Badania naukowe

Staram się wybierać trudniejsze problemy i pamiętać o tym, 
że w nauce na jeden sukces przypadają trzy porażki.

Rozmowa z prof. Bogumiłem Jeziorskim, chemikiem, 
laureatem Nagrody FNP za rok 2000

Ma Pan znaczący dorobek w dziedzinie niezbyt długo uprawianej, zarówno w Polsce, jak i na świecie. Chciałabym zacząć naszą rozmowę od genezy zainteresowań i wyboru kariery akademickiej w chemii kwantowej.
– W młodości, którą spędziłem w Radomsku, nie myślałem o karierze akademickiej. Nie przypominam sobie, aby w domu się o tym kiedykolwiek mówiło. Moi rodzice pochodzą z rodzin chłopskich. Dzięki wielkim wyrzeczeniom udało im się, jeszcze przed wojną, zdobyć średnie wykształcenie. Pracowali w spółdzielczości wiejskiej. Wychowałem się więc w środowisku dalekim od akademickiego. W Radomsku były dwa przyzwoite licea, zwłaszcza moje uważam za bardzo dobre, ale o ile pamiętam, jeszcze w 1980 roku żaden z jego absolwentów nie został profesorem wyższej uczelni.

– Była jednak w pana rodzinie cenna tradycja ponoszenia trudów dla zdobycia wiedzy?
– O tak! W domu było pełno książek oraz instrumenty muzyczne, w tym pianino, na którym moja siostra uczyła się grać. Na pewno mogę powiedzieć, że rosłem w atmosferze zainteresowania światem dalszym niż granice miasteczka i pośród starań rodziców, żebyśmy mogli to zainteresowanie nie tylko zaspokajać, ale rozwijać, byśmy mogli się uczyć. Czasami nie było to proste – w Radomsku nie było np. ani jednego nauczyciela języka angielskiego i dopiero w Warszawie, na studiach, opanowałem angielski, a to przecież podstawowy język nauk ścisłych.

– Kiedy zainteresował się Pan naukami ścisłymi?
– Dosyć późno. W szkole podstawowej myślałem, że pójdę na politechnikę. Interesowała mnie budowa okrętów. Później zacząłem się przysłuchiwać lekcjom gry na fortepianie mojej siostry. Prędko się okazało, że gram lepiej niż ona i przez dość długi czas moją pasją była muzyka, również wiedza o muzyce. Studiowałem literaturę na ten temat, a że w Radomsku nie było księgarni muzycznej, jeździłem do Częstochowy, prosiłem ojca, by mi przywoził książki o muzyce z Łodzi, gdzie bywał służbowo. Była to wielka fascynacja i moje wspomnienia z dzieciństwa wiążą się głównie z muzyką. Grałem dużo na fortepianie, ale po jakimś czasie stwierdziłem, że nie mam talentu.

– Dalekie to od chemii...
– Nie tak dalekie od nauk ścisłych, jakby się wydawało. Zainteresowania muzyczne są dość częste u matematyków i fizyków.

– Jak to się stało, że chemia przeważyła?
– W dziesiątej klasie, kiedy już wiedziałem, że talentu muzycznego nie mam, zainteresował się mną nauczyciel chemii pan Stanisław Dudek. Był to doskonały nauczyciel, który miał ambicję, aby jego uczniowie zdobywali laury w olimpiadzie chemicznej. Byłem bardzo dobrym uczniem, więc zaproponował mi wzięcie w niej udziału, a jednocześnie zorganizował koło chemiczne. Po lekcjach robiliśmy różne doświadczenia, co było niezwykle interesujące, choć czasem niebezpieczne. Osiągnąłem pewne sukcesy a w ostatniej klasie wziąłem też udział w olimpiadzie matematycznej i również poszło mi dobrze. Pamiętam, że czytałem wtedy dwutomową Analizę Stefana Banacha i to było podobnie fascynujące, jak studiowanie literatury muzycznej. Zawsze chyba fascynowało mnie obcowanie z tworami ludzkiego geniuszu. Po maturze mogłem iść bez egzaminów na każde studia. Zdecydowałem się na chemię, bo wcześniej się nią zainteresowałem niż matematyką, a nauczyciel chemii więcej włożył w tym okresie w moją formację intelektualną. W 1964 roku przyjechałem do Warszawy i zacząłem studia w Uniwersytecie Warszawskim.

