于國(guó)家所有的稀缺戰(zhàn)略資源和經(jīng)濟(jì)資源,其開(kāi)發(fā)利用關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展,也關(guān)系到國(guó)家主權(quán)和安全,在國(guó)內(nèi)應(yīng)由專門的政府機(jī)關(guān)進(jìn)行分配和管理[3]。在國(guó)際上,世界各國(guó)須依據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟[4]制定的《無(wú)線電規(guī)則》(Radio Regulation)實(shí)施無(wú)線電頻譜資源的規(guī)劃和管理。

無(wú)線電管理部門依據(jù)頻率劃分規(guī)定及劃分圖為各行各業(yè)劃分頻率

諾貝爾經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)得主,“頻率政策改革之父”——科斯(Ronald H. Coase,1910-2013年),在大學(xué)任教期間通過(guò)對(duì)無(wú)線電等公共資源分配方式的研究,于1959年發(fā)表了《聯(lián)邦通訊委員會(huì)》一文[5]。同年,他提出了大名鼎鼎的“科斯定律”。其核心思想就是:產(chǎn)權(quán)是市場(chǎng)交換的前提!翱扑苟伞睘闊o(wú)線電頻譜的市場(chǎng)化交易,打下了理論基礎(chǔ)。

“頻率政策改革之父”——科斯

隨著移動(dòng)通信的興起,無(wú)線電頻譜資源變得十分搶手。1989年,新西蘭首次對(duì)無(wú)線電頻譜實(shí)行了拍賣。1994年,美國(guó)進(jìn)行了第一次無(wú)線電頻譜拍賣。隨后,眾多歐美國(guó)家也開(kāi)始對(duì)無(wú)線電頻譜的市場(chǎng)化分配進(jìn)行了嘗試,全球電信產(chǎn)業(yè)隨之進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段,各類無(wú)線業(yè)務(wù)更加便捷、深入地服務(wù)于大眾。

2000年,德國(guó)的第三代移動(dòng)通信頻譜單筆拍賣成交價(jià)高達(dá)510億歐元。在1994年至2015年間,美國(guó)共組織了96場(chǎng)頻譜拍賣。其中2015年的拍賣,為美國(guó)政府帶來(lái)了450億美元的凈收入。

無(wú)線電頻譜當(dāng)然也給我國(guó)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。相關(guān)機(jī)構(gòu)通過(guò)研究國(guó)內(nèi)1999至2005年生產(chǎn)要素對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率,測(cè)算得出當(dāng)時(shí)頻譜資源的貢獻(xiàn)率為4.61%,已經(jīng)超過(guò)了人力資本對(duì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的貢獻(xiàn)率[6]。然而,我國(guó)政府并沒(méi)有狠抽頻譜資源的稅,大大降低了我國(guó)三大移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商的成本,這也是國(guó)內(nèi)的手機(jī)信號(hào)覆蓋遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于歐美國(guó)家的主要原因之一。很多歐美國(guó)家的通信網(wǎng)還沒(méi)有開(kāi)始建設(shè),運(yùn)營(yíng)商就因?yàn)楂@得頻譜資源而背上了巨額債務(wù)。

馬可尼:無(wú)線電通信技術(shù)的先驅(qū)

無(wú)線電遠(yuǎn)距離通信的成功是20世紀(jì)文明的標(biāo)志之一,它讓世界的距離前所未有地縮小了。橫越大西洋的無(wú)線電通信的成功,則被歷史學(xué)家看成具有世界歷史意義的技術(shù)事件,而馬可尼正是無(wú)線電通信技術(shù)的代表性先驅(qū)。

馬可尼出生在意大利博洛尼亞一個(gè)富有的家庭。他雖沒(méi)有接受完整的學(xué)歷教育,但接受了良好的家庭教育。家里不但設(shè)有私人圖書館和實(shí)驗(yàn)室,在他十幾歲時(shí),更是聘請(qǐng)到博洛尼亞大學(xué)的物理學(xué)教授奧古斯托·里吉(Augusto Righi)當(dāng)家庭教師。

馬可尼(Guglielmo Marconi)| 圖片來(lái)源:Wikipedia

德國(guó)物理學(xué)家赫茲(Heinrich Rudolf Hertz,1857-1894)在1886至1889年間用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在。赫茲發(fā)現(xiàn)的電磁波引起了馬可尼的興趣。1895年馬可尼在家中開(kāi)始了實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了無(wú)線電波的發(fā)送與接收,并逐漸把收發(fā)距離擴(kuò)大。但是向意大利政府請(qǐng)求資助未果,于是馬可尼和母親去英國(guó)尋求機(jī)會(huì)。

