Histoire et philosophie des sciences, idées générales, bibliographie

EN CONSTRUCTION

I.CONSIDERATIONS INTRODUCTIVES

Texte introductif / essai 215

ORIGINE GENESE ET DEVELOPPEMENT DE LA SCIENCE ET DE LA METHODE SCIENTIFIQUE

Facultés caractéristiques de l'homme

L'évolution des espèces vivantes étant scientifiquement établie, nous pouvons considérer l'homme comme un organisme vivant ayant acquis, par  évolution du système nerveux , une structure cérébrale lui conférent  conscience et cognition.

Cette affirmation pourrait sembler péremptoire,mais il faut garder à l'esprit que notre objectif est d'étudier la physique et que la physique est une science qui, comme toute science, ne peut étayer de théories que sur base de phénomènes accessibles aux appareils sensoriels humains. En dehors de ce contexte il est, bien entendu, libre à tous de considérer l'homme comme une création "ex nihilo"  menée par une entité surnaturelle.

Observation des phénomènes naturels

Il n'en reste pas moins que l'homme, muni des ces attributs intellectuels peut constater son statut d'individu par rapport à ses semblables ou sa communauté    et considérer le milieu qui l'entoure  (l'univers) comme un espace peuplé d'objets ( pierres, arbres, astres...) qui interagissent  ( bris d'objets lors de leur chute,prédation,action de l'eau sur le feu ...) en s'accompagnant souvent des phénomènes détectables par ses organes sensoriels, le meilleur exemple en étant la production d'étincelle lors du choc entre deux pierres , mais encore les échauffements par frottement ,la vaporisation par contact de l'eau avec le feu... Il peut également constater que ces phénomènes détectables accompagnant les interactions entre objets peuvent avoir des effets sur les objets eux-mêmes (l'étincelle produite lors du choc entre deux pierres peut enflammer  de l'herbe sêche).

Exploitation de l'observation des phénomènes naturels

L'être humain s'est très tôt rendu compte qu'il était dépendant  de ces caractéristiques du milieu  et que d'autres formes vivantes étaient dépendantes de lui (prédation). Muni de l'instinct de survie, de sa curiosité naturelle, et de la faculté de raisonner,il compris vite l'intérêt d'observer ces interactions et d'en déduire les comportements susceptibles de faciliter sa survie ( stratégies de chasse, confection d'un foyer pour se réchauffer etc...). A ce stade , l'homme réalise une démarche empirique caractéristique du processus évolutif commun à toute les sciences (démarche scientifique).Quoique beaucoup de sciences, dans leur état actuel, ont atteint un stade ultérieur , certaines disciplines scientifiques sont encore en grande partie empiriques parce qu'elles sont trop jeunes ou trop complexes (médecine, psychologie...)

Nécessité de la mesure

Plus tard, l'homme rencontra certains impératifs lui imposant   d'évaluer quantitativement certains phénomènes, certains  exemples sont, à ce titre, intéressants :

- Utilisation par les égyptiens de l'antiquité d'un "nilomètre" pour évaluer quantitativement la hauteur d'eau du Nil, cette action leur permettait d'avoir une idée de l'imminence et de l'ampleur de la crue bienfaitrice.

- Evaluation quantitative du volume ou du poids d'une récolte pour prévoir une famine ou en déduire une valeur d'échange.

- Evaluation du poids d'un animal domestique pour en vérifier l'état d'engraissement ou avoir une idée de  sa valeur d'échange.

On remarquera que ces évaluations qui constituent l'origine des mesures  correspondent aux impératifs de la période néolithique de la préhistoire ( élevage, culture, troc, échange )

Au fur et à mesure que les activités de troc évoluèrent vers une véritable économie basée sur l'échange de biens  par l'intermédiaire de la monnaie , la nécessité de donner une valeur quantitative précise à ces biens se fît indispensable   . L'homme devint ainsi à même de mesurer des poids (métaux), des volumes(récoltes), des surfaces (terrains) en utilisant des instruments de mesure ( étalons, règles graduées, balances,...)

Utilisation de relations à caractère mathématique

Il est utile de noter que l'homme devait, entre autre, établir des relations mathématiques entre mesure d'une caractéristique d'un bien (poids) et valeur  économique de celui-ci , ainsi :

Si un bien correspond à une valeur mesurée "a" et que le prix pour une valeur mesurée unitaire du bien vaut "u" , la valeur du bien V sera établie comme suit :  V = a x u.

