文/胡月
光纤通信、色觉机理、黄金分割点、海森堡不确定性原理,这些看似千差万别的领域被山东科技大学电子信息工程学院二级教授、国家高层次人才、光纤通信与生物光学交叉学科研究中心主任梁安辉博士以“光纤”巧妙地联系在一起,并产生重大的科学发现。梁安辉长期从事尖端的光纤通信和生物光学方面的学术及研发工作,在高速光通信、视觉及仿生光通信、中医与光学等多个研究领域取得重要进展。
开天辟地,视觉新突破第一人
一百多年以来,对立色学说的光学解剖学基础这一难题一直未能解开,这也让色觉机理的发展之路迟迟不能迈进。随着研究的逐渐深入,梁安辉在世界上首先提出了人眼中央凹相邻视锥细胞为光纤耦合器的观点。他发现一个视锥细胞外纤维部分和内段与相邻的另一个视锥细胞的外纤维和内段部分之间有强烈的耦合,就像类似于光通信系统中广泛使用的波分复用耦合器一样,会形成一个强耦合区。这个观点的提出直接统一了对立了一百多年的两个色觉学说——三原色说和对立色学说。
他在世界上首次发现了人眼中央凹视锥细胞乃单模光纤,是世界上第一个研究单模光电探测器的人,不仅在视觉领域,即使把光纤通信及CMOS成像领域在内,他也是世界上提出和研究单模探测器的第一人。“光感受器细胞是极其节能和优化的光探测器,有许多优越特性值得我们在光探测器设计中借鉴和模仿。”梁安辉介绍到。人的光感受器细胞可分为两类:一类是人眼内的视锥细胞,感受强光,位于视网膜中心,外段直径约1微米左右,主要在白天负责明视工作,反应速度很快,可以感受红绿蓝三原色,其中红光绿光都是单模工作,蓝光的外段也是单模工作。而与之相对的另一类人眼内的视杆细胞则负责暗视,感受弱光,外段、内段直径均在2微米左右,主要负责夜里的暗视工作,反映速度也相对较慢。人眼视杆细胞是异常灵活、结构极其优化、耗能极低的单光子探测器。
与此同时,人眼的视锥细胞和视杆细胞还是天然的量子阱半导体光电探测器。视杆和视锥外段是由上千个膜盘平行摆列而成的,其中视杆和视锥每个膜盘的厚度约为3.5-7.5nm。但由于膜盘厚度很窄,载流子(半导体中的电子或空穴)被限制在膜盘平面内移动,因而会产生很强的量子效应。这样的结构就决定了,尽管人眼中的光感受器细胞多达1亿个,但其总耗能却很小,平均下来每个光感受器细胞的耗能远远低于目前光通信中使用的光收发器模块。
通过不懈的坚持与努力,梁安辉又提出了新的观点:色觉中的黄金分割点。他在色觉中发现了十几个新的黄金分割点:如人眼蓝视锥细胞和绿视锥细胞吸收峰值之间的黄金分割点、人眼颜色分辨率最好的波长、人眼视杆细胞的吸收峰,这3个点竟然是一致的;而人眼红视锥细胞和绿视锥细胞吸收峰之间的黄金分割点与人眼强度最敏感波长555纳米及叶绿素的透射波长峰值基本一致;除此之外,人眼绿视锥细胞和红视锥细胞对视觉敏感度曲线中所占的权重也是黄金分割点。
“视觉中采用黄金分割的直接好处是节能。试想一下,如果当目标恰好位于黄金分割点上,眼睛便可第一时间发现目标,就无需进行更进一步的寻找。这样一来,就可节省寻找步骤,减少能最消耗;相反,如果目标没有位于黄金分割点上,眼睛则会以黄金分割点两侧区域的黄金分割点作为新目标继续寻找,直到发现确定目标为止。节能对动物尤其是高等动物来说非常重要,既可减少其食物消耗又有利于动物的生存,可谓一举两得。”梁安辉说。
但对于视觉的奥秘来说,这显然还不是最神奇之处。他在世界上首次提出视网膜上有三极管,这是人类首次提出生物体内有三极管。他相信动物的脑内也有许多三极管,这对于认识大脑很重要。正是人体中存在的大量三极管可以帮助理解为何人能与AlphaGo下围棋,耗能仅为AlphaGo的两万分之一。AlphaGo有上万亿个三极管。他在世界上首先提出视锥、视杆细胞末端的细线与囊泡一起构成了一个纳米线的三极管,囊泡里的谷氨酸盐带负电,构成了栅极,其结构非常类似于传统的纳米线MOSFET三极管,该结构可以在室温甚至体温下进行电流放大。他乘胜追击,发现在视网膜中的电路与光纤通信接收机中用的电路有些类似,于是他借助光纤通信接收机中用的电路模型进行起步研究,更加深入地了解视网膜上各个细胞的功能及它们之间的相互作用。他还提出深入研究视网膜上视锥的光纤及电路模型将会揭示色觉的奥秘,对认识色弱、色盲及其他眼病的机理及治疗有重要意义。他也提出人脑中可以有生物三极管动物。为什么要睡眠? 这是科学杂志所列的125个难题中之一,他在世界上首先提出了突触很热,远高于周围环境。在世界上首先提出突触至少含有一个半导体PN结。动物要睡眠是想要大幅降低突触的温度,这样可使有PN结的突触减少老化以延长动物寿命,动物要睡眠也有助于大幅降低线粒体的温度,也减少老化以延长动物寿命。他的理论可以直观的解释为何大部分陆生动物白天活动,晚上睡眠,因为这样可以利用昼夜的温差及光线的强弱。他在世界上首先提出阿兹海默症的主要原因是突触PN结击穿,击穿的机理要三种:热电击穿,雪崩击穿和隧道击穿三类,特别是热电击穿是永久碰坏性的。这也可以解释了为何长期睡眠少的人容易得阿兹海默症,是因为有PN结的突触长期热的烧坏了。他的新理论为阿兹海默症的诊断及治疗提供了新思路。
