Alapkutatási kiskáté - Lovász László írása a felfedező kutatások fontosságáról

A töknek csak a termése hasznos, irtsuk tehát
szorgalmasan gyökerét, szárát, levelét!
(Péter Rózsa)

Mi az alapkutatás, és mi a célzott kutatás?

A tudományos kutatásról, fejlesztésről és innovációról szóló törvény (2014. évi LXXVI. törvény) szerint: az alapkutatás olyan felfedező jellegű kísérleti vagy elméleti munka, amelyet elsősorban jelenségek, tapasztalatok és megfigyelések megértéséhez szükséges új ismeretek megszerzésének érdekében folytatnak anélkül, hogy kilátásba helyeznék azok gyakorlati alkalmazását vagy felhasználását.

A jogi definíció mellett sok más azonos vagy legalábbis rokon meghatározás is van: felfedező, a tudós kíváncsisága által motivált, alulról építkező (bottom-up) kutatás. Önmagában kicsit mindegyik félrevezető, de együtt megvilágítják a lényeget.

Egy tudományos kutatásnak két fő motivációja, hajtóereje lehet: vagy a társadalom, gazdasági élet, ipar által felvetett kérdésekre keres választ, vagy olyan kérdést vizsgál, amelyet a tudomány belső logikája diktál. Az előbbit könnyű megérteni: Mekkora a globális felmelegedés? Milyen öntözéses gazdálkodás valósítható meg hazánkban? Hogyan lehet minél több rákbeteget meggyógyítani? Nyilván a végtelenségig sorolhatók ezek a fontos kérdések. Az ilyen kutatásokat nevezzük célzott vagy megrendelés hajtotta (top-down) kutatásnak.

A tudomány belső logikájából fakadó kérdéseket nehezebb jellemezni, és nehezebb példákat is hozni, legalábbis a laikus számára. Néhány nagy kérdést azért fel lehet idézni: ilyen az „Humán Genom Projekt”, az emberi DNS bázissorrendjének meghatározása vagy a gravitációs hullámok mérése. De a kutató nap mint nap találkozik olyan kérdésekkel, amelyeket talán még a szomszéd szobában dolgozó kollégája számára is nehéz volna megfogalmaznia, de amelyekről érzi, hogy megértésük, megválaszolásuk nélkül nem tud továbblépni.

Aki alapkutatással foglalkozik, az tehát szabadon választja meg a témáját, csak a kíváncsiságától hajtva?

Nem szeretem a „kíváncsiság hajtotta kutatás” kifejezést. Itt nem arról a hétköznapi értelemben vett kíváncsiságról van szó, hogy: „Vajon mit csinál a szomszédom?” A tudományban a jól feltett kérdés ugyanolyan értékes lehet, mint a rá adott válasz.

Ha szabad saját területemről, a matematikából hozni példát, Erdős Pál kiváló eredményein túl azzal lett a 20. század egyik legnagyobb hatású matematikusa, hogy szinte megszámlálhatatlan új problémát (matematikai tolvajnyelven „sejtést”) fogalmazott meg, amelyeknek a megoldásán fiatal matematikusok egész generációja nőtt fel, itthon és külföldön egyaránt. Biztosan nem látta előre, hogy ezek az eredmények többek között a számításelmélet alapjává válnak, de azt látta, hogy itt van a matematikának egy tág területe, amit nem ismerünk, nem értünk; lássunk hát neki, értsük meg! Egy méltatója írta, némi panaszos éllel, hogy ezekkel a sejtésekkel Erdős azoknak a hatalmas metatételeknek az egyszerű következményeit közli velünk, amelyek a tudatalattijában élnek.

Röviden: az alapkutatási témák kiválasztásánál a kiváló kutatók tudására és tehetségére kell építeni; csak ezzel lehet ezt a felhalmozott tudást igazán hasznosítani!