On remarque d'une part l'obligation de définir des unités de mesure et l'utilisation de relations mathématiques que l'on considérera beaucoup plus tard comme étant constituées de fonctions de valeurs  variables

A ce stade de notre parcours , nous avons rencontré  l'observation des phénomènes naturels induisant la déduction de règles  utiles pour assurer la survie de l'homme. Ensuite nous avons montré que cet homme est devenu capable d'effectuer des mesures sur des objets et qu' à partir de ces mesures il commença à établir des relations mathématiques en vue d'obtenir un résultat pratique.

Ceci constitue les bases de toute science

En reprenant  l'exemple qui précède directement,nous voyons que le résultat pratique est la valeur du bien "V" et que la valeur variable est la valeur mesurée "a" si l'on considère le prix unitaire "u" comme étant fixe. la relation mathématique est une égalité (=) entre V et une opération algébrique de multiplication u x a  de nature linéaire, "u" étant une constante fixée par convention.

En langage mathématique, nous dirons que V est une fonction de la seule variable "a", on écrira symboliquement  V= f(a)  ou plus conventionnellement pour les impétrants mathématiciens y = f(x).      

Ceci montre déjà l'étroite interrelation  entre les disciplines scientifiques et l'appareil mathématique

Expérimentation

Nous devons cependant apporter une composante supplémentaire à la notion de démarche empirique.

Les différents âges des métaux vont nous fournir un guide adéquat pour préciser notre idée.

Historiquement, l'homme a découvert l'utilisation qu'il pouvait  faire des métaux vers la fin de la préhistoire,c'est ainsi qu'il s'est mis à confectionner des structures métalliques utilitaires comme les armes et les outils. Il est raisonnable de penser qu'à l'origine un ou plusieurs individus ont été placés accidentellement en présence d'un métal en fusion.Il se peut tout autant que, mû par sa curiosité, l'homme ait lui même mis le métal en contact avec un foyer suffisamment chaud. Imaginez maintenant la mine spécifique qu'il a du arborer en constatant le passage dans un état malléable et à la limite visqueux du métal ordinairement solide, ce métal empruntant ainsi les déformations qu'on lui impose. Il a été à l'homme , par  la suite, loisible de constater  que lorsque le métal refroidit il redevient solide et conserve les déformations qui lui ont été imposées.

L'homme s'est alors mis à la recherche  de minerai pour répéter le processus observé, il en avait les moyens et disposait de foyers suffisamment efficaces pour atteindre des températures de l'ordre de 1000°C ce qui est suffisant pour fondre des alliages comme le bronze.Il semble que parmi les premiers métaux fondus on trouve l'étain ( 5000 avant notre ère ), le premier alliage dont la fusion a été exploitée serait le bronze ( 2000 avant notre ère). Muni de cette expérience, l'homme est ainsi en mesure de modeler des objets solides et difficilement altérables.Il répètera ainsi indéfiniment l'expérience et put vérifier inconsciemment un principe fondateur aux conséquences universelles : le principe de causalité. Ce principe peut être décliné par la maxime "les mêmes actions menées sur des objets identiques  produisent les mêmes effets", les actions dont il est question sont appelées causes.Ce principe de causalité est à la base du critère scientifique de reproductibilité des expériences.On entend généralement par cause d’un fait, ce qui le produit ou du moins participe à sa production. Donner les causes d'un fait revient à le rendre intelligible en répondant à la question : "pourquoi ce fait a-t-il lieu ?". La donnée des causes peut donc être conçue comme l'explication du fait par excellence. Beaucoup de Philosophes s'emparèrent, plus tard , de cette notion (Aristote, Hume...)mais elle reste à la base de tout l'édifice des sciences en général et de la physique en particulier sans  oublier l'aspect souverain qu'elle recouvra en mathématique , par l'intermédiaire de la logique jusque récemment (Théorème d'incomplétude de Goëdel, 1931),ou sa validité fût mise en doute dans certains cas particuliers.Les expériences dont nous parlons plus haut ont une valeur particulière fondamentale en sciences. Expérimenter, pour un scientifique, c'est reproduire des  phénomènes observables dans notre univers au moyen de dispositifs expérimentaux en laboratoire. Un dispositif expérimental est un dispositif matériel conçu pour se comporter comme l'objet qui est le siège du phénomène observé dans la nature, par soucis d'efficacité il sera réduit à la portion congrue pour éviter toute interaction avec d'autres phénomènes. On isole ainsi l'objet que l'on appelle généralement système