他山之石可工玉,仿生光通信、仿生摄影显神通
梁安辉首先提出了在光通信领域中仿生, 如仿照人眼及人的经络系统。“我们完全可以进行多种尝试:仿照视锥细胞设计未来的高速光电探测器及其阵列;仿照视杆细胞探测单个光子的功能,设计灵敏度非常高的探测器;再者仿照视细胞的量子阱结构,开发更低功耗的光器件。这些都不在话下。”梁安辉充满信心地表示。因为视杆细胞可以在体温(37度)下探测单光子,而现在最好的人造单光子探测器也只能在室温下探测单光子。他提出仿视杆细胞的仿生单光子探测器可用于量子通信等领域。
眼睛中的晶状体的98-99%以上为水,他在2012年便在世界上首先提出其重要的功能之一为冷却上亿个光电探测器(视锥及视杆)。水的比热在常温下是最大的,这样有利于光电探测器(视锥及视杆)的散热。在2012年,基于仿生理念, 他首先提出在通信领域使用水冷散热, 他提出使用水冷的光模块, 在无线领域, 华为也开始使用水冷的手机。
传统的多芯光纤各个光纤之间相互独立,早在2012年,他就提出了模仿人眼视网膜上视锥的强耦合效应来设计有强耦合的多芯光纤,后来类似该结构的多芯光纤被他人实验证实性能较好。
他也首先提出模仿人眼视网膜的仿生光学AI,可节能几十万倍,并且低延时,采用三种不同吸收波段的探测器,采用先进的调制格式。他也在提出仿脊椎动物的视网膜的摄影及显示,可色彩非常逼真、大大节能并且低延时。
为光纤通信插上梦想的翅膀
梁安辉从大学时期开始接触到光纤通信这个领域,早在1994年,他就在世界上率先提出密集周期光纤色散补偿方法。所谓密集周期光纤色散补偿,指的就是在2个EDFA之间安排多个色散周期,就可以有效克服光纤的非线性问题,大大提高光谱的使用范围。
长期在学术之间徘徊的梁安辉深感一定要将理论与实践结合起来。远赴香港、日本、美国等地学习工作期间,他开发了世界上第一个商用的40G光收发器模块,将学术与产业的结合完美地交出了答卷。回国后他仍一心向往高速光纤通信系统。他在100G高速信号传输方面取得了重要进展。
贯通古今,验证中医之力量
中医是中国传统文化中的精髓。“我觉得中医就像一位美丽的新娘,她的红盖头还没有完全被摘开,充满神秘的魅力。我希望通过我们的研究揭开她的红盖头,为中华文化源远流长做出贡献。”梁安辉说。
从青年时期就喜欢研究中国传统医学和经络理论的梁安辉发现,人体中的经络与光纤竟然有“不谋而合”之处。1992年,他首次提出了“人体中的经络为光纤”的理论,引起了轩然大波:他认为经络是光纤,中医所说的”气”便是光;在人体的不同部位,经络可以由不同的物质组成。这与光纤通信系统很类似。最近,他在一个重要的国际会议上特邀报告报道了他在世界上首次进行的可见光在经络光纤传输的直观实验:发现用可见光可在中华鲟鱼的筋中传输,令人惊讶的是中华鲟鱼的筋即使被煮熟后仍然可传输光,中华鲟鱼的筋相当于人的督脉。同时梁安辉认为:作为光纤,经络又是人体重要的散热通道如内脏可通过经络这一散热通道,将其产生的热量在穴位处散发出来,所以穴位温度就会比周围高一些。
梁安辉说:“人体不仅是光纤通信系统还是针对体温、应力等的分布式光纤传感系统和分布式控制系统。中医里讲的心肝脾胃肾,都和人的健康、情绪有关,就是说的这个意思。”
梁安辉一直坚信,终有一天他能用他的研究去验证传统中医理论的价值,能够通过自己所擅长的领域将中国的传统文化发扬光大。
探究头发光纤,展现人类演化历史
另外,他还首先提出并验证了头发是中远红外光纤,与传统的观点认为头发是为动物保暖的看法不同的是,他认为头发的轴向是散热的,而横向是隔热的,在环境冷时以隔热保暖为主, 但在环境热时反而是以散热为主。在一个重要的国际会议上特邀报告中,他首先提出头发和火一起可能是古人类为何褪掉长体毛的原因,甚至是人体直立的原因,他认为古人类较多使用火后,因担心长体毛被烧着,长体毛变为短汗毛。对于古人体直立的原因,这也是与《纽约时报》发布的人们最想知道的11件事情之一密切相关的,梁安辉认为是人类开始用火后,为了更方便的举起着火的植物恐吓入侵动物,在草原、芦苇中站高以分辨出火源方位、位置, 为了避免用火烧着自己的毛发而站立起来,这样才方便腾出手来方便用火!
