Recenzja ksiązki
Lucjan Piela, Idee chemii kwantowej
Prof. dr hab. Ludwik Komorowski
Książka prof. Lucjana Pieli jest zjawiskiem tak wyjątkowym na polskim rynku książki naukowej w naukach przyrodniczych, że zasługuje na prezentacje i omówienia z wielu różnych perspektyw. Z pewnością doczeka się specjalistycznego przeglądu ze strony licznych w kraju fachowców w chemii kwantowej. Ponieważ jednak jest to pozycja ważna dla całego środowiska chemików, a także dla wielu fizyków, sadzę, że przydatna będzie jej potencjalnym czytelnikom również refleksja fizykochemika, którą poniżej przedstawiam.
Idee chemii kwantowej to pierwszy w nowej epoce tej miary podręcznik akademicki polskiego autora w naukach przyrodniczych. Nie mogą się z nim równać w chemii kwantowej ani bardziej specjalistyczny podręcznik Romana Nalewajskiego Podstawy i metody chemii kwantowej (2001) ani skromniejsza pozycja Włodzimierza Kołosa i Joanny Sadlej Atom i cząsteczka (1998). W innych dziedzinach chemii nikt z Polaków nie stworzył w ostatniej dekadzie całkowicie nowego, autorskiego i akademickiego podręcznika tego rozmiaru, nie powstał on również w fizyce. Rynek wydawniczy zdominowały tłumaczenia oraz wznowienia, zapewne wskutek mechanizmów ekonomicznych. (Wina leży i po stronie wydawców, i w krajowej polityce naukowej.) Profesor Lucjan Piela stworzył swój podręcznik na przekór ekonomicznym mechanizmom, z prostego zamiłowania dla wiedzy, którą studentom wykłada. Ten ciepły, osobisty stosunek do prezentowanej nauki oraz do młodego czytelnika jest wyczuwalny na każdej stronie obszernego dzieła.
Chociaż tytuł książki eksponuje chemię kwantową, już na pierwszych stronicach wstępu staje się jasne, że autora-chemika fascynuje rola jaką chemia kwantowa może odgrywać w innych obszarach chemii. A chemia jest wszędzie: „...chemia stoi przed wielkim skokiem.... wybrany przez nas, ludzi, sposób rozwoju chemii (biochemii) zadecyduje o losie gatunku ludzkiego....” pisze autor w rozdziale ostatnim (str. 897). Podręcznik mógłby służyć jako droga do zrozumienia zawiłości świata atomów, cząsteczek i elektronów przez chemików praktykujących w „zwyczajnych” obszarach chemii (organiczna, nieorganiczna itp.) gdyby tylko chcieli oni uznać pożytek płynący z takiej wiedzy oraz zaryzykować zetknięcie z koniecznym aparatem pojęciowym i matematycznym. Książka przekonuje czytelnika, że warto, że można, że należy. Książka pokazuje, że to nie takie trudne; obok wstrętnych praktykującemu chemikowi wzorów prezentuje ciekawy, przejrzysty i potoczysty komentarz, wystarczająco długi by zatrzymać uwagę i zasmakować w subtelności lekkiego a wyszukanego języka, jednak dość zwięzły, by czytelnika nie znużyć.
Jako podręcznik chemii kwantowej, książka jest kolejnym dowodem, ze chemia kwantowa (a nie chemia obliczeniowa) zyskała już równorzędną rangę kolejnego działu chemii podstawowej obok czterech uznanych działów kanonicznych chemii: nieorganicznej, analitycznej, organicznej, fizycznej. Ciekawe, czy stanie się zalecanym podręcznikiem w kursach chemii kwantowej, czy polscy wykładowcy przedmiotu zechcą zmierzyć się z autorytetem i talentem autora, czy też poprzestaną na czerpaniu z niej inspiracji (to pewne), a studentom polecą podręcznik bardziej standardowy. Jednakże książka ma szansę się stać czymś daleko ważniejszym, bo przyjacielem wykształconego chemika, któremu w potrzebie wyjaśni molekularne podstawy wiedzy chemicznej i poprowadzi znaną od starożytności drogą: „Od wiedzy, przez zrozumienie do mądrości” (z maksymy cytowanej na str. XXI). Z podziwu godną i niespotykana w nauce skromnością autor dystansuje się od formalistycznych uciążliwości przedmiotu, które przecież perfekcyjnie prezentuje i wyprowadza: „Za skomplikowanymi wzorami kryją się czasem dość proste prawdy (i je przede wszystkim trzeba widzieć).” str. XXV.