– Czy było to jakąś wyraźną cezurą w Pana rozwoju?
– Chyba nie. Moje studia przebiegały dość banalnie. Miałem wiele czasu na kino, teatr, a przynajmniej raz w tygodniu chodziłem do filharmonii. Dużo czasu spędzałem w górach, zarówno latem, jak i zimą. Miałem dużo szczęścia, bo nie za wiele się ucząc uzyskiwałem bardzo dobre oceny. Chyba wiedziałem czego się uczyć. Na czwartym roku trzeba się było decydować na wybór specjalności. Tak się złożyło, że z dłuższego pobytu w Chicago wrócił właśnie prof. Włodzimierz Kołos i objął Katedrę Chemii Teoretycznej. Znów miałem szczęście spotykając go w tym akurat momencie.

– Stał się Pana mistrzem?
– Tak jest, a w dziedzinie chemii kwantowej, która wówczas powstawała, był jednym z kilkunastu światowych liderów.

– Miałam sposobność poznać prof. Kołosa. Mało mówił o własnych osiągnięciach – cieszył się sukcesami studentów.
– Niewielu ludzi zdaje sobie sprawę, że należał do największych polskich uczonych XX wieku. Lepiej znany był za granicą niż w Polsce.

– Jak powstawała chemia kwantowa?
– Pierwsze prace wykonano jeszcze przed wojną, ale odrębną dziedziną stała się dopiero w latach 1960-70. Opowiem anegdotę pokazującą rangę badań prof. Kołosa. Kiedy przyszedłem z prośbą, żeby u niego pisać pracę magisterską, dał mi pewien problem do rozwiązania. Rozwiązałem go dosyć szybko, więc profesor dał mi drugi problem, z którym też się uporałem. Mój mistrz opisał te wyniki, wówczas studenta, w „Chemical-Physics Letters” w 1969 roku. Dwa lata później Gerhard Herzberg w swoim wykładzie „noblowskim” w Sztokholmie powołał się na mnie.

– Pokazuje to trzy ważne rzeczy: wagę badań samego prof. Kołosa oraz przez niego inspirowanych, Pański talent oraz intuicję, które pozwoliły twórczo z inspiracji skorzystać, a także stosunek mistrza do ucznia.
– Muszę podkreślić, że mój mistrz ustalił w gronie swoich uczniów dokładnie taki standard, jaki obowiązywał w najlepszych ośrodkach na świecie. Nie czuliśmy się „nauką polską”, tylko częścią nauki po prostu i to z „pierwszej linii frontu”. W naukach ścisłych nie można być prowincjonalnym, to się nie liczy.

– Jaka jest rola intuicji w tym, co nazwał Pan szczęściem? Co kazało Panu pójść do prof. Kołosa, którego wielkość nie była znana w Polsce?
– Może to, że miałem zawsze zainteresowania matematyczne, a w tym, co profesor robił, było dużo matematyki.

– Chemia kwantowa rozwija się, jeśli dobrze rozumiem, na pograniczu z fizyką, przy dużym udziale matematyki?
– Jest to dziedzina chemii teoretycznej zajmująca się przewidywaniem własności molekuł i kierunków reakcji chemicznych za pomocą mechaniki kwantowej. Molekuły to są jądra atomowe i chmura elektronów wokół nich. Dynamiką ruchu jądra i elektronów rządzą prawa mechaniki kwantowej i za ich pomocą można przewidzieć wszystkie własności molekuł. Podobnie, jak rozwijając równania mechaniki klasycznej Newtona potrafimy odkryć nowe planety i przewidzieć zaćmienie Słońca za dwa tysiące lat, tak rozwiązując równanie Schr?dingera, opisując ruch elektronów w molekułach, potrafimy odpowiedzieć na wszystkie – dobrze postawione – pytania o własności molekuł, o ich wzajemne oddziaływane, czyli reakcje chemiczne.

– Przepraszam, ale analogia między mechaniką klasyczną i mechaniką kwantową nie bardzo przybliża laikom tę drugą. Czy chemia kwantowa przewiduje własności molekuł i ich zachowania metodami matematycznymi – bez uciekania się do eksperymentu? Nasze wyobrażenia o chemii kojarzą ją z laboratorium, odczynnikami, retortami itp.
– Obecnie potrafimy metodami chemii kwantowej, a więc przede wszystkim matematycznymi, przewidzieć z ogromną precyzją własności małych molekuł, tych z niewielką liczbą elektronów wokół jądra. W przypadku molekuł dużych (do takich należą np. leki) jest to o wiele trudniejsze, ale i tu możemy wskazać molekuły, które są najbardziej obiecujące – powiedzmy, z farmakologicznego punktu widzenia. Redukuje to znacznie liczbę kosztownych eksperymentów, kompanie farmaceutyczne zatrudniają więc chętnie naszych absolwentów. Odwołam się znów do analogii. Wszystkie urządzenia elektrotechniczne i radiotechniczne oparte są w gruncie rzeczy na równaniach Maxwella, a wszystkie własności molekuł wynikają z równania Schr?dingera. Oczywiście, równania Maxwella są nieporównanie prostsze, dlatego już dawno je rozwiązano, a nad problemami chemii kwantowej ciągle pracujemy.