Notion de système

en sciences physiques.La définition la plus générale que l'on puisse donner d'un système  est la suivante : " Portion de l'univers isolée par une surface fictive ou réelle", nous ne nous étendrons pas plus sur cette notion qui pour être complètement assimilée doit faire l'objet d'une certaine expérience de son utilisation.

Le fruit de l'expérimentation : la loi empirique

L'expérimentation consiste donc à provoquer des phénomènes naturels dans des conditions déterminées par l'intermédiaire d'un dispositif expérimental et de faire varier ces conditions de manière à en déterminer les influences (relation cause à effet, causalité). Si l'on parvient à déterminer le lien de causalité entre les conditions et les effets , ont peut établir une loi expérimentale ou empirique du phénomène en question. Notons que faire varier les conditions, c'est faire varier des paramètres que l'on a préalablement définis et que l'on peut mesurer, de même pour évaluer les effets, on doit pouvoir les mesurer.

Nous sommes maintenant en mesure, de faire comprendre sur quoi porte cette première phase de la démarche scientifique que nous appelons étape empirique.

Conclusion : la démarche empirique

En conclusion : En sciences , il existe une démarche  essentielle que l'on nomme méthode scientifique, cette méthode se présente sous la forme de différents stades  munis d'un ordre logique et chronologique. Le premier stade de cette méthode est le stade empirique.Par stade empirique , on entend une approche des phénomènes naturels, basée sur l'observation et l'expérimentation, qui permettra de découvrir des lois en rapport avec le phénomène étudié. Si ces lois sont exprimables en terme mathématiques (relations, fonctions), on parle alors de mathématisation du réel consistant ,notamment, à trouver une fonction des conditions initiales mesurables qui fournit des valeurs proches de la valeur réelle des effets produits.

Parmi les exemples disponibles de telles lois empiriques, on peut citer : La loi de la chute des corps dans le vide, la loi des chocs élastiques entre deux billes, la loi des oscillations d'un pendule simple ...

Remarque : Les mots, phrases ou expressions soulignés dans le texte qui précède constituent un part importante du vocabulaire fondamental des sciences. Tout futur scientifique digne de ce nom devra le posséder et le maîtriser pour mener à bien son travail.

Il ne faut cependant pas se leurrer, pour pouvoir saisir sa portée générale et ses implications philosophiques une notable expérience de son emploi réfléchi est indispensable.

La démarche précédemment décrite ne fait pas usage du raisonnement et n'établit pas de théorie . On ne fait qu'accumuler un grand nombre de lois empiriques apparemment indépendantes . Comme nous l'avons mentionné plus haut, les sciences les moins évoluées , parce que les plus complexes ou les plus jeunes ( notamment de nombreuses sciences de l'homme) , sont encore à ce stade .

Remarquons en passant que, dans l'étude des phénomènes passés( géologie, paléontologie...), il n'est pas possible de reconstituer les causes primitives et de recourir à l'expérimentation. Dans ce cas, on commence par  observer et décrire, avec soin et méthode, les résultats actuels de ces phénomènes d'une ère  lointaine.      

Etape suivante, l'élaboration de lois générales et la logique

Après avoir énoncé un certain nombre de lois concernant des phénomènes présentant certaines analogies,on remarque souvent que ces différentes lois particulières  peuvent être déduites de façon logique d'une loi générale.

Enoncer une loi générale impose donc l'utilisation de l'outil logique.                                           

La logique est à l'origine la recherche de règles générales et formelles permettant de distinguer un raisonnement concluant de celui qui ne l'est pas. Elle trouve ses premiers tâtonnements dans les mathématiques et surtout dans la géométrie mais c'est principalement sous l'impulsion des Mégariques et ensuite d'Aristote ( 384-322 avant notre ère) qu'elle prit son envol. L’approche historique qui s’intéresse à l’évolution et au développement de la logique et tout particulièrement à la syllogistique aristotélicienne est liée aux tentatives de Leibniz pour faire de la logique un véritable calcul algorithmique. Cette approche historique est tout particulièrement intéressante pour la philosophie car aussi bien Aristote que les Stoïciens ou que Leibniz ont travaillé comme philosophes et comme logiciens. 