Dla fizykochemika, podręcznik Pieli jest prawdziwym skarbcem aktualnych informacji. Zainteresują go przede wszystkim kwantowe, sformalizowane oraz świetnie przedyskutowane podstawy zjawisk, którym autor poświęca niewiele mniejszą objętość podręcznika niż na kluczowy dla specjalistów wykład subtelności kwantowo-chemicznych metod obliczeniowych. Oparcie książki na wiedzy eksperymentalnej jest widoczne już od świetnego rozdziału pierwszego, gdzie każdemu zjawisku kwantowemu, od fotoefektu do teleportacji (!), towarzyszy opis eksperymentalnych obserwacji. Rozdział 4 poświecony rozwiązaniom dla standardowych modeli ma wzorową formę, w której sens modeli został wyeksponowany („...perły z lamusa”) i nie przesłonięty przez zawiłości matematyczne. Rozdział 6 (ruch jąder i elektronów) można zalecić jako obowiązkową lekturę wstępną dla studiujących spektroskopię molekularną. Rozdział 7 zawiera świetne i przejrzyste wprowadzenie do dynamiki molekularnej dla każdego, kto nie usłyszał o niej na wykładach. Rozdziały 12 – 14 to już wyłącznie aplikacje: cząsteczka w polu elektrycznym i magnetycznym, oddziaływania miedzymolekularne, reakcje chemiczne – znakomity wykład kluczowych zagadnień fizykochemii molekularnej, podparty ścisłym kwantowochemicznym aparatem matematycznym. Studiujących chemię fizyczną poziom tych rozdziałów wystraszy, lecz wykładowcom, a także doktorantom, należy je polecić jako niezbędne uzupełnienie wykształcenia, którego w tak pełny sposób nigdzie poza książka Pieli nie znajdą. Wybitnie aplikacyjny charakter ma rozdział 9 (układy periodyczne, kryształy), lecz sądzę, że jego wartość docenią raczej specjaliści od obliczeń; poglądowy wykład teorii pasmowej w pierwszej części rozdziału ma charakter tylko koniecznego wstępu do tematu, który posiada bogatą i bardziej wyczerpującą literaturę. Ostatni rozdział książki (15 – Informatyczna misja chemii.) jest w moim odczuciu dysonansem w tym znakomitym podręczniku poświęconym chemii kwantowej. Materia ostatniego rozdziału jest bez wątpienia listą frontowych zagadnień w nowoczesnej chemii: układy złożone, nieliniowość, zjawiska kolektywne, sprzężenia a nawet teoria informacji. Zagadnienia te bywają wykładane wyłącznie na poziomie monograficznym, jeśli są wykładane w ogóle. Ujęcie ich w formie podręcznikowej byłoby wielką wartością, jednak wymagałoby daleko większej szczegółowości, aby dorównać poziomowi, na jakim prof. Piela prezentuje chemię kwantową. Omawiając tematykę powierzchownie autor nie pokazał przekonywająco nawet przybliżonego związku tego obszaru z nakreślonym wcześniej szczegółowo obszarem chemii kwantowej, no może z wyjątkiem oczywistego dla chemika aspektu: wszystko zbudowane jest z cząsteczek, a naturę cząsteczek wyjaśnia chemia kwantowa. Być może zamiłowany w swoim przedmiocie autor nie zauważył, że nie całą nowoczesność współczesnej chemii można kojarzyć z chemia kwantową?
Styl i organizacja książki są własnym wynalazkiem profesora – warto zajrzeć do książki już nawet tylko dlatego, aby się z nimi zapoznać. Kluczem do książki jest drzewo: wielkie, realistycznie wyrysowane na wewnętrznej stronie okładki. Na pniu, konarach i gałązkach umieszczono hasła i tytuły występujące w treści, razem ponad 50. Student powinien się na drzewo wspinać o własnych siłach, bez drabiny, poczynając od pnia. Gdy dotrze do konarów, może już wybrać własną drogę. Gdy sięgnie do listowia, znajdzie się wśród zagadnień, którym chemia kwantowa służy: reakcje chemiczne, oddziaływania między cząsteczkowe, oddziaływania z polem. Taka „drzewo-struktura” jest dobrym przewodnikiem dydaktycznym: jasno widać, że nie można sięgać gałązek omijając pień i konary. Ale dziwne, że przy całej pomysłowości autor nie zaproponował sposobu pokazania, że jego drzewo stoi w lesie! Strefa liści i gałązek splatana jest z wieloma innymi, równie bujnymi drzewami innych obszarów chemii, fizyki, biologii i in., których rozdzielić nie sposób, choć każde ma doskonale zdefiniowany pień własnej metodologii, a wszystkie stoją na twardym gruncie naukowej metody poznawania świata.
