Mistrzowie PAN. Prof. Trautman i dowód, który wyprzedził eksperyment

Choć Albert Einstein wątpił w ich istnienie, młody polski matematyk wykazał, że fale grawitacyjne są realnym zjawiskiem. Dla tego geniusza z warszawskiej Ochoty ich detekcja w 2015 r. nie była wielkim przeżyciem. Wiedział, że one tam są.

Czym są fale grawitacyjne? Można je opisać jako „zmarszczki” czasoprzestrzeni, które rozchodzą się w kosmosie podobnie jak kręgi na powierzchni wody po wrzuceniu kamienia.

Ich źródłem są gwałtowne wydarzenia, takie jak zderzenia czarnych dziur czy ruch masywnych gwiazd. Przez lata wielu fizyków wskazywało, że mogą być jedynie matematycznym artefaktem wynikającym z wyboru układu współrzędnych.

Polak wbrew Einsteinowi

Andrzej Trautman miał zaledwie 25 lat, gdy w 1958 r. dokonał swojego najważniejszego odkrycia. Udowodnił – choć wyłącznie teoretycznie – że fale grawitacyjne są realnym zjawiskiem. Co ciekawe, w ich istnienie powątpiewał nawet sam Albert Einstein, choć trochę wbrew własnej teorii, bo to właśnie fale grawitacyjne są jednym z jej kluczowych przewidywań.

Trautman wykazał ich realność w serii prac naukowych, które stały się podstawą jego rozprawy doktorskiej. Przełomowe artykuły powstały w Instytucie Fizyki PAN oraz w Instytucie Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Warszawskiego przy ulicy Hożej 69 – adresie, który dla polskich fizyków miał niemal legendarny status. Promotorem Trautmana był prof. Leopold Infeld, który początkowo sam nie wierzył w fizyczne istnienie fal grawitacyjnych, ale mimo różnicy zdań zaakceptował temat pracy swojego doktoranta.

Prof. Infeld pozostawał sceptyczny aż do momentu, gdy do akcji wkroczyła żona Trautmana, Róża Michalska-Trautman. To jej obliczenia ostatecznie przekonały mistrza. Sam Trautman skwitował to później z uśmiechem: „Gdzie diabeł nie może, tam babę pośle”.

Jak osiągnął tak wiele w tak młodym wieku? Jego zainteresowanie nauką zaczęło się od książki przeczytanej w wieku 10 lat. Za pieniądze otrzymane na imieniny kupił początkowo literaturę młodzieżową, która go rozczarowała. Szybko wymienił ją na książkę o biologii ssaków. „To był punkt zwrotny w moim życiu, bo od tego czasu kupowałem już tylko książki popularnonaukowe, a później naukowe” – wspominał.

Do studiowania przedmiotów ścisłych próbowała go zniechęcić nauczycielka. „Jak skończysz fizykę albo matematykę, zostaniesz nauczycielem, tak jak ja, a to bardzo niewdzięczny zawód” – mówiła. Na szczęście przyszły badacz postąpił wbrew jej radom. Co ciekawe, podobne doświadczenia miał także ze swoim pierwszym wykładowcą fizyki na studiach.

Jak wyglądają fale? – metryki Robinsona-Trautmana

Trautman najpierw wykazał teoretycznie, że fale grawitacyjne są zjawiskiem realnym, które przenosi energię i nie jest jedynie matematycznym artefaktem.

Metryki Robinsona–Trautmana stanowiły matematyczne dopełnienie tego odkrycia. Opisują fale sferyczne rozchodzące się od konkretnego źródła i słabnące wraz z odległością, co lepiej oddaje rzeczywistość fizyczną, na przykład promieniowanie emitowane przez gwiazdy. Sam Trautman uważał te rozwiązania za swoją „najważniejszą, oryginalną pracę”. Opracował je wspólnie z wybitnym brytyjskim fizykiem Ivorem Robinsonem na początku lat 60. Wspólnie opublikowali aż dziesięć prac naukowych.

Polski naukowiec nie tylko współpracował z Robinsonem, ale też bardzo się z nim zaprzyjaźnił. Trautman był świadkiem na jego ślubie z Polką, Joanną Ryteń, który odbył się w Princeton.