A „tudomány szabadsága” kifejezés is félrevezető lehet. A tudós szabadsága nem olyan, mint mondjuk, egy playboy szabadsága. Az alapkutatásnak szabadnak kell lennie a politikai nyomástól és – amennyire lehet – a gazdasági nyomástól is. Ezek helyett a kutatás témáját a tudomány belső logikája és a kutatások világszerte elért legfrissebb eredményei diktálják. Aki rosszul választja meg a témáját, a legkisebb ellenállás irányában haladva érdektelen vagy túl könnyű témát választ, az nem kapja meg a közösségtől az elismerést, nem nyer pályázatot, kikopik a kutatásból. (Nem ez a helye, hogy a „tudományos divatok” és a „megcsontosodott hagyományok” Szküllájáról és Kharübdiszéről beszéljek, bár ez is kapcsolódna a témához.)

Miben különbözik az alap- és célzott kutatás?

Sok mindenben. Kezdem a kutatások eredményével. A felfedező kutatások eredménye nem megjósolható; a legfontosabb eredmények gyakran oldalágként, meglepetésként, néha egyszerű bosszúságként adódnak. A célzott kutatások eredménye sem biztos (ha előre tudnánk az eredményt, nem kellene kutatni), itt azonban a remélt eredmény nagyjából előre látható, amit vagy sikerül elérni, vagy nem.

Az alapkutatások eredményét tudományos cikkek vagy monográfiák formájában publikáljuk. Ettől kezdve ez az eredmény az emberiség közkincse: közös kincsünk Eukleidész Elemeitől az Humán Genom Projekt eredményeiig, Kant filozófiai gondolataitól a 2. világháború történetét feldolgozó számos monográfiáig minden fontos tudományos eredmény.

A célzott kutatásoknál a megrendelő mondja meg, mi történjen az eredménnyel. Ha közérdekű a megrendelés (egy világgazdasági elemzés vagy egy mindenkit érintő klímakutatás), akkor általában ez is közzétehető; de ha a versenyszféra valamelyik résztvevője rendeli meg a kutatást, akkor az eredmények közzététele időben vagy a részletek tekintetében korlátozott lesz.

Egy kutatásnak fontos eleme az is, hogy mennyi ideig tart. Az alapkutatások időskálája nagyon változó. A nagy ötlet jöhet egy perc alatt, de lehet, hogy 100 évet kell rá várni; a matematikában vannak 2000 éves megoldatlan problémák is, amelyek ma is intenzív kutatás tárgyai.

Egy alapkutatási probléma nehézségét nemigen lehet előre megjósolni. A négyszín-tételt eleinte könnyű fejtörőnek gondolták, de bizonyítása több mint 100 évet vett igénybe; sokan még ma sem tekintik teljesen megoldottnak, mert a megoldás nagyon nem „elegáns”, nem mutat rá a lényegre (az elegancia szerepére még visszatérek). Viszont az informatika matematikai alkalmazásának fejlődéséhez jelentősen hozzájárult.

Célzott kutatásból 5-10 évnél hosszabb idejű szinte nincsen. Általában a kitűzött célban benne van a rendelkezésre álló idő is; a megrendelő előre megjósolható, mérhető előrehaladást vár el.

Egy kutatási eredménytől azt várjuk, hogy előbb-utóbb a gyakorlatban is hasznosuljon, a belefektetett pénz és energia megtérüljön. De mit jelent az „előbb-utóbb”? Az alapkutatások területén hasonló a helyzet, mint a kutatáshoz szükséges idő esetében: az eredmények gyakran 50-100 évvel később válnak alkalmazhatóvá. A célzott kutatás költsége (legalábbis a megrendelő célkitűzése szerint) a kutatás után azonnal megtérül.

Ezek szerint az alap- és célzott kutatások a „haszontalan” és „hasznos” jelzőkkel is illethetők?