Autor z rozmysłem nadaje książce styl rozmowy ze studentem, choć wie, że „...tak się książek nie pisze...” (str. XXVI), zna trudności, które student napotka napotka, uprzedza je, stopniuje przeszkody, prowadzi go metodycznie przez rozdziały zorganizowane wg oryginalnego i starannie umotywowanego schematu, wyodrębniając kolejno punkty: Gdzie jesteśmy (na drzewie); Przykład (zawsze konkretne zadanie !); O czym to będzie (plan); Dlaczego to takie ważne (by ocenić, czy to rozdział jest dość ważny aby go studiować !); Co jest potrzebne (ostrzeżenie, co trzeba wiedzieć); Prace klasyczne (szczypta historii tematu); Treść (zasadniczy tekst rozdziału); Podsumowanie (czy było warto ?); Główne koncepcje, nowe terminy (repetytorium przed egzaminem); Z frontu badań (o współczesnym stanie wiedzy); Ad futurum (czy to ma przyszłość?); Dalsza lektura (odsyłacze literaturowe); Próbujemy sił (10 pytań testowych); Odpowiedzi (do testu). Mało tego – student znajdzie w książce propozycję systemu P4O2 (wiadomo, chemia) od: Przeglądnij; Pytania własne; Przeczytaj; Przeglądnij ponownie; Odpowiedz; Opowiedz. Ciekaw jestem, czy autor przeprowadzał badania skuteczności swoich wynalazków – narzędzi metodycznych.
Bogactwem książki Idee chemii kwantowej jest nie tylko jej tekst. Jej przypisy, to odrębny świat wiedzy i jednocześnie arcyciekawy obszar żywego kontaktu z autorem. W przypisach (bardzo licznych) można zauważyć dwa gatunki: literaturowe oraz refleksyjne. Te pierwsze, podające bądź źródła, bądź aktualne lub bardziej szczegółowe publikacje, stanowią rutynowa zawartość podręczników, jednak u Pieli i im towarzyszy często osobisty komentarz. Przebogate odnośniki refleksyjne są ozdobą książki, dowodem niebywałej erudycji autora, świadectwem jego swady, poczucia humoru, towarzyskich kontaktów, lecz i dystansu do trudnej materii. Czytając przypisy nawiązujemy bezpośredni kontakt z autorem, jakby prowadzącym z czytelnikiem dyskurs przy kawiarnianym stoliku – nie wykład z uniwersyteckiej katedry. Równie świetnie opracowane są ramki biograficzne dla bardzo wielu postaci występujących na kartach podręcznika. Zwięzłe życiorysy opracowano krytycznie, eksponując największe dzieła ludzi, lecz nie zamazując śladów ich błądzenia.
Ponad 10% objętości książki zajmują dodatki oznaczone literami od A do X. W założeniu jest to prezentacja tych zagadnień, których wyprowadzanie i dowodzenie niepotrzebnie rozrywałoby ciągłość myślową tekstu. Jest tam i matematyka ogólna (macierze, wyznaczniki, przestrzenie), są specjalistyczne metody matematyczne (ortogonalizacja, diagonalizacja itp.), są zagadnienia fizyczne (rozwinięcie multipolowe, druga kwantyzacja), są i zagadnienia monograficzne (cząsteczka H2+, analizy populacyjne, struktury donorowo-akceptorowe). Niestety dostępu do bogactwa zawartych tam informacji nie ułatwiają tym razem lakoniczne sformułowania spisu treści. Czy można by oczekiwać, że pod tytułem dodatku C „Teoria grup w chemii” kryje się znakomita jasna i przystępną monografia zastosowań teorii grup w spektroskopii?
Podręcznik prof. Lucjana Pieli odegra z pewnością wielką rolę w kształceniu nowoczesnych chemików w Polsce, niekoniecznie jako pomoc w zdawaniu egzaminu z chemii kwantowej, której na wielu uczelniach brak. Książka stanie się punktem odniesienia w ogromnym obszarze wiedzy fizykochemicznej opartej na molekularnym obrazie świata, który dziś przyjmują za chemikami i fizycy, i biolodzy. Dlatego nie sposób nie zwrócić uwagi na charakterystyczny i niestandardowy aspekt języka autora: Idee chemii kwantowej to książka o molekułach, nie o cząsteczkach. Choć oba terminy są legalne, choć dla wykształconego chemika ich jednoznaczność jest oczywista, nie sposób pominąć problemu milczeniem właśnie dlatego, że książka będzie punktem odniesienia poza obszarem chemii oraz będzie służyć studentom, szczególnie wyczulonym na spójność językową i terminologiczną miedzy przedmiotami. Sprawdzam na swojej półce: we wszystkich poważnych podręcznikach chemii ogólnej, nieorganicznej, organicznej i analitycznej występuje wyłącznie cząsteczka. W chemii fizycznej to samo: Atkins (tłumaczenie pod redakcja Najbara), Pigoń