Robinson, wykształcony w Cambridge, był wybitnym fizykiem, ale w pewnym momencie przestał śledzić najnowsze metody matematyczne. Gdy Trautman zaczął wyjaśniać mu subtelności i użyteczność pochodnej Liego, Robinson miał wykrzyknąć zirytowany: „Nie wiem, jak mogłem tak długo pracować, nie znając tych ważnych i użytecznych własności!”.

Trautman zdawał sobie sprawę, że jego dziedzina nie należy do łatwych. Dlatego starał się ją popularyzować. W artykule „O tym, jak nietoperze obaliły teorię względności” w niestereotypowy sposób tłumaczył mechanizmy szczególnej teorii względności.

Nobel za fale?

Wydawałoby się, że Nagroda Nobla za udowodnienie istnienia fal grawitacyjnych była oczywistością. W 2017 r. otrzymali ją jednak amerykańscy naukowcy – Rainer Weiss, Barry Barish i Kip Thorne – za ich bezpośrednie wykrycie.

Wielu badaczy uważało, że nagroda powinna przypaść także Trautmanowi, którego pionierskie prace teoretyczne umożliwiły budowę detektorów LIGO. Sam profesor z właściwym sobie dystansem przyznał, że „na szczęście nic z tego nie wyszło”, dodając, że największą satysfakcję daje mu sama praca.

W tym samym roku został uhonorowany Nagrodą Fundacji na rzecz Nauki Polskiej, często nazywaną „polskim Noblem”.

Skręcenie Wszechświata. Teoria Einsteina–Cartana

Zainteresowania Trautmana wykraczały poza fale grawitacyjne. W latach 70. zajął się teorią Einsteina–Cartana, będącą rozszerzeniem ogólnej teorii względności o pojęcie spinu i skręcenia czasoprzestrzeni. Odegrał kluczową rolę w jej nowoczesnym sformułowaniu.

Wykazał, że uwzględnienie skręcenia pozwala uniknąć osobliwości kosmologicznych. W klasycznej teorii Einsteina Wszechświat zaczyna się od punktu o nieskończonej gęstości. W modelu rozszerzonym istnieje minimalny, choć niewyobrażalnie mały promień Wszechświata, co zapobiega jego zapadnięciu się do punktu.

Szkoła relatywistyczna i „szpiedzy” w Jabłonnie

Trautman nie był naukowcem odciętym od świata. Stawiał na współpracę międzynarodową i rozwój instytucji naukowych, choć sam przyznawał, że funkcje administracyjne nie sprawiały mu przyjemności.

W 1962 r. zorganizował w Jabłonnie pod Warszawą międzynarodową konferencję relatywistyczną, na którą przyjechali m.in. Paul Dirac i Richard Feynman. Dyskusje naukowe były nagrywane, ale część taśm zniknęła. Trautman podejrzewał, że zostały przejęte przez Służbę Bezpieczeństwa, zainteresowaną obecnością zagranicznych naukowców. Wspominał to z rozbawieniem, zauważając, że funkcjonariusze „mieli spore trudności ze zrozumieniem czegokolwiek” z powodu specjalistycznego języka fizyki teoretycznej.

Jednym z najważniejszych osiągnięć prof. Trautmana było ugruntowanie pozycji warszawskiej szkoły fizyki relatywistycznej – jednego z czołowych ośrodków badań nad ogólną teorią względności. Jej wychowankowie współtworzyli później międzynarodowe zespoły LIGO i VIRGO.

Prof. Andrzej Trautman zmarł w lutym 2026 r. w wieku 93 lat, pozostawiając po sobie dorobek, który – jak podkreślali jego współpracownicy – „jest wpisany w strukturę równań opisujących Wszechświat”.

Andrzej Trautman (1933-2026) od początku drogi naukowej był związany z Polską Akademią Nauk. W 1955 r. rozpoczął aspiranturę w Instytucie Fizyki PAN w 1955. Tam obronił doktorat w 1959 r. Członkiem korespondentem PAN został w 1969 r., a członkiem rzeczywistym PAN w 1976 r. Funkcję wiceprezesa PAN sprawował w latach 1978–1980. Pracował również jako przewodniczący Komitetu Fizyki PAN oraz członek Prezydium PAN. Brał udział w powołaniu Centrum Fizyki Teoretycznej PAN.

Najważniejsze źródła:

Tomasz Rożek, Prof. Trautman – to on udowodnił istnienie fal grawitacyjnych, Nauka to lubię, 23 I 2020, https://youtu.be/9jMifhdzK9w?si=p89M61HyXaVUXXQ9.

Przewidując fale, Academia