1896年2月,馬可尼到了倫敦,并幸運(yùn)地得到了英國(guó)郵政局總工程師威廉·普利斯(William Preece)的賞識(shí)與幫助。他在英國(guó)持續(xù)實(shí)驗(yàn),改進(jìn)了裝備的性能,擴(kuò)大了傳輸?shù)挠行Х秶,大大增?qiáng)了通訊的應(yīng)用價(jià)值,并得到了英國(guó)海軍和陸軍部門的關(guān)注和支持,為他在次年成立公司打下了基礎(chǔ)。

1899年3月,馬可尼首次跨域英吉利海峽,完成了英國(guó)與法國(guó)之間國(guó)際性的無(wú)線電通信。1901年12月12日,馬可尼成功地用摩爾斯電碼傳輸無(wú)線電信號(hào),把字母“S” (摩斯碼為“嘀-嘀-嘀”)從英國(guó)康沃爾郡的波特休發(fā)送到加拿大紐芬蘭的圣約翰斯,首次跨越了大西洋,距離遠(yuǎn)達(dá)2100英里(3381km),轟動(dòng)了世界。1907年10月,馬可尼進(jìn)一步開(kāi)辟了英國(guó)和加拿大之間橫跨大西洋的商業(yè)無(wú)線電報(bào)通訊業(yè)務(wù)。

馬可尼建造的第一個(gè)無(wú)線電發(fā)射器,可以通過(guò)摩爾斯電碼傳輸無(wú)線電信號(hào)。

1909年,因?qū)o(wú)線電報(bào)發(fā)展所做的貢獻(xiàn),馬可尼和德國(guó)物理學(xué)家布勞恩(Karl Braun,1850-1918)分享了當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1914年,第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后,馬可尼回到意大利為軍隊(duì)效力,1916年升任海軍司令部中校。從這一年起,馬可尼開(kāi)始了波長(zhǎng)10米以下的無(wú)線電技術(shù)研究,從而奠定了現(xiàn)代遠(yuǎn)距離無(wú)線電通信的基礎(chǔ)。1919年,馬可尼在中國(guó)上海設(shè)立公司,經(jīng)營(yíng)電子管、整流器及其他無(wú)線電產(chǎn)品。

1922年,馬可尼的公司做為出資方之一,參與組建了英國(guó)廣播公司,即BBC。

1929年,馬可尼被封為侯爵,擔(dān)任意大利皇家學(xué)院院長(zhǎng)。

1933年,馬可尼在其全球旅行途中曾到訪中國(guó),所到之處受到軍政界與學(xué)術(shù)團(tuán)體的熱烈歡迎。[7]

1937年7月20日,馬可尼因心臟病在羅馬去世,意大利政府為他舉行了國(guó)葬。

值得一提的是,幾乎和馬可尼同時(shí)開(kāi)展無(wú)線電應(yīng)用的還有波波夫(Александр Степанович Попов,1859-1906)、特斯拉(Nikola Tesla,1856-1943)和洛奇(Oliver Joseph Lodge,1851-1940)等人。

從無(wú)用的理論到有用的無(wú)線電

上世紀(jì)20年代的一天,美國(guó)著名教育家弗萊克斯納 (Abraham Flexner,1866-1959) 遇到了七十多歲的老紳士伊士曼 (George Eastman,1854-1932),后者是舉世公認(rèn)的大眾攝影之父、柯達(dá)公司創(chuàng)始人。那時(shí),伊士曼正準(zhǔn)備把畢生積蓄的一大部分投入到美國(guó)高等教育事業(yè),用于推動(dòng)“有用學(xué)科”的發(fā)展。

弗萊克斯納問(wèn)伊士曼:“在您心目中,誰(shuí)是當(dāng)今最‘有用’的科學(xué)家呢?”

伊士曼不假思索地說(shuō):“馬可尼!痹谝潦柯磥(lái),馬可尼的發(fā)明從根本上改變了人類的溝通方式,推動(dòng)了整個(gè)人類文明的發(fā)展。

沒(méi)想到的是,弗萊克斯納卻語(yǔ)出驚人:“親愛(ài)的伊士曼先生,在我看來(lái),無(wú)論我們從廣播獲得怎樣的快樂(lè),無(wú)論無(wú)線電和廣播為人類生活帶來(lái)了什么,馬可尼的貢獻(xiàn)幾乎可以忽略不計(jì)!