i Ruziewicz, Sobczyk i Kisza, Wykłady chemii fizycznej (praca zbiorowa WNT), wcześniej Gumiński, Barrow (tłum.), Brdicka (tłum.) i praca zbiorowa PWN – wszyscy mówią o cząsteczkach. Nie znalazłem molekuły także w podręcznikach chemii teoretycznej i kwantowej: Gumińskiego, Gołębiewskiego, Nalewajskiego; nie ma jej u Kołosa, nauczyciela i duchowego mistrza autora Idei chemii kwantowej. Polscy fizycy też nie demonstrują przywiązania do molekuł: nie używał tego terminu Szczeniowski, nie stosują Wróblewski i Zakrzewski, brak go w Encyklopedii fizyki współczesnej, nie występuje w nowym, wykonanym pod redakcja Prochorowa tłumaczeniu książki Hakena i Wolfa. Szukam więc w podręcznikach bardziej specjalistycznych. O molekułach pisze Sadlejowa w wydanej 1977 monografii metod półempirycznych, lecz ta sama autorka pisze już o cząsteczkach we wchodzącej w skład cyklu Wykłady chemii fizycznej książeczce Spektroskopia molekularna (2002). Jednak inny podręcznik z tej dziedziny, Kęckiego Podstawy spektroskopii molekularnej demonstruje przywiązanie do molekuł, podobnie jak podręcznik Fizyka chemiczna (pod redakcją Janikowej). Historia używania terminów „molekuła” i „cząsteczka” warta jest, jak pokazał przegląd mojej biblioteczki, opracowania źródłowego, a w braku pisanych zasad, De gustibus non est disputandum. Pozostanie sekretem autora, dlaczego postanowił wylansować ekscentryczną i obcą molekułę, ku uciesze studentów, zawsze gotowych wyłapać językowe potknięcia i oryginalności, oraz na utrapienie przyszłych autorów literatury chemicznej i ich wydawców, na których przykład Idei będzie oddziaływał.
Na odrębne omówienie zasługuje Aneks internetowy udostępniony na stronie www wydawcy, Wydawnictwa Naukowego PWN. Pomysł jest absolutna nowością, Idee są jedną z zaledwie 5 pozycji PWN, do których taki aneks jest dostępny. Z zainteresowaniem sprawdziłem jego zawartość, którą referuję od końca. Errata – zwyczajowy zestaw usterek, wykrytych przez autora i przez ujawnionych z nazwiska jego współpracowników oraz zaproszenie: znajdziesz błąd, daj znać, twoje nazwisko też się tam pojawi. Druga pozycja to Suplementy do 8 rozdziałów. Ich prezentacja (tekstowa) jest zaawansowana i analogiczna do dodatków. Znalazły się tam i pozycje dla obliczeń kwantowo-chemicznych konieczne (metoda Newtona) jak i raczej zbędne (konstrukcja sieci odwrotnej). We wszystkich widać lwi pazur chemika teoretyka, ich poziom formalny jest imponujący. Kolejny punkt pod nazwą Molekuły ma w założeniu służyć wizualizacji cząsteczek w trzech rozdziałach. Niestety narzędzia temu służące (program RasMol, Glaxo Wellcome R&D) okazał się mało przyjazny dla użytkownika standardowych narzędzi w komputerze osobistym. Natomiast podobny punkt pod nazwa Mathematica, obsługiwany przez nie komercyjny program MathReader poddał się łatwo obsłudze mało fachowego użytkownika. Pliki przygotowane przez autora stają się dostępne, jednak korzystanie z nich bez znajomości programu Mathematica nie jest celowe.
Navigare – to najważniejszy element aneksu. Wybrana i posegregowana kolekcja adresów internetowych, pod którymi można znaleźć wszystko – jak to na morzu (internetowym): teksty wykładów, animacje wykresy... Wszystko to jest oczywiście dostępne każdemu żeglarzowi sieci, ale Navigare jest jak mapa morska i kompas, pozwala trafić prosto do poszukiwanego celu. (Ilekroć korzystam z zasobów internetu zadaję sobie pytanie jak długi jest czas życia takiej informacji, zanim ulegnie zmianie, dezaktualizacji lub zniknie. A książka pozostanie.) W aneksie umieszczono również pełne teksty recenzji wydawniczych (prof. Karol Jankowski, fizyk, Uniwersytet Mikołaja Kpernika w Toruniu oraz prof. Andrzej Sokalski, chemik, Politechnika Wrocławska). To bardzo dobry pomysłe wydawcy, oby stał się zwyczajem innych. Jest też obszerny punkt o autorze, ważny, lecz zawartością pasujący raczej do strony domowej autora niż do witryny wydawcy. Trzeba życzyć wydawnictwom oraz autorom, aby podobne aneksy internetowe pojawiały się częściej, profesor Lucjan Piela zaprezentował model, z którego warto korzystać, ale którego poziomowi będzie trudno dorównać.
Ludwik Komorowski