Emmanuel Kant, définit la logique comme «une science qui expose dans le détail et prouve de manière stricte, uniquement les règles formelles de toute pensée». L'œuvre d'Aristote appelée l'Organon, où figure notamment l'étude du syllogisme, fut longtemps considérée comme le manuel de référence sur ce sujet. Mais la naissance d'une logique formelle dépassant la structure binaire entre sujet et attribut à partir du XIXème siècle, a profondément changé cet état de fait. Ainsi Gottlob Frege et Russel remplacent-t-il l'analyse prédicative par une distinction entre fonction et argument(pour mémoire).

Nous voiçi donc en mesure de d'induire ou inférer des  lois fondamentales à partir de  comparaison et généralisation de lois expérimentales

Par exemple : Les lois particulières envisagées plus haut dans le texte peuvent être logiquement retrouvées à partir du principe fondamental de la mécanique selon lequel l'accélération prise par un point matériel est proportionnelle à la force qui s'exerce sur lui et inversément proportionnelle à sa masse. Ces lois générales qui deviendront de plus en plus générales par répétition du procédé sont donc induites de l'expérience et constituent des principes  fondamentaux . Au début , ces principes fondamentaux ou postulats ne font figure que d'hypothèses car, souvent, ils ne peuvent être vérifiés dans toute leur généralité .

Admettre des lois générales comme étant des postulats signifie qu'on admet qu'elles constituent des principes généraux . Cette hypothèse semble hardie et manquer de rigueur. Il n'en est rien car dans le stade suivant on déduit de ces postulats , le plus souvent par voie mathématique , un certain nombre de conséquences.

Si ces conséquences peuvent être confirmées expérimentalement, alors le postulat acquiert le statut de principe fondamental. Sa validité est établie par vérification expérimentale.

Troisième étape révision des postulats fondamentaux

On peut être contraint de réviser des principes fondamentaux , cette contrainte apparaît dans deux grands types de situations :

- L'une des conséquences du principe ne se vérifie pas

- Un phénomène naturel ne peut être expliqué par les principes connus à ce moment.

Que se passe-t-il alors ? Il est évident que tout l'édifice établi ne peut s'écrouler  puisque les lois issues de l'expérimentation ne changent pas. Ce qui se passe en général c'est que l'on est amené à considérer qu'un principe que l'on croyait général n'est en réalité, qu'un cas particulier d'un principe encore plus général . Ce nouveau principe plus général permet de retrouver, non seulement tous les phénomènes déjà étudiés , mais aussi celui ou ceux qui avaient mis en échec les principes admis précédemment.

Par exemple , la loi de composition des vitesses , telle qu'elle est admise en mécanique classique n'est plus valable lorsque les vitesses ne sont pas négligeables par rapport à celle de la lumière ( 300.000 km/sec ). La théorie de la relativité a établi une loi différente et plus générale, dont on peut déduire la loi classique dans le cas particulier où les vitesses sont relativement faibles.

La loi de composition des vitesses de la mécanique classique n'est donc applicable que dans un domaine particulier où les vitesses sont relativement faibles, ce domaine constitue le domaine de validité de la loi. La mécanique classique est dont inclue dans la mécanique relativiste qui a un domaine de validité plus large.

Les postulats sont donc susceptibles d'être révisés avec l'évolution des sciences   

Si un postulat est souvent l'énoncé d'une loi fondamentale , il peut également être l'énoncé d'un ensemble de propriétés se rapportant à un être physique ( atomes , électrons, photons) et correspond à des hypothèses fondamentales. Ces hypothèses aident à définir un être physique "idéal" que l'on appelle modèle. Par exemple, dans les premières considérations sur la structures de l'atome , Lord Rutheford , a émis l'idée que l'atome correspondait à un noyau central rigide chargé positivement pourvu d'une masse et entouré de particules chargées négativement beaucoup plus petites Ces particules évolueraient selon des trajectoires circulaires dont le centre est le noyau. C'est le modèle de l'atome planétaire.