面對(duì)老紳士震驚的目光,這位普林斯頓高等研究院[8]的創(chuàng)始人解釋道:“伊士曼先生,馬可尼的出現(xiàn)是必然的,因?yàn)樵诖酥,已?jīng)有一位巨人為無(wú)線電的發(fā)明默默鋪好了所有臺(tái)階,只待有人登上臺(tái)階去摘取桂冠,此人就是麥克斯韋(James Clerk Maxwell,1831-1879)”。正是他在1865年對(duì)電磁場(chǎng)展開(kāi)了數(shù)學(xué)研究,并在1873年出版了《論電和磁》。[9]

麥克斯韋(James Clerk Maxwell)| 圖片來(lái)源:Wikipedia

1931年,愛(ài)因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)在紀(jì)念麥克斯韋誕辰100周年的慶典中,提出了“麥?zhǔn)暇V領(lǐng)”:用場(chǎng)來(lái)描述物理實(shí)在,用偏微分方程來(lái)解釋場(chǎng),經(jīng)典的場(chǎng)理論應(yīng)當(dāng)作為量子法則的出發(fā)點(diǎn),沒(méi)有它就沒(méi)有量子論。正是麥克斯韋的這些思想,啟發(fā)了愛(ài)因斯坦的靈感。[10]

與弗萊克斯納這段著名的“有用和無(wú)用之論”相似,還有個(gè)故事值得一提。

誠(chéng)然,麥克斯韋是電磁場(chǎng)理論的提出者和集大成者,為人類理解自然界做出了無(wú)以倫比的貢獻(xiàn),而他的理論研究是建立在法拉第(Michael Faraday,1791-1867)的基礎(chǔ)之上。

法拉第家境貧寒,未接受過(guò)學(xué)歷教育,憑借刻苦自學(xué)和勤勞智慧在電磁學(xué)和化學(xué)等領(lǐng)域做出了杰出貢獻(xiàn)。他為人質(zhì)樸,不圖名利,不但放棄有豐厚報(bào)酬的商業(yè)性工作,還謝絕了英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)職位和爵士封號(hào),以平民身份終生在皇家學(xué)院實(shí)驗(yàn)室工作,只為探究科學(xué)真理。

法拉第(Michael Faraday)| 圖片來(lái)源:Wikipedia

1837年,法拉第引入了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的概念,指出電和磁的周圍都有場(chǎng)的存在,這打破了牛頓力學(xué)“超距作用”的傳統(tǒng)觀念。1838年,他提出了電力線這一新概念來(lái)解釋電、磁現(xiàn)象,這是物理學(xué)理論上的一次重大突破。1843年,法拉第用有名的“冰桶實(shí)驗(yàn)”,證明了電荷守恒定律。1845年,他發(fā)現(xiàn)了“磁光效應(yīng)”,用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了光和磁的相互作用,為電、磁和光的統(tǒng)一理論奠定了基礎(chǔ)。法拉第和他的先輩一樣,研究電和磁是為了了解自然,是為了追求真理,而不是實(shí)用。

十九世紀(jì)50年代的一天,新上任的財(cái)政大臣格萊斯頓(William Ewart Gladstone 1809-1898)[11]到英國(guó)皇家學(xué)院聽(tīng)法拉第的電磁學(xué)講演,臨走時(shí)他問(wèn)道:“可是法拉利先生,這到底有什么用呢?”法拉第回答:“部長(zhǎng)先生,說(shuō)不定過(guò)不了多久,你能夠收它的稅呢!”幾十年后,電果真成了實(shí)用的東西,英國(guó)政府果真收起電稅來(lái)。[12]

科學(xué)家法拉第和政治家格萊斯頓當(dāng)時(shí)恐怕想象不到,一百多年后,由電磁學(xué)發(fā)展出來(lái)的技術(shù)應(yīng)用,還讓政府收了一大筆數(shù)額更加可觀的“稅”——就是上文說(shuō)到的無(wú)線電頻譜資源使用費(fèi)。

結(jié)語(yǔ)