– Jakie są dzisiaj główne problemy?
– Najogólniej można powiedzieć tak: trudność rozwiązania równania molekuły rośnie nieliniowo. Jeśli mamy dwa razy więcej elektronów, to „komplikacja” powodująca trudność rozwiązania nie jest dwukrotnie większa, ale np. ośmiokrotnie. W tej chwili potrafimy dobrze przewidywać własności molekuł kilkudziesięcioatomowych, a chemia zajmuje się przecież molekułami o setkach atomów i tysiącach elektronów.

– Czy można się spodziewać skoku w chemii kwantowej, czy raczej będą to kolejne kroki ku coraz większym molekułom?
– Rewolucje trudno przewidywać – i w nauce, i w polityce. Istnieją prognozy mówiące o tym, że jeszcze w naszym stuleciu połowa wysiłku badawczego w chemii będzie miała charakter teoretyczny, czyli będzie to chemia kwantowa.

– Czy można sobie wyobrazić zamknięcie laboratoriów?
– Myślę, że nie. Zawsze trzeba, w którymś momencie, skonfrontować teorię z doświadczeniem, zawsze będziemy musieli otrzymywać jakieś substancje, opracowywać procesy technologiczne. Dzięki rozwojowi teorii doświadczenia będą lepiej umotywowane, lepiej ukierunkowane. Istnieje jeszcze drugi element, niejako druga wartość chemii kwantowej. Mówi nam ona nie tylko, jakie będą własności molekuł i ich wzajemne oddziaływanie, lecz także, które z tych własności mają dobrze określony sens.

– Przedtem użył Pan określenia „dobrze postawione pytania”. Rozumiem, że są to pytania o własności „mające dobrze określony sens”? Proszę to bliżej objaśnić.
– Możemy zadawać rozmaite pytania, np. jakiego koloru jest elektron? Jest to źle postawione pytanie, bo elektron nie ma koloru, choć może niełatwo sobie to uprzytomnić. Możemy pytać, kiedy rozpadnie się jądro promieniotwórczego pierwiastka, ale to również źle postawione pytanie, gdyż teoria mówi nam tylko to, że jeśli mamy jakąś liczbę radioaktywnych jąder, to po określonym czasie będzie ich o połowę mniej. Nie potrafimy powiedzieć, w jakim momencie rozpadnie się ostatnie z tej liczby jąder. Nie istnieje teoria, która pozwoliłaby odpowiedzieć na tak postawione pytanie.

– Może mogłaby powstać, gdyby uczeni uparcie to pytanie powtarzali?
– Powtarzam: rewolucji się nie przewiduje. Ze statystycznym charakterem mechaniki kwantowej nie mógł się pogodzić Albert Einstein, który uważał, że Bóg nie gra z nami w kości. Minęło 75 lat i coraz więcej jest argumentów przemawiających za tym, że jednak przyroda sama losuje. Zatem nie da się przewidzieć momentu rozpadu pojedynczego, konkretnego jądra atomowego. Co więcej, okazało się, że nie byłoby to do niczego potrzebne. W ciągu blisko 100 lat postęp w chemii, fizyce ciała stałego czy elektronice jest fenomenalny.

– Trzeba się pogodzić z tą granicą i pytać inaczej?
– Tak. Podobnie, jak nie jesteśmy w stanie powiedzieć, kiedy rozpadnie się pojedyncze jądro atomowe, nie umiemy określić, w jakim miejscu znajduje się elektron w danej chwili. nie warto więc o to pytać. Mechanika kwantowa wyznacza nam język, którym możemy rozmawiać o cząsteczkach i atomach, ujawnia granice stosowalności pojęć, do których jesteśmy przyzwyczajeni. Od 75 lat uczy nas tego, że tylko statystycznie możemy przewidywać zjawiska zachodzące w mikroświecie. Trzeba naturalnie pamiętać, że nauka nie jest religią, że cechuje ją ciągły krytycyzm oparty na przekonaniu, iż wiedza, jaką posiadamy, nie jest ostateczna i że ogólnie akceptowany pogląd może się kiedyś zmienić.