Lorsque la nature des êtres physiques se précise , les postulats précédents peuvent être limités à certains cas particuliers et le processus de généralisation est encore le même. C'est ainsi que le modèle planétaire de Rutherford fût remplacé par le modèle de Bohr ayant un pouvoir explicatif plus étendu.

Conclusion : caractéristiques essentielles de la méthode scientifique

Nous pouvons maintenant dégager les quatres caractéristiques essentielles de la méthode scientifique :

1) Origine expérimentale des postulats mis à la base de toute science.

2) Vérification expérimentale des conséquences logiques des postulats.

3) Libre examen des postulats fondamentaux et éventuelle généralisation de ceux-ci, caractère adogmatique de la science.

4) Objectivité et universalité de la méthode scientifique , toutes les expérimentations doivent être indépendantes de l'observateur. Chacun peut donc , d'une part vérifier les expériences  qui ont été utilisées et, d'autre part, vérifier le raisonnement mathématique qui a servi à bâtir les théories.

Les caractéristiques de la méthode scientifique permettent que l'on puisse déduire de nombreux phénomènes naturels à partir d'un nombre relativement restreint de principes fondamentaux.On obtient donc , en définitive, une description scientifique du monde où les liens de cause à effet sont déduis de façon logique et vérifiés par l'expérience.

La méthode scientifique a commencé à être utilisée dans sa totalité à partir du XVIIème siècle, pourquoi ?

Pour répondre à cette question, il suffit de remarquer qu'avant cette date, peu d'expériences précises étaient possibles , à cause de l'imprécision des moyens techniques dont on pouvait disposer . Or cette méthode est essentiellement basée sur la mesure et la vérification expérimentale.

On connaît, à titre d'exemple, le cas de Galilée ayant beaucoup hésité sur le point de déterminer si les corps tombaient avec une vitesse proportionnelle à l'espace parcouru ou proportionnelle au temps .S'il    eut beaucoup de mal à lever expérimentalement ce dilemme , c'est qu'il ne possédait pas de moyen sufisamment précis pour mesurer le temps et d'enregistrer un phénomène en fonction de celui-ci.

Ce n'est donc qu'à partir du XVIIème siècle que la méthode expérimentale a pu se développer , la technique aidant la science et réciproquement, la science aidant la technique.

Actuellement, toutes les sciences se développent en suivant la même méthode et c'est pourquoi nous pouvons parler d'une méthode scientifique.

La physique

La physique est la science correspondant peut-être de la manière la plus évidente au schéma établi ci-dessus et ce, à tous les stades.

Historiquement et jusqu'au XIXème siècle la dénomination sciences physiques actuelle était reprise sous le vocable "Philosophie naturelle. C'est bien ce qu'elle est, une philosophie naturelle, en ce sens qu'elle cherche à expliquer les phénomènes naturels dans leur ensemble et qu'elle exploite le principe de la causalité et la logique. La logique ayant une origine philosophique comme la démarche de recherche de sens.

Cependant, cette philosophie se développant et se diversifiant, on a été amené de manière quelque peu arbitraire à la scinder en disciplines particulières. Ainsi, la chimie poursuit les mêmes but que la physique mais s'applique à des phénomènes dits "chimiques" en ce sens qu'ils ont lieu avec transformation de la nature des corps, c'est la principale caractéristique d'une réaction chimique.Cette division est cependant conventionnelle , et peu importe le niveau structurel de la matière où l'on se trouve : les électrons, les ions, les molécules et les atomes n'en restent pas moins des  êtres physiques.D'ailleurs, la chimie n'aurait pas pu se développer sans un important apport des sciences dites "physiques"(Mécanique ondulatoire, loi des gaz, interactions de nature électrique). De  plus, il suffit de constater l'existence de sciences « intermédiaires » comme la physico-chimie ou la chimie physique pour se convaincre de la connexion profonde entre ces deux disciplines scientifiques.

Pour les sciences biologiques, on peut aboutir à des conclusions similaires , mais de manière peut-être moins directe.En effet , la biologie est la science des êtres vivants, ces êtres vivants , caractérisés par un niveau élevé d'organisation de la matière, ont, par ce fait, acquis des caractéristiques particulières dues partiellement aux propriétés émergentes des systèmes complexes. L'unité caractéristique du vivant est la cellule, mais la cellule est ,comme tout échantillon de matière un système construit  avec des particules ultimes ayant des caractéristiques physiques  classiques. 