Történelmileg visszatekintve, célzott kutatások is lehetnek eredménytelenek, haszontalanok. Régi példa erre az alkímia, aminek olyan hatalmas céljai voltak, mint az aranycsinálás és az örök élet a Földön. Érdemes megjegyezni, hogy ma már tudunk aranyat csinálni (de nem érdemes), és ennek az alapját a világunkra vonatkozó alapvető felfedezések jelentik (kémiai elemek, radioaktivitás, elemi részek). Az élet lényeges meghosszabbítása még csak a sci-fi világában szerepel, de ha valaha megvalósul, azt vagy a biológia (betegségek és gének kutatása), vagy az informatika (tudatunk elektronikus másolata) fogja lehetővé tenni. Ma is lehet sok példát hozni eredménytelen vagy feleslegesen pazarló célzott kutatásokra.

Az alapkutatásra rátérve, a fentiek alapján bizony úgy tűnhet, hogy nem érdemes vele bajlódni: Nem tudni, mennyi időt kell szánni rá, nem tudni, milyen eredményre vezet, és nem tudni, mikor fog megtérülni. De ha a megtérülés mértékét tekintjük, akkor az alapkutatások fölényesen nyernek: jelentős alapkutatási eredmények, ha a gyakorlatban alkalmazhatóvá válnak, szinte nem is mérhetően sokszorosan adják vissza a befektetést. Ki tudja felmérni, hogy mekkora például az elektromosság megismerésének a haszna? Faradaytől (az elektromosság kutatásának talán legnagyobb alakjától) azt kérdezte William Gladstone (későbbi angol miniszterelnök) 1850-ben, hogy mi a haszna az elektromosságnak. Faraday válasza: „Uram, egy napon majd meg tudja adóztatni.” Nem kell részleteznem, hogy ma mi minden múlik az elektromosságon, akár adóztatják, akár nem.

A már említett Humán Genom Projekt hatalmas, de jellegében alapkutatási projekt volt, amely olyan kaput tárt szélesre a biológia, az orvostudomány és talán más tudományágak (pl. informatika) előtt, amelyen át évtizedeken keresztül fognak áramlani a fontosnál fontosabb eredmények és izgalmasnál izgalmasabb tudományos kihívások.

A példákat sokáig lehet sorolni. Ezt meg is tette Eric Lander, aki Obama elnök tudományos tanácsadója volt; tőle idézek még néhányat.[1] A genomnál tartottunk; iszonyú fontos módszer a PCR (polymerase chain reaction), mely lehetővé tette a genom gyors feltérképezését, és ma a rák gyógyításától a kriminalisztikáig naponta milliószor használják. Nos, ez a módszer onnan ered, hogy néhány kutató megvizsgálta, hogyan képesek baktériumok a Yellowstone park tűzforró vizű forrásaiban megélni. Ez nemcsak hogy alapkutatás – ez nagyon speciális alapkutatás! De a hozadéka felmérhetetlen.

Hasonló súlyú felfedezés egy nemrég elterjedt rendszer (CRISPR/Cas – clustered regularly interspaced short palindromic repeats, azaz „halmozottan előforduló, szabályos közökkel elválasztott palindromikus ismétlődések”), amely egy látszatra teljesen „gyakorlati haszon nélküli”, nagyrészt negyedszázada elfelejtett bakteriológiai kutatásból ered. Ma (az elmúlt 4-5 évben) viszont ennek a kutatási eredménynek az alapján óriási potenciális gyógyítási lehetőséget jelentő sikeres génterápiára-génjavításra nyílik lehetőség.

Ugyancsak hihetetlen előrelépést jelent sok betegség okának és gyógyíthatóságának feltárásában az a szimbionta baktériumpopuláció, amellyel együtt élünk (mikrobióta), és amelynek zavara számos daganatos, autoimmun, metabolikus és pszichiátriai betegség alapjának bizonyult.

