Az elmúlt tíz év legjelentősebb tudományos eredményei

Már biztos, hogy egykor folyékony víz volt a Marson, és egyre közelebb kerülünk a távoli földek azonosításához. Tudjuk, hogy a bennünk élő baktériumok elválaszthatatlan részét képezik az emberi szervezetnek, és a kutatók már képesek arra is, hogy elköteleződött sejteket programozzanak át bármilyen sejttípussá alakulni képes őssejtekké. A Science cikke alapján készült évzáró összeállításunkban áttekintjük az utóbbi tíz év legdinamikusabban fejlődő tudományterületeit.

Az utóbbi tíz év kutatásaiban két fontos trendet figyelhettünk meg: egyrészt rengeteg új adat vált elérhetővé, másrészt a kutatók ma már nem egyedül, hanem sokszor hálózatokba szerveződve dolgoznak. A hatalmas adattömegek hatékony elemzése talán a genomika számára jelentette a legnagyobb előrelépést. A DNS bázissorrend-meghatározó módszerek nagyot fejlődtek tíz év alatt, és ma már alig egy hét alatt, egyetlen eszközzel is három ember teljes genetikai állománya határozható meg. Az adatbányászat eddig kevésbé volt jellemző az ökológiára és a környezettudományokra, de rövidesen ezeknek a tudományágaknak is meg kell majd birkózniuk a hatalmas adatbázisokkal. A távérzékelő, valamint a földi és tengeri adatgyűjtő eszközök hamarosan lehetővé fogják tenni, hogy bolygónk aktuális állapota éjjel-nappal ellenőrizhető legyen.

A minden eddiginél nagyobb mennyiségű adat feldolgozásához olyan számítógépekre volt szükség, amelyek rendelkeznek a megfelelő számolókapacitással. Ezekre is igaz, hogy néha nem egy-egy szuperszámítógép, hanem a szuperszámítógépek hálózata végzi el az adatfeldolgozást, egymástól földrajzilag távol eső helyeken. A CERN laboratóriumának részecskegyorsítója, a Nagy Hadronütköztető például minden évben több petabájtnyi adatot fog előállítani. (A petabájt a terabájt ezerszerese, a gigabájtnak pedig milliószorosa). Ennek kezelésére - egy virtuális rendszerben - összekötötték a CERN társintézményeinek teljes számítógépes kapacitását. Ez a hálózat természetesen azt is lehetővé teszi, hogy az adatokhoz egyszerre több ezer kutató is hozzáférhessen, akik így nem külön-külön, hanem együtt képesek elemezni a mérési eredményeket.

Az adatbányászat legújabb, egészen különleges formája a kulturomika, amely az emberi kultúra fejlődésének új vizsgálati lehetőségét jelenti (erről itt olvashat bővebben). A bibliomika pedig már korábban is létezett: ez a szakirodalomban megjelent cikkek információiban történő adatbányászatot jelentette.

A hálózatok tudománya (network science) nagyjából tíz éve jelent meg. A hálózatkutatás egyik legelső példája volt, amikor a fizikusok olyan jelenségekre kezdtek el matematikai modelleket alkalmazni, amelyeket korábban a szociológusok írtak le. A hálózatkutatásban jelentős magyar eredmények is születtek, amelyek közül talán Barabási Albert-László munkái a legismertebbek. (A kutatónak nemrég adták ki magyarul is a legújabb könyvét, Villanások címmel; a kutatóval készített interjúnk itt olvasható.) A hálózatkutatáshoz hasonló terület a rendszerbiológia, amely szintén csak az elmúlt öt-tíz évben jelent meg. Ezen a területen is találunk olyan magyar kutatókat, akik nemzetközi szintű eredményeket értek el a sejtek alrendszereinek megismerésében vagy a génkölcsönhatások vizsgálatában. A rendszerbiológiai kutatások alapvető célja, hogy a sejtek viselkedését számítógépes modellek segítségével vezesse vissza az alkatrészek kölcsönhatásaira.

Mára több ezer gén vagy fehérje működése mérhető párhuzamosan, a szuperszámítógépekkel (vagy ezek hálózatával) pedig ki is értékelhetőek az adatok. Ezek már a következő évek kutatási eredményei lesznek, most azonban tekintsük át, hogy mi történt az elmúlt tíz évben.

Az év felfedezése: az első kvantumgép

A fizikusoknak 2010-ben első ízben sikerült kvantummechanikai mozgásra késztetni egy mesterséges objektumot. Az eddig létrehozott szerkezetekkel ellentétben az új készüléknek mindössze két állapota van. Az ugródeszkára emlékeztető tárgy alumíniummal bevont, igen merev alumínium-nitridből készült, vastagsága nanométerekben, hosszúsága mikrométerekben mérhető. Mint az atomoknak és a molekuláknak, az ilyen méretű objektumoknak is kvantumos a viselkedése, ha eléggé - azaz néhány század kelvinre - lehűtik. Itt, az abszolút nulla fok közelében a tárgy kvantummechanika alapállapotba kerül, ami azt jelenti, hogy rezgésben marad ugyan, de ez a nullponti mozgása nem szüntethető meg. Csak adott mennyiségű energiát (adott frekvenciájú fotont) képes elnyelni, hogy az eggyel magasabb energiaszintre jusson.

A nullszint és az első szint energiájának különbsége annál nagyobb, minél merevebb a tárgy - ezért volt fontos, hogy milyen anyagból készül. Az amerikai fizikusok által előállított parányi ugródeszka rezgési frekvenciája hatmilliárd herz. A kutatóknak sikerült ezt a mechanikus eszközt "fázis qubit"-hez csatolni, mely egy szupravezető gyűrű egy kis és egy nagy energiájú kvantumállapottal. A cél a mechanikai oszcillátor vezérlése volt egy qubittel, melynek során nulladik vagy első szintre lehetett állítani a tárgy rezgési állapotát. Mivel egy qubitnek végtelen sok értéke lehet 0 és 1 között, az ugródeszka tetszőleges kevert rezgését is meg lehet valósítani. Ekkor a parányi oszcillátor egyszerre két különböző mozgást végez, energiája pedig a Heisenberg-elvnek megfelelően határozatlan.

Mi ennek a haszna? Az alapkutatás eleve nélkülözhetetlen a valóság mélyebb megismeréséhez, mely ebben az esetben a kvantumvilág határainak felderítését jelenti. Lehet-e például egy autó egyszerre két, kissé eltérő helyen? A kutatók egyre nagyobb objektumokat próbálnak kvantumállapotba hozni. A gyakorlati haszon pedig az egyszerű kvantumgépek ultraszenzitív erőérzékelőinek kifejlesztéséhez, a kvantumállapotok cseréjének megvalósításához nyújtott segítség.