发现比不确定性原理更为精确的公式
梁安辉与诺贝尔奖提名者Akira Hasegawa教授一起在世界上首次提出了新的光脉冲的转换限判据.并发现此判据比传统的海森堡不确定性原理更为精确。最近他用它来解释量子纠缠态时及量子通信时,发现他的公式比不确定性原理精确10^7至10^9倍。现在正处于量子力学第二次革命的开端,关键是如何理解量子力学。他认为他的一对新公式可帮助更加深入解释量子力学、理解量子的概念。
生物光学创新篇
他在世界上首先提出了一些病毒, 如Covid-19病毒、新冠病毒、DNA病毒如T7噬菌体等,是光波导,它们的光波导性质在体外和体内均起很重要作用。他提出光在病毒光波导里环绕传播时造成光被吸收而产生热,导致Covid-19病毒在热的环境下容易被烧死,但在冷的环境下容易生存(如在冬天及冷链环境下)。他的新理论为病毒的诊断及治疗提供了新思路。
基因组中端粒和丝粒的作用是什么?该问题被科学杂志列为125个难题中的之一。他在世界上首先发现了染色体是光纤耦合器,有的染色体是光纤激光器。他首次提出了有的端粒是激光器的端面是增反膜,有的是减反膜,丝粒是光纤耦合器交叉处。在世界上首先提出染色体可在人体中的自然状态下形成许多光纤器件,包括光纤激光器、光纤放大器、光纤调制器、可饱和吸收体等。他在世界上首先提出不仅在细胞之间而且在细胞内也有光纤通信系统,染色体及细胞核在该光纤系统中具有重要作用。在世界上首先提出在细胞分裂中期,所有染色体在赤道面上排列形成一个光纤系统。
他在世界上首先提出动物植物的单个细胞(在有丝分裂间期)构成了一个球形激光器,其中细胞核为球形增益介质,粗面内质网为球面光栅谐振腔。他在世界上首先提出了蓝藻和双鞭毛藻是细胞激光器,这是在世界上首先发现有细胞在自然状态下是激光器。
黄金分割新说,创恐龙灭绝新理论
梁安辉在世界上首先发现了温度的六阶黄金分割点周期表。就像门捷列夫发现的化学元素周期表在化学中起着非常重要的作用一样,温度的黄金分割点也存在类似的周期表。基于温度的黄金分割点周期表,他提出了广义进化论:不仅生物体有进化,光、大气、水、细菌、病毒、人体中的光纤、受精卵及精子都有进化。二阶黄金分割点温度为38.2℃,它与人、恐龙、鸡,鸟的受精卵温度相近,也与人体中的光纤的温度、大气的最低损耗窗口处的波长所对应的人体的黑体辐射温度及人体最佳免疫力温度基本吻合。由此他提出了恐龙灭绝新理论:他认为是地球温度升高导致了恐龙受精卵死掉,而不是导致了恐龙本体死掉。他还能用此理论解释候鸟的迁徙、海中的动物(如鲸鱼、海象及三文鱼等)的迁徙,他认为这些动物迁徙的主要原因是:一个方向的迁徙是让自己的受精卵及婴儿的温度适合生存及初期的生长,另一个方向的迁徙是获得足够食物、适合母体及父体的环境温度。
“将光纤通信和视觉、中医进行结合,做出对国家甚至世界有影响力的贡献,使中国文化得到弘扬,增强国人的自信心。并且在光纤通信领域做出实用性的技术,造福国家和人民。促进世界科技的发展。与此同时,在基础研究领域做出颠覆性的成果,例如,用我们提出的比不确定性原理更精确的公式来解释纠缠态,用我们发现的温度的黄金分割点周期表来解释恐龙灭绝。”这是梁安辉心中最大的梦想。从学生时代就以敏而好学而出名的梁安辉,几十年来依旧“我行我素”,他从不怕挑战也从不畏懊矢败,他总是勇于开拓前人未曾涉猎的领域,走出了属于自己的一条“发现”与“发明”之路。