的確,理論研究是應(yīng)用和開(kāi)發(fā)的前提,如果沒(méi)有理論做為基礎(chǔ),就沒(méi)有后面的技術(shù)實(shí)現(xiàn)、工程應(yīng)用、市場(chǎng)轉(zhuǎn)化和價(jià)值分配了。1864年,麥克斯韋從理論上預(yù)測(cè)了電磁波和電磁場(chǎng)的存在,計(jì)算推導(dǎo)出電磁波與光具有同樣的速度。這些預(yù)言在20多年后被赫茲的實(shí)驗(yàn)完美證明,赫茲驗(yàn)證了真理,卻沒(méi)有想著去應(yīng)用。又過(guò)了20年,馬可尼和波波夫們才開(kāi)始真正地把無(wú)線電用起來(lái)。到了20世紀(jì)末,無(wú)線電頻譜資源的市場(chǎng)化分配及其經(jīng)濟(jì)價(jià)值的體現(xiàn),也由科斯定律作為理論基礎(chǔ),在幾十年前預(yù)見(jiàn)了。無(wú)線電就是這樣一步步走來(lái)的。希望諸位能更加重視基礎(chǔ)理論研究,通過(guò)返樸于扎實(shí)的基礎(chǔ)理論,往往能引導(dǎo)出不窮的創(chuàng)新實(shí)踐。

人類對(duì)火的認(rèn)識(shí)、使用和掌握,是認(rèn)識(shí)和改造自然的第一次實(shí)踐,人類從此告別了茹毛飲血的蒙昧?xí)r代,拉開(kāi)了文明的序幕。對(duì)于無(wú)線電波和電磁場(chǎng)這種看不見(jiàn)摸不著的特殊物質(zhì),從其孕育(理論預(yù)見(jiàn)),到出生落地(實(shí)驗(yàn)證實(shí)),再到茁壯成年(廣泛應(yīng)用),歷經(jīng)幾代人百余年的薪火相傳,如今已燃就熊熊大火。我們不得不說(shuō),這是人類認(rèn)識(shí)和改造自然的又一次巨大飛躍!

注釋及參考文獻(xiàn)

[1] 2013年1月14日,聯(lián)合國(guó)大會(huì)批準(zhǔn)聯(lián)合國(guó)教科文組織的提議,將2月13日(聯(lián)合國(guó)電臺(tái)于1946年這一天成立)作為世界無(wú)線電日。

[2]依據(jù)《中華人民共和國(guó)無(wú)線電頻率劃分規(guī)定》(2018年版)1.1.4 無(wú)線電波是指頻率規(guī)定在3000GHz以下,不用人造波導(dǎo)而在空間傳播的電磁波。

[3]龍衛(wèi)球,夏春麗,《無(wú)線電法國(guó)別研究》,法律出版社,2014年8月第一版,P2

[4] 國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,簡(jiǎn)稱ITU,國(guó)際電聯(lián))其前身為國(guó)際電報(bào)公約組織,是聯(lián)合國(guó)機(jī)構(gòu)中歷史最長(zhǎng)的一個(gè)國(guó)際組織。

[5] The Federal Communications Commission Journal of Law and Economics 2 (October 1959): 1-40

[6] 楊偉峰,《無(wú)線電頻譜資源的巨大價(jià)值》,《無(wú)線電》雜志,人民郵電出版社,2019年5月刊,P61

[7]劉博杰,李艷平,《馬可尼1933 年的中國(guó)之行》,廣西民族大學(xué)學(xué)報(bào)( 自然科學(xué)版),2008年8月

[8]普林斯頓高等研究院(Institute for Advanced Study),簡(jiǎn)稱IAS,1930年成立于美國(guó)新澤西州普林斯頓市,是世界著名理論研究機(jī)構(gòu),但并不是普林斯頓大學(xué)的一部分。普林斯頓高等研究院是各個(gè)領(lǐng)域的最一流學(xué)者做最純粹的尖端研究,而不受任何教學(xué)任務(wù)、科研資金或者贊助商壓力的研究機(jī)構(gòu)。早期著名學(xué)者有愛(ài)因斯坦、馮·諾依曼、哥德?tīng)、奧本海默。

[9] Abraham Flexner:1939.“The Usefulness of Useless Knowledge”. Harper's Magazine.

[10] 許良英等譯:《愛(ài)因斯坦文集》第一卷,商務(wù)印書館,1976年,P292

[11]格萊斯頓是英國(guó)著名的政治家,1853年任財(cái)政大臣,其后曾四次出任英國(guó)首相。格萊斯頓是美國(guó)總統(tǒng)伍德羅·威爾遜的偶像,被學(xué)者排名為最偉大的英國(guó)首相之一。

[12]秦關(guān)根著:《法拉第》,中國(guó)青年出版社,2010年,P286


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