– Czy rozwój chemii kwantowej może się przyczynić do powstania jednej teorii opisującej świat, do „wielkiej unifikacji”?
– Równanie Schr?dingera jest taką jedną teorią w chemii, czyli w świecie molekuł. W nim „siedzą” wszystkie własności i wszystkie reakcje molekuł. Bardzo trudno to równanie rozwiązać, a ciekawość uczonych kieruje się ku coraz bardziej złożonym układom, przede wszystkim biologicznym. Jeśli idzie o fizykę, problem unifikacji pozostaje ciągle nierozwiązany. Od czasów Einsteina udało się połączyć teorię oddziaływań elektromagnetycznych z teorią oddziaływań jądrowych. Istnieją teorie, które do jednego schematu włączają również oddziaływanie grawitacyjne. jest jednak wiele kłopotów z ich weryfikacją doświadczalną. Wymaga to bardzo wyrafinowanych eksperymentów z użyciem ogromnych energii, koszty sięgają wielu miliardów dolarów. Eksperymenty te przyniosłyby pewnie ważne, z naukowego punktu widzenia, odpowiedzi, prowadzące do bardziej jednolitej wizji świata, ale kiedy przychodzimy do podatników z prośbą o pieniądze, okazuje się, że priorytety są inne niż wielka unifikacja. Są nimi biologia molekularna, technologie medyczne, informatyka, telekomunikacja.

– Jakie są Pana priorytety badawcze?
– Zwykle zastanawiam się, które z ważnych i ciekawych problemów dadzą się rozwiązać w przewidywalnym dla mnie czasie. Można wybrać problemy tak łatwe, że pozwoliłoby to na kilkanaście publikacji w ciągu roku, albo tak trudne, że uda się opublikować jedną pracę na dwa lata. Bliższa mi jest ta druga opcja. staram się wybierać trudniejsze problemy i pamiętać o tym, że w nauce na jeden sukces przypadają trzy porażki.

– Miał Pan sukcesy na samym początku drogi.
– Miałem sporo szczęścia. Poznawałem mądrych ludzi, współpracowałem z takimi. Trochę jak na boisku, gdzie nie ten się liczy, kto dużo biega, tylko ten, kto stanie w dobrym miejscu i trafi do bramki. Jednym z problemów, jakimi się teraz zajmuję, jest oddziaływanie elektronów z próżnią, która według mechaniki kwantowej ma określone własności. Jej fluktuacje elektron „wyczuwa”, zmienia nieznacznie swoją energię, co ma wpływ na własności molekuły. Badania te są finansowane przez National Institute of Standard and Technology, bardzo prestiżowy amerykański instytut naukowy, ponieważ wiedza, jaką spodziewamy się uzyskać, jest potrzebna do zdefiniowania atomowego standardu ciśnienia i temperatury – na wzór znanych wszystkim atomowych mierników czasu. Drugie zagadnienie, nad którym pracuję, związane jest z tym, za co dostałem nagrodę FNP, tj. z formalizmem kwantowych obliczeń oddziaływań międzyatomowych i międzymolekularnych. Te oddziaływania są bardzo skomplikowane, zdarza się, że elektrony zamieniają się miejscami, przeskakują z jednego atomu do drugiego. Zbadaliśmy w naszym zespole, jak to wpływa na energię oddziaływania w stanach podstawowych cząsteczek. Interesuje mnie teraz to, jak przebiega ta wymiana elektronów, gdy cząsteczka jest wzbudzona, np. po napromieniowaniu światłem. Są to badania o znaczeniu poznawczym, choć mogą przynieść jakieś pożytki praktyczne.

– Powiedział Pan przedtem, że granice poznania wyznacza obecnie mechanika kwantowa.
– Poza nimi jest, jak dotychczas, mechanizm działania mózgu ludzkiego. Mam przeświadczenie, że prawa mechaniki kwantowej są do poznania tego mechanizmu wystarczającym narzędziem, ale czy nasz mózg okaże się dość potężny?

– Czy zdoła poznać sam siebie?
– Byłbym optymistą. Nasz mózg potrafił przecież stworzyć sobie pomocnika, jakim jest komputer.

rozmawiała 
Magdalena Bajer

Komentarze