Posledný septembrový víkend sa v Bratislave bude niesť v znamení Bielej noci a tematicky sa tomu prispôsobí aj prednáška SAVinci s názvom Fotonika: Tajomný svet svetla. Do novootvorenej administratívnej budovy Westend Plazza zavíta v stredu 25. septembra 2019 o 18. hodine RNDr. Dušan Chorvát, PhD., zástupca riaditeľa Medzinárodného laserového centra.
Foto: Matej Hakár
Fotonika môže pre mnohých ľudí predstavovať cudzie slovo napriek tomu, že s ňou každý deň prichádzajú do kontaktu. Skúste na úvod vysvetliť, čo fotonika znamená, a čomu sa venuje.
Ak bolo 20. storočie považované za zlatý vek fyziky a elektroniky, 21. storočie môžeme označiť za nastupujúce storočie fotoniky. Fotonika je vedný odbor skúmajúci vznik, prenos a detekciu svetla a iných foriem žiarivej energie. Ja osobne sa venujem najmä biofotonike, čo je mimoriadne zaujímavá oblasť. Skúmame možnosti využitia rôznych laserov a svetla na diagnostiku a liečenie chorôb.
Takže nie ste iba fyzik, ale aj doktor?
Som doktor, ale filozofie. Samotný lekár je ten, kto stanovuje diagnózu, nastavuje liečbu a vykonáva operačné zákroky. My sa snažíme pochopiť biofyzikálne mechanizmy a vylepšovať diagnostické prístupy, čo lekárom uľahčuje a zefektívňuje prácu.
Ako váš výskum ovplyvňuje prácu lekárov?
Môj výskum je zameraný primárne na biozobrazovanie, ale všeobecne využitie svetla v medicíne má obrovský význam. Vyzdvihol by som napríklad revolučný spôsob liečby nádorov ožarovaním pomocou svetla – fotodynamickú terapiu. Využívajú sa pri nej vlastnosti špeciálnych látok – farbív, ktoré sa vychytávajú a koncentrujú v nádoroch. Po ožiarení laserom sa nádorové bunky, v ktorých sa skoncentrovali tieto látky, zničia bez toho, aby sa poškodilo okolité zdravé tkanivo. V našom výskume sa venujeme zobrazovaniu buniek a sledujeme ich interakciu práve s molekulami, ktoré sú na svetlo citlivé.
Foto: Matej Hakár
Prečo sledujete reakcie molekúl na svetlo?
Snažíme sa zistiť, ako sa líši reakcia buniek zdravého človeka a človeka postihnutého napríklad rakovinou. Pokiaľ tento pokus zopakujeme v dostatočnom množstve a vytvoríme štatistiku, ktorá jasne ukáže, že molekuly v chorých bunkách sa správajú v špecifickom svetle inak ako zdravé, výrazne to uľahčí lekárom proces diagnostiky ochorenia. V praxi by to malo znamenať, že lekár si na vás len „posvieti“ a bude vedieť, čo vám je.
Takže zjednodušene povedané: Snažíte sa popísať, ako špecifické procesy v bunkách reagujú na konkrétne svetlo, aby napríklad lekár mohol diagnostikovať chorobu iba pomocou špeciálneho laserového svetla.
V podstate áno, ale ideme aj ďalej. Snažíme sa tieto vzory charakterizovať a naprogramovať algoritmus, ktorý by tú diagnostiku a vyhodnotenie urobil sám. Chceme, aby nad výsledkami nemuseli premýšľať ľudia, ale umelá inteligencia.
Foto: Matej Hakár
Téme rýchlosti svetla sa síce priamo nevenujete, ale ide nepochybne o jednu z najzaujímavejších vedeckých otázok súvisiacich so svetlom. Ako sa na to pozeráte?