Saját tudományterületemről, a matematikából is lehet nagyon elgondolkodtató példákat hozni. Godfrey Harold Hardy, a 20. század első felének kiemelkedő angol matematikusa meggyőződéses pacifista volt, és félt, hogy felfedezéseit gyakorlati célokra fogják használni, hogy előbb-utóbb katonai célokat fognak szolgálni. Ezért a prímszámok elméletével foglalkozott, mert úgy gondolta, hogy annak az eredményei soha nem lesznek a gyakorlatban alkalmazhatók. Hardy megjegyezte, hogy egy másik tudományterület, mely soha nem lesz a gyakorlatban alkalmazható, az általános relativitáselmélet. Nos, akinek a zsebében okostelefon lapul, az mindkét terület alapkutatási eredményeit használja! Eléggé közismert, hogy a kriptográfia, a titkosírások tudománya, ami a számítógép-hálózatok biztonságának alapja, a prímszámok elméletén alapul. Kevésbé közismert, hogy a GPS-szolgáltatások igénybevételéhez az általános relativitáselmélet törvényeit is figyelembe véve végzi a számításokat a telefon.

Még mindig a matematikánál maradva, következzen egy rövid magyar nyelvű összefoglaló egy saját eredményemről, mely nagyon is a témába vág (feláldozva a szerénységet a hitelesség kedvéért). Részletesen angolul jelent meg egy Springer-könyv fejezeteként.[2] Az 1980-as években egy német és egy holland kollégámmal kombinatorikus optimalizálásról és geometriai algoritmusokról írtunk monográfiát.[3] Eközben előjött egy nem nagyon jelentős probléma: az alapalgoritmus működéséhez egy mellékfeltételt kellett feltennünk („a megoldások tartományának van belső pontja”), ami konkrét esetekben szinte mindig megvalósítható volt ad hoc trükkökkel (vagyis gyakorlati jelentősége nem volt), de az „eleganciaérzékünket” bántotta.

Hamarosan rájöttem, hogy a kérdés egy klasszikus számelméleti problémára vezet (19. századi, teljesen elméleti), és végül két (másik) holland matematikussal együtt kidolgoztuk a megoldását, amit ma LLL-algoritmusnak hívnak (Lenstra–Lenstra–Lovász). Ezzel el lehetett hárítani a fenti „elegancia”-problémát, és ezenkívül is adódtak érdekes alkalmazásai, például a polinomok algebrájának területén. De még ez is az elméleti matematikán belül maradt.

Két amerikai matematikus azonban egy éven belül észrevette, hogy az algoritmussal fel lehet törni az akkoriban kifejlődőben lévő nyilvános kulcsú kriptográfia egyik kódolási módszerét, és ettől kezdve robbanásszerűen elterjedt az algoritmus használata kriptográfiai rendszerek tesztelésére. Ma is az egyik fő eszköz ezen a területen. Az eredeti cikknek több ezer hivatkozása van (matematikában ez ritka), megjelenésének 25. évfordulóján Franciaországban konferenciát rendeztek (egyik szerző sem francia!), könyvet adtak ki róla, stb. (Ha néhány évvel később születik ez az eredmény, és szabadalmaztattuk volna, akkor ma talán milliomos lennék. Akkoriban nem lehetett algoritmust szabadalmaztatni; ezt néhány évvel később nyomta át az AT&T a jogrendszeren.)

Ha az alapkutatások eredményei nemzetközileg is szabadon elérhetők, miért kell nekünk, egy kis és nem túl gazdag országnak ebben részt vennünk? Miért nem elég a nemzetközi tudományos folyóiratokat figyelni, és a bennük közzétett eredményeket hasznosítani?

Vannak olyan területek, ahol ez eleve lehetetlen: vagy mert a nemzetközi közösség nem foglalkozik speciális „hungarikumokkal”, mondjuk, a magyar irodalom vagy népművészet kutatásával, vagy mert a kutatásokban néhány általános elv mellett speciális magyar szempontokat is figyelembe kell venni; például pedagógiai kutatásoknál a nyelv és a kultúra szerepe nagyon fontos.