Il est conseillé de ne pas négliger les grandes lignes de l'histoire des sciences , Elles permettent d'avoir une idée de la construction progressive des théories et de constater l'existence d'impasses et de réussites constituant par leurs richesses respectives une expérience dont la prise en compte a conféré au génie humain un maximum d'efficacité.

II. HISTOIRE GENERALE DES SCIENCES

1. Définition de la Science

Il paraît logique, avant d'entreprendre une histoire des sciences, de définir ce qu'on entend par science. Le mot lui-même vient du latin scientia dont la racine est scire, qui veut dire "savoir".
Le Robert définit la science comme :

Tout corps de connaissances ayant un objet déterminé et reconnu, et une méthode propre; il s'agit, en ce sens d'undomaine du savoir.vIl n'y a donc pas une science, mais des sciences, chacune caractérisée par un ensemble de pratiquesplus ou moins différenciées, des mathématiques à la sociologie en passant par la comptabilité !
La définition de science utilisée dans ce cours est plus restrictive. Il s'agit plutôt d'une tentativesystématique de connaissance de la Nature par des voies rationnelles. Autrement dit, nous neconsidérons que les sciences de la Nature, ce qu'on appelait autrefois la Philosophie naturelle.

En langage moderne, ceci signifie la physique, la chimie, la biologie et les disciplines connexes (astronomie, géologie, etc.), auxquelles on ajoute les mathématiques.
La place des mathématiques est singulière, car il s'agit d'un ensemble de concepts et de méthodes dont l'objet n'est pas exclusivement l'etude de la Nature, mais qui s'étend à pratiquement toute l'activité humaine. Nous les incluons tout de même dans notre étude, en raison non seulement de leur importance fondamentale dans l'évolution des connaissances sur la Nature, mais de leur place centrale dans l'évolution de la pensée humaine.

En contrepartie, ce texte se trouve à exclure les éléments suivants :

•Les parties de la philosophie qui ne s'intéressent pas directement à la Nature ou au processus de connaissance de la Nature.
•Les sciences humaines en général.
•Les techniques et la technologie, sauf dans les cas où leur relation avec le développement
scientifique est particulièrement étroite, notamment dans le dernier chapitre, qui porte sur
l'informatique.

Les qualificatifs systématique et rationnel dans la définition de la science donnée plus haut sont essentiels. Le premier signifie que les connaissances acquises doivent former le plus possible un tout cohérent, autrement dit qu'on ne doit pas faire appel à de nouveaux principes à chaque fois que se présente un nouveau phénomène ou une observation nouvelle : en autant que faire se peut,les connaissances doivent former un système. Le deuxième signifie que les connaissances acquises doivent être soumises aux règles élémentaires de la logique et faire le plus possible abstraction des émotions, des pressions sociales, bref, de notre condition humaine. Ce qui précède est évidemment plutôt imprécis : c'est le rôle de l'épistémologie de préciser ces notions. Nous espérons qu'une idée plus claire de ce que constituent la science et la méthode scientifique émergera de ce texte

Certaines sociétés savantes, dans le but de démarquer la science de pratiques qu’elles considèrent plutôt comme des pseudo-sciences, tentent d’en donner une définition basée sur ses méthodes et ses effets plutôt que sur des champs d’étude précis. Ce qui suit est une définition de la science soumise par l’American Physical Society (APS) :

La science agrandit et enrichit nos vies, ouvre notre imagination et nous libère des servitudes de l’ignorance et de la superstition.

Les sociétés savantes soussignées désirent énoncer les préceptes de la science moderne qui sont responsables de son succès. La science est l’entreprise systématique d’acquérir des connaissances sur le monde, d’organiser et de synthétiser ces connaissances en lois et théories vérifiables. Le succès et la crédibilité de la science prend sa source dans la volonté des scientifiques de

1) Soumettre leurs idées et résultats à la vérification et la reproduction indépendante par d’autres scientifiques, ce qui nécessite l’échange complet et ouvert des données, procédés et matériel.

2) Abandonner ou modifier les conclusions acceptées lorsque confrontés à des évidences expérimentales plus complètes ou fiables. L’adhésion à ces principes procure un mécanisme d’auto-correction qui est le fondement de la crédibilité de la science.

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