Ešte predtým, ako ľudstvo začne rozumieť rýchlosti svetla, dúfam, že pochopíme, čo vôbec svetlo znamená. Napriek tomu, že ho využívame a každý deň sa s ním stretávame, vôbec netušíme, čo svetlo je. Možno to bude znieť zvláštne, ale ľudia – ani vedci alebo nositelia Nobelovej ceny – nie sú zatiaľ schopní premýšľať ako svetlo, teda kvantovo-mechanicky. V tejto oblasti sa jedna plus jedna nerovná dva, táto téma popiera princípy, ktoré sú nám od malička vštepované.
Skúste vysvetliť myšlienku, že ľudia sa majú naučiť rozmýšľať ako svetlo.
Svetlo a jeho interakcia s hmotou funguje na princípe rezonancie. Podobne ako sa nepodarí vylúdiť na píštale tón, ktorý nezodpovedá jej tvaru, nedá sa prenášať energia medzi dvomi systémami, ktoré nie sú vo vzájomnej rezonancii. Pre ľudí by hlbšie rešpektovanie tohto princípu mohlo priniesť mnoho úžitku. Musíme však byť schopní naladiť sa, a naučiť sa maximalizovať účinok s minimálnou vynaloženou energiou.
Celá vec má ale ešte jeden hlbší rozmer. Existuje jedna teória o mitochondriách, ktorá hovorí, že vyšší organizmus – napríklad ľudské telo – je len obálkou či mestom, ktoré si stvoril nižší organizmus, aby mohol existovať. Znamená to, že my netvoríme mitochondrie, ale mitochondrie si tvoria nás. Mám pocit, že so svetlom je to podobné. Keď si zoberiete, že Slnko prostredníctvom svetla v podstate vytvorilo život na Zemi, je na mieste sa pýtať, či nie sme len schránky, súčasti nejakého vyššieho zámeru, ktorý s nami svetlo má.
Takže sme iba bezmocné bábky v rukách vyššej moci, ktorú predstavuje svetlo?
To určite nie. Svetlo je entita, ktorej nerozumieme a aby sme ho pochopili, potrebujeme zmeniť našu komunikáciu a doterajšie vnímanie. Zoberte si napríklad neveľmi úspešnú snahu ľudstva definovať kritériá kvality. Je to pre nás problém, pretože kvalita nie je spočítateľnou jednotkou – nedá sa ňu pozerať ako na niečo, čo sa dá racionálne spočítať. Keby sme sa na kvalitu kníh pozerali cez počet strán, tak najlepším spisovateľom by bol ten, ktorý napíše najdlhšiu knihu. Tušíme, že podstata nespočíva v dĺžke, ale v koherencii myšlienok a vo vnútornej kráse. Tá sa v súčasnom chápaní dá len veľmi ťažko odmerať či vypočítať. A podobne je to so svetlom.
Foto: Matej Hakár
Keď tvrdíte, že svetlo ľudstvo zatiaľ nedokáže pochopiť, čo na ňom vlastne skúmate? Ako vyzerá výskum niečoho, čoho podstata je zatiaľ tajomstvom?
Bolo by dobré, keby si ľudia aj v iných vedeckých disciplínach priznali, že podstata väčšiny vecí je pre nás zatiaľ tajomstvom. My sa snažíme pochopiť, čo sa deje pri spojení svetla a molekúl, aké procesy nasledujú a čo sa deje po tomto jave. Nie je to jednoduchý proces, napriek tomu, že je veľmi rýchly. Na jeho skúmanie potrebujeme veľmi rýchle lasery, aby sme reakciu molekúl zachytili. Využívame štatistiku tvorenú veľkým množstvom rýchlych „fotografií“ – záznamov detekcií fotónov.
O akej rýchlosti sa rozprávame?
Pre človeka veľmi ťažko pochopiteľnej. V živých molekulách ide v zásade o pár nanosekúnd, počas ktorých musíme vyhotovovať záber za záberom a z toho si poskladať, čo sa vlastne deje. Mohol by som to prirovnať k tomu, keby pred vás položili fotografie bežiaceho koňa a vy by ste z nich mali popísať, ako beh koňa v realite vyzerá.
Takže viete na základe statických záberov zistiť „skrytý život“ molekúl?
Nie je to úplne nereálne. Napríklad, keď sa pozriete na list na strome a ten zožltne, tak viete, že sa niečo zmenilo. Chlorofyl na jeseň ubudne, pretože ho rastlina nepotrebuje a vyradí ho z funkcie. K slovu sa dostanú iné farby v liste a my vieme, že sa niečo stalo. Zmena farby listov je nielen znakom zmeny ročného obdobia, ale môže slúžiť aj ako diagnostická metóda, ktorá nám povie, či je rastlina zdravá a či v nej všetko funguje, ako má.
Foto: Peter Trojan
Fotonika je pomerne málo známa vedná disciplína napriek tomu, že jej predmet skúmania sa nachádza všade okolo nás a bez výskumu v tejto oblasti by neexistovali moderné technológie tak, ako ich dnes poznáme. Ktorých vedcov v oblasti fotoniky, svetla a farieb považujete za priekopníkov?
Naozaj ich bolo veľa, od gréckych filozofov a islamského filozofa Alhazena, cez zakladateľa optiky Isaaca Newtona a priekopníka kvantovej teórie Maxa Plancka, po azda najznámejšieho vedca súčasnosti Alberta Einsteina. Zaujímavosťou je, že Einstein nikdy nedostal Nobelovu cenu za teóriu relativity, ale práve za svoje objavy v oblasti svetla. Einstein už v roku 1917 sformuloval teóriu stimulovanej emisie, na základe ktorej sa T.H. Maimanovi podarilo v roku 1960 skonštruovať prvý funkčný laser. Za objav laseru dostali v roku 1964 Nobelovu cenu Ch. H. Townes , N.G. Basov a A.M. Prokhorov. A odvtedy sa Nobelova cena v oblasti fyziky v súvislosti s lasermi a fotonikou objavuje veľmi často.
V dnešnej dobe pracujú v oblasti fotoniky špičkové tímy vedcov po celom svete. Ktoré nedávne objavy posunuli túto disciplínu vpred?
Napríklad minuloročná Nobelova cena za fyziku bola udelená A. Ashkinovi za objav optickej pinzety a dvojici G. Mourou a D. Stricklandovej za metódu tvorby najkratších a najintenzívnejších laserových pulzov. Na základe tohto objavu sú dnes konštruované najvýkonnejšie lasery na svete v projekte v ELI – Extreme Light Infrastructure. Objavy však nemusia byť len grandiózne. Z malých ale praktických vynálezov by som určite vyzdvihol švédskych vedcov z Univerzity v Lunde, ktorým sa podarilo upraviť obyčajnú CD mechaniku tak, aby fungovala ako malý mikroskop. So špeciálnym softvérom dokážu zo vzoriek krvi rozpoznať, či je nakazená nejakou chorobou. Toto je obrovská pomoc pre lekárov, ktorí pôsobia v teréne v Afrike, pretože náklady na výrobu takéhoto zariadenia sa pohybujú iba v desiatkach eur. Na tomto príklade je zároveň zaujímavé vidieť, ako sa jednotlivé odvetvia vo fotonike prelínajú: Z technológie na uchovávanie informácií sa vďaka inováciám podarilo vytvoriť zobrazovací systém, ktorý nám pomôže získať klinicky relevantné informácie.
Foto: Matej Hakár
Čo by ste poradili človeku, ktorého zaujíma svet a výskum svetla, a chcel by sa o tejto problematike dozvedieť viac?
Samozrejme, existuje množstvo odborných publikácií, ale ak niekoho naozaj zaujíma svetlo, stačí sa poriadne pozerať okolo seba. Celý náš svet je založený na svetle, kamkoľvek prídeme, čokoľvek vidíme, svetlu „neunikneme“. Aj v dnešných trendoch ako Instagram či Youtube ide o svetlo a o vizualitu. Ak niekoho zaujíma svet svetla, odporúčam mu pozerať sa okolo seba a vnímať – les, prírodu, veci okolo nás, pretože to nám povie o svetle viac, ako akákoľvek kniha.