De nem szabad az alapkutatásokból kimaradni olyan, szinte teljesen nemzetközi tudományágakban sem, mint a fizika vagy a matematika. A tudomány előrehaladása olyan, mint egy ismeretlen földrész felfedezése (idézzük fel a „felfedező kutatás” elnevezést!). Aki az élvonalban van, az akkor is rögtön érti és értékeli az új, jelentős felfedezést, ha nem ő érte el; tovább tudja vinni, beépítve saját kutatási tervébe, és rögtön el tudja magyarázni diákjainak, hogy mi is a lényege. Aki csak kényelmesen, otthon, a sajtóból értesül róla, az menthetetlenül lemarad: mire odaér, az élvonalbeli felfedezők már régen birtokba vették.

Ugyanilyen fontos szerepe van az alapkutatásoknak a fiatalok oktatásában, vagyis a kutatási kapacitások fejlesztésében. Az alapkutatás olyan olimpia, ahol csak aranyérmet osztanak (bár szerencsére nagyon sok sportágban). Semmit sem ér újra felfedezni azt, ami már fel van fedezve. (Ez nem teljesen igaz, mert a kísérletek megismételhetősége és ellenőrzése fontos része a tudományos munkának, de az első felfedezés és annak ellenőrzése nagyon különböző elismerést hoz.) Azok a diákok, doktoranduszok, fiatal kutatók, akik ebben a versenyben részt vesznek, megtanulják a legmodernebb elméleteket, módszereket, megismerik a legújabb kutatási eszközöket. Amikor végeznek, ezt a tudást magukkal viszik, és felhasználják ott, ahova kerülnek (ipari fejlesztésben, gazdaságirányításban, szervezésben, tanításban).

Milyen arányban kell alapkutatásokat és célzott kutatásokat finanszírozni?

Erre természetesen nem lehet egyetlen számmal válaszolni, hogy mondjuk, 50-50%-ban. A fentiekből következik, hogy egy kutatóintézetben (legalábbis a természettudományok és az élettudományok területén) csak élvonalbeli alapkutatást érdemes végezni. (Ezt nem egyénekre lebontva értem; nekem is volt idősebb kollegám, nem is egy helyen és nem is egy, aki már nem publikált cikkeket, de nagyon hasznosan, a legmagasabb szinten segítette, tanította a fiatalabb kutatókat.)

Az is következik a fentiekből, hogy az élvonalbeli alapkutatást támogatni kell! Vagyis a kérdésre a választ az adja meg, hogy hány olyan kutatónk van, aki élvonalbeli alapkutatást végez. A legfontosabb konklúziók: Nyújtsuk a lehető legjobb képzést tehetségeinknek, a közoktatásban, a felsőoktatásban és posztdoktori szinten egyaránt! Tartsuk őket itthon, megfelelő anyagi és intellektuális viszonyok biztosításával! Erősítsük meg kutatóbázisunkat más országbeli fiatal (és idősebb) kutatókkal! Maradjunk benne a tudományos alapkutatások nemzetközi hálózataiban!

Jegyzetek

[1] Lásd például: http://www.msri.org/system/cms/files/132/files/original/Lander-Case_for_Research.pdf és https://mta.hu/tudomany_hirei/a-csodagyar-barack-obama-tudomanyos-fotanacsadoja-az-alapkutatasokrol-108840

[2] https://www.springer.com/gp/book/9783642022944

[3] Grötschel, M., Lovász, L., Schrijver, A.: Geometric Algorithms and Combinatorial Optimization. Springer, 1988.

Hallgassa meg az alapkutatások fontosságáról Simon Tamást, az MTA Kommunikációs Főosztályának vezetőjét:

A cikkben említett Eric Lander beszédének bő kivonata az mta.hu-n olvasható az alábbi ábrára kattintva (maga az ábra itt letölthető nagyméretű PDF-ben is):