Recenzja książki
Lucjan Piela, Idee chemii kwantowej
Prof. Karol Jankowski
Profesor dr hab. Lucjan Piela jest szeroko w świecie znanym specjalistą w dziedzinie chemii kwantowej. Jest uczniem nieżyjącego już słynnego Profesora Kołosa i obecnie kieruje stworzoną przez niego Pracownią Chemii Kwantowej na Wydziale Chemii UW. Pracownia skupia oprócz prof. Pieli grono tak znakomitych chemików kwantowych jak Bogumił Jeziorski, Grzegorz Chałasiński, Leszek Stolarczyk czy Robert Moszyński. Wokół tych znakomitości zgromadził się w międzyczasie niemały zespół ich jeszcze niehabilitowanych uczniów, którzy mimo młodego wieku już zdążyli wykazać się istotnymi osiągnięciami.
Nikogo zatem nie może dziwić fakt, że Pracownia ta uważana jest za jeden z najlepszych ośrodków chemii kwantowej skali międzynarodowej. Należy przy tym z naciskiem podkreślić, że swą "potęgę naukową" zespół ten zbudował wyłącznie w oparciu o wykształconych przez siebie ludzi. Ten fakt oznacza również, że potrafił on własnymi siłami stworzyć taki system dydaktyczny, który umożliwiał niezwykle efektywne kształcenie studentów chemii w dziedzinie chemii kwantowej. Aby odnieść taki sukces trzeba było przez wiele lat włożyć sporo pomysłowości i nowatorskiej myśli dydaktycznej, aby z niełatwych przecież treści chemii kwantowej uczynić przedmiot aktywności intelektualnej studentów. Muszę z uznaniem przyznać, że nie znam na terenie naszego kraju takiego środowiska naukowego, w którym dydaktyce poświęcano by ustawicznie tak znaczną uwagę.
Przedstawiłem celowo rangę intelektualną środowiska, które ma szczęście współtworzyć prof. Piela i w którym pracuje i naucza. W takich środowiskach rodzą się bowiem nie tylko fundamentalne prace naukowe, ale ich klimat sprzyja również wielkiemu zaangażowaniu w realizacji nowatorskich przedsięwzięć dydaktycznych. Przykładem tego ostatniego może być przekazana mi do oceny ogromna monografia prof. Lucjana Pieli pt. "Idee chemii kwantowej", którą w dalszej części będę nazywał Książką. Książka powstała na podstawie prowadzonych przez wiele lat wykładów specjalistycznych Autora. Napisana jest w charakterystycznym dla Niego stylu i każdy, kto słuchał jego wykładów czy referatów rozpozna jego specyficzne poczucie humoru oraz pasjonujący sposób wykładania.
Ogólna ocena Książki
Dla ułatwienia sobie trudnego zadania jakim jest ogólna ocena dzieła tego formatu muszę powiedzieć kilka słów o dziedzinie, której ona dotyczy tzn. o chemii kwantowej. Chemię kwantową stanowi zbiór wielu metod kwantowo-mechanicznych wyspecjalizowanych dla opisu własności fizyko-chemicznych układów molekularnych i w znacznej części również atomowych. Chemia kwantowa jest dynamicznie rozwijającą się dziedziną nauki, w której bardzo wiele się dzieje i której pole zastosowań szybko rośnie. Wraz z rewolucją w rozwoju mocy obliczeniowych komputerów pojawiają się wciąż nowe metody chemii kwantowej i rośnie gwałtownie zakres stosowalności wcześniej używanych metod. Metody chemii kwantowej są obecnie stosowane nie tylko przez fizyków i chemików ale posługują się nimi też coraz częściej biologowie, farmakolodzy, astrofizycy a nawet specjaliści w dziedzinie biotechnologii i inżynierii materiałowej... Coraz częściej w badaniach własności fizyko-chemicznych molekuł czy mechanizmów reakcji chemicznych Chemia kwantowa jest używana nie tylko do interpretacji otrzymanych wyników ale również coraz częściej do zastępowania badaniami teoretycznymi trudnych do przeprowadzenia lub kosztownych w realizacji etapów procesów chemicznych, np. na użytek chemii kosmologicznej.
Ten zademonstrowany na różnych polach nauki i nowoczesnych zastosowań praktycznych potencjał chemii kwantowej stworzył szerokie zapotrzebowanie na wykorzystanie jej metod obliczeniowych. Wychodząc mu naprzeciw stworzonych już zostało niemało pakietów programów komputerowych obejmujących oprogramowanie bardziej i mniej znanych metod chemii kwantowej pozwalających na ich wykorzystanie na zasadzie przysłowiowej "czarnej skrzynki". Spośród nich obecnie najszerzej stosowanym jest najwszechstronniejszy z istniejących pakiet GAUSSIAN zainicjowany i przez wiele lat opracowywany pod kierownictwem J. A. Pople'a, który za tę działalność otrzymał Nagrodę Nobla w 1998 r. Pozorna łatwość korzystania z programów wchodzących w skład pakietów powoduje ich szerokie wykorzystywanie przez specjalistów z różnych dziedzin; w tym, niestety w znacznym stopniu, przez osoby nie rozumiejące w dostatecznym stopniu istoty używanych metod a co za tym idzie zakresu ich stosowalności. W tej sytuacji wykorzystanie tak cennego narzędzia jakim są pakiety obliczeniowe może skutkować w produkcji nie posiadających sensu "wyników teoretycznych". Jedyną metodą zahamowania tej niekorzystnej tendencji jest zapoznanie jak najszerszego grona potencjalnych użytkowników z istotą metod znajdujących się w polu ich zainteresowania. Ponieważ na ogół dotyczy to osób, które miały bardzo mały kontaktu z chemią kwantową, w szczególności studentów chemii (innych niż teoretycznych specjalności), których program studiów przewiduje na ten cel zdecydowanie za mało czasu, lub studentów innych kierunków, którzy się w ogóle z tą dziedziną nie zetknęli, ten proces edukacji kwantowo-chemicznej może być trudny zarówno ze względów merytorycznych jak też psychologicznych. Przezwyciężenie tych trudności stawia poważne zadania współczesnej dydaktyce chemii kwantowej.
Zakres i poziom książki na tle innych publikacji na temat chemii kwantowej
Książka jest najbardziej wszechstronnym i obszernym podręcznikiem chemii kwantowej napisanym przez jednego autora jaka dotychczas ukazała się w literaturze międzynarodowej. Ta jednolitość wykładu jest bardzo cenna dla każdego czytelnika. Nie wymaga ona, jak to ma miejsce przy korzystaniu z wydawnictw typu encyklopedycznego lub z kilku monografii, dodatkowego nakładu pracy przy ujednoliceniu notacji i wyjaśnianiu stopnia zgodności używanych definicji. Nowatorski jest też integralny punkt widzenia autora unikający skupiania uwagi czytelnika na szczegółach ale starający się zwrócić mu uwagę, że nic nie jest do końca jasne i skończone. Autor stara się nie tylko o podanie wiedzy, ale również o przyjemność jej konsumpcji, a dla tych najzdolniejszych i najwytrwalszych o rozkosz samodzielnego dochodzenia do pewnych zawartych w Książce informacji.
Moim zdaniem motywacje Autora do napisania Książki są pod wieloma względami podobne do tych, jakimi się kierował Feynman, twórca słynnych Wykładów z fizyki, które są uważane przez wielu za niedościgniony wzorzec podręcznika fizyki. Dla poparcia tej tezy przytoczę kilka cytatów z przedmowy Feynmana (polski przekład książki): "Niniejsze wykłady nie zostały pomyślane jako zwykły kurs przeglądowy; przypisuję im większe znaczenie. Starałem się kierować je do najzdolniejszych studentów roku i to w taki sposób, by nawet ten najzdolniejszy student nie mógł w pełni ogarnąć wszystkiego, o czym była mowa na wykładzie; w tym celu wprowadzałem wzmianki o zastosowaniach omawianych pojęć i koncepcji w różnych dziedzinach poza głównym nurtem wykładu. Starałem się również wykazać w każdym przypadku, jakie jest miejsce równań i pojęć w ogólnej strukturze fizyki oraz jak – w miarę pogłębiania się wiedzy słuchaczy – będą następowały modyfikacje tych pojęć" lub "Kierując wykład do studenta bardziej aktywnego, nie chciałem jednak zapomnieć i o takim studencie, któremu dodatkowe fajerwerki myśli i mimochodem wzmiankowane zastosowania przysparzają tylko kłopotu i od którego nie można oczekiwać, by w ogóle opanował większość materiału zawartego w wykładzie. Dla tego studenta starałem się utworzyć przynajmniej pewien centralny rdzeń, pewien "kościec" zawierający materiał, który mógłby zrozumieć. Jeśli taki student nawet nie zrozumie wszystkiego z wykładu nie chciałbym aby się denerwował."
Stojąc na gruncie podobnych jak Feynman motywacji prof. Piela stworzył jednakże dzieło zupełnie inne w swym kształcie, co jest wynikiem odmienności dziedzin, których dotyczą książki tych autorów jak też składu zbiorowości ich potencjalnych czytelników.
Prof. Piela dołożył znacznych starań aby dać czytelnikom Książki satysfakcję płynącą z systematycznego poznania istoty i genezy szerokiego wachlarza metod współczesnej chemii kwantowej podkreślając przy tym nie tylko ich sukcesy w ilościowym opisie wielu faktów doświadczalnych, ale również zadbał o to aby pokazać wpływ tych metod na język współczesnej chemii. Czytelnik jest pod wrażeniem ogromnego rozmachu narratorskiego Autora. Trzeba przyznać, że autor potrafił w sposób niezwykle harmonijny podać wiedzę o metodach chemii kwantowej i potrzebną do jej zrozumienia informację z dziedziny mechaniki kwantowej. W tej ostatniej nie pomija przy tym problematyki najnowszej, co jeszcze zwiększa wartość tego ogromnego podręcznika. Wychodząc naprzeciw tym czytelnikom, którym zdążyły się już zatrzeć w pamięci potrzebne do zrozumienia istoty rzeczy fragmenty wiedzy matematycznej, Autor przypomina im je w licznych Dodatkach. Są one napisane w doskonałej z dydaktycznego punktu widzenia formie.
Pod względem zawartości merytorycznej Książka jest bardzo nowoczesna (patrz niżej!) i obejmuje znacznie szerszy niż w innych podręcznikach i monografiach zakres zagadnień. Autor w sposób bardzo konsekwentny a jednocześnie atrakcyjny przedstawia współczesny stan rozwoju chemii kwantowej. Prezentacja poszczególnych zagadnień wskazuje na głęboką, płynącą często z własnych bogatych doświadczeń naukowych, znajomość omawianej problematyki. Opis idei fizycznych i chemicznych przeplata się w Książce z ciekawie wybranymi momentami z życiorysów wielkich twórców tych idei. Ta kombinacja tworzy niespotykaną w innych podręcznikach interesująca fabułę i sprawia, że Książkę czyta się miejscami jak powieść.
Muszę w tym miejscu stwierdzić, że dotychczas nie spotkałem wśród podręczników akademickich tak cennej pod względem merytorycznym pozycji wydanej w tak atrakcyjnej formie. Dlatego uważam, że Książka stanowiłaby niezwykle cenne uzupełnienie naszego rynku wydawniczego.
Sposób i nowoczesność ujęcia tematu
Najważniejszym, obok wspomnianych już walorów merytorycznych, atrybutem Książki jest oryginalność i nowoczesność w prezentowaniu skomplikowanych treści chemii kwantowej. Odpowiadając na wspomniane wyżej zapotrzebowanie na wiedzę kwantowo-chemiczną, Autor zaadresował swe dzieło do bardzo szerokiego kręgu odbiorców. Z jednej strony, wziął pod uwagę ludzi, których Książka powinna zachęcić do zapoznania się z istotą stosowanych przez siebie w sposób rutynowy metod z "czarnych skrzynek" typu GAUSSIAN, a którzy w czasie swych studiów nie mieli kontaktu z chemią kwantową. Z drugiej zaś strony, Autor chciałby pomóc najzdolniejszym studentom i doktorantom rozwijającym nowe metody chemii kwantowej w wyrobieniu sobie całościowego spojrzenia na aktualny stan rozwoju tej dziedziny, na trudności z jakimi się ona boryka i zahartować ich do poszukiwań alternatywnych dróg wolnych od części problemów. Książka powinna zatem w zamyśle Autora zarówno obniżać bariery psychologiczne nowicjuszy jak też stanowić źródło inspiracji wytrawnych ekspertów. Aby urealnić swe tak ambitne cele, Autor skonstruował swą Książkę w oparciu o założenia strukturalne nie spotykane w innych podręcznikach.
Punktem wyjścia w tych złożeniach jest prezentacja diagramatyczna zależności zachodzących pomiędzy poszczególnymi zagadnieniami omówionymi w Książce. Rolę diagramu spełnia DRZEWO, którego pień jest jakby kręgosłupem Książki. W ten sposób czytelnik ma możliwość uzyskania bardziej gruntownej wiedzy opartej na znajomości struktury chemii kwantowej i powiązań między faktami i między metodami. Podstawowa rola DRZEWA polega jednak na tym, że umożliwia czytelnikowi wybór optymalnej drogi wiodącej do interesujących go zagadnień bez rozpraszania uwagi na studiowanie nieprzydatnych dla niego fragmentów Książki. Autor zresztą sam zaproponował szereg dróg dla osób zainteresowanych różnymi zastosowaniami metod chemii kwantowej.
Kluczową rolę w założeniach strukturalnych Autora odgrywa jego nowatorski pomysł nadania oryginalnej jednolitej organizacji wszystkim rozdziałom. Obejmuje ona szereg etapów przygotowawczych przed przystąpieniem do studiowania wybranego rozdziału oraz kilka etapów po zakończeniu tych studiów.
Etapy przygotowawcze rozpoczyna sekcja Gdzie jesteśmy?, w której następuje umiejscowienie danego rozdziału w DRZEWIE. Następnie w sekcji Przykład, na konkretnym prostym przykładzie, czytelnik dowiaduje się do rozwiązywania jakich konkretnych problemów przygotuje go dany rozdział, zaś w sekcji O czym to będzie? znajdzie zapowiedź istoty treści i planu rozdziału, co ułatwi mu wybór interesujących go podrozdziałów. Ostateczną decyzję może on podjąć po zapoznaniu się z treścią krótkiej, jasno sformułowanej sekcji Dlaczego to jest ważne? oraz sekcji Co jest potrzebne? informującej go co należało opanować, aby w pełni przyswoić sobie wybrany materiał.
Jak widać te unikalne etapy skrzętnie przygotowują czytelnika do opanowania interesującego go materiału. Jednocześnie staje się on partnerem Autora w przekształcaniu ogromnej Książki w przyjazny, skrojony na miarę jego sił i potrzeb podręcznik. Dla wielu ułatwieniem w trudnym procesie przyswajania wiedzy może być fakt, że Autor przy jej prezentacji wybrał świadomie styl rozmowy z czytelnikiem zamiast sformalizowanego suchego wykładu. Woli przy tym "łatwe" wytłumaczenie trudnego zagadnienia, bo ze swojego wieloletniego doświadczenia profesorskiego wie, że one przede wszystkim pozostają w pamięci studiującego.
Finalne etapy rozdziałów rozpoczynają starannie opracowane sekcje Podsumowanie i Główne koncepcje i nowe terminy. Potem w sekcji Z frontu badań następuje krótkie omówienie kilku zastosowań omawianych metod do ciekawych zagadnień współczesnej chemii, zaś w sekcji Ad futurum... Autor kreśli swe przepowiednie przyszłości omawianej w rozdziale dziedziny. Na końcu, po ewentualnym skorzystaniu z sekcji Dalsza lektura, czytelnik może w oparciu o sekcję Próbujemy sił dokonać samooceny stopnia przyswojenia sobie wiedzy odpowiadając na 10 pytań testowych.
Na nowatorskich założeniach strukturalnych nie kończy się jednakże niezwykłość formy Książki. Ogromnie ważną rolę w spełnieniu jej misji dydaktycznej odgrywają bowiem bardzo liczne, często oryginalne rysunki, które ożywiają prezentację treści i są niezwykle pomocne (nie tylko dla "wzrokowców") w jej zrozumieniu. Jestem pod wrażeniem inwencji plastycznej autora. Nigdy nie sądziłem, że aż tyle ważnych szczegółów metodologicznych można zilustrować w tak sugestywny sposób! Dalszym przejawem niezwykłości Książki jest stałe akcentowanie silnych związków prezentowanych idei z ludźmi, którzy je tworzyli. Autor czyni to w bardzo atrakcyjny sposób przytaczając bardzo wiele ciekawie skrojonych notek biograficznych oraz anegdot z życia ludzi związanych z genezą prezentowanych metod. W ten sposób przed czytelnikiem otwiera się nowy bardziej humanistyczny wymiar świata idei chemii kwantowej. Sądzę, że niejednemu uprzyjemni to trudne studia i ułatwi zapamiętanie pozornie nieciekawych szczegółów.
Sądzę, że omówiony zespół nowatorskich środków prezentacji przebogatego świata idei chemii kwantowej pobudzi wielu czytelników Książki do różnorodnych przemyśleń i szerszej refleksji stymulując jednocześnie pragnienie podjęcia wysiłku intelektualnego wymaganego przy czytaniu nieznanych mu jeszcze fragmentów książki.
Przydatność dla studentów wyższych uczelni i innych kręgów odbiorców
Jak zaznaczyłem już wcześniej, chemia kwantowa staje się coraz bardziej przedmiotem zainteresowania specjalistów z wielu często odległych od chemii dziedzin nauki i techniki. Z drugiej strony, ten nowoczesny podręcznik jest napisany w taki sposób, że może stanowić wielce pożyteczną pomoc w studiach odbywanych na bardzo różnych poziomach. Książka może być zarówno ciekawym i przyjaznym czytelnikowi "podręcznikiem pierwszego kontaktu" jak też "zaawansowanym przewodnikiem po metodach współczesnej chemii kwantowej" jakże pomocnym w integracji rozległej często wiedzy doktorantów czy zaawansowanych w tej dziedzinie specjalistów. Sam muszę przyznać, że choć "param się" chemią kwantową od 40-tu lat, Książkę czytam z ogromną przyjemnością.
Oto grupy potencjalnych czytelników Książki spośród studentów i wciąż rosnącej rzeszy doktorantów:
- Studenci i uczestnicy studiów doktoranckich na kierunku chemii – wykłady: chemia kwantowa na poziomach elementarnym i zaawansowanym, spektroskopia molekularna, teoria reakcji chemicznych, modelowanie chemiczne.
- Studenci chemii i uczestnicy studiów doktoranckich na kierunku fizyka i astrofizyka – wykłady: fizyka atomowo-molekularna, chemia kwantowa, spektroskopia atomowo-molekularna, fizyka ciała stałego, fizyka materiałów.
- Studenci i słuchacze studiów doktoranckich na kierunkach biochemia i biofizyka – wykłady: chemia kwantowa, biologia molekularna, spektroskopia molekularna, modelowanie chemiczne.
- Słuchacze studiów doktoranckich poświęconych biotechnologii i inżynierii materiałowej – wykłady – chemia kwantowa, modelowania chemiczne, spektroskopia molekularna.
Do wspomnianego grona studentów i doktorantów trzeba dołączyć coraz liczniejsze grupy specjalistów z wielu dziedzin nauk przyrodniczych i technicznych skupionych zarówno na uczelniach jak też w instytutach naukowo-badawczych, którzy wykorzystują w swojej pracy wspomniane już pakiety programów kwantowo-chemicznych. Autor zresztą już o nich pomyślał przy wytyczaniu dróg na DRZEWIE.
Na koniec muszę wyrazić moje przekonanie, że Dzieło na tak wysokim poziomie merytorycznym i posiadające tak atrakcyjną nowoczesną formę służyć będzie przez wiele lat także szerokiemu ogółowi chemików, fizyków, biochemików i reprezentantów innych nauk korzystających z dorobku chemii kwantowej jako lektura nie tylko rozszerzająca horyzonty ale wprost odświeżająca intelektualnie.
Niestety nie potrafię uczynić sugestii co do wysokości nakładu recenzowanej książki prof. Lucjana Pieli. Nie jestem bowiem w posiadaniu danych dotyczących liczebności poszczególnych grup potencjalnych czytelników. Nie znam również zasad szacowania wielkości nakładów wydawanych pozycji.
Podsumowanie
O wybitnej merytorycznej i dydaktycznej randze Książki pisałem bardzo obszernie w części. Mogę tylko jeszcze raz powtórzyć, że jej lektura była dla mnie pasjonująca. Sądzę, że podobną opinię wyraziłaby większość ludzi zainteresowanych szeroko pojętymi ideami chemii kwantowej.
Z wielkim uznaniem należy przyjąć ogromny wysiłek Autora, w wyniku którego powstała ta znakomicie napisana Książka. Dostrzeżonych potknięć merytorycznych, terminologicznych i językowych jest w niej naprawdę niewiele; dotyczą one na ogół spraw drobnych nie mających istotnego znaczenia i dlatego nie zmniejszają w żadnym stopniu mojej wysokiej oceny Książki.
Reasumując, należy stwierdzić, że mamy do czynienia z dziełem wybitnym, napisanym przez znakomitego polskiego chemika kwantowego, mającego niezwykły dar dydaktyczny. Chciałbym jak najprędzej mieć Książkę na swojej podręcznej półce!
Prof. dr hab. Karol Jankowski
Instytut Fizyki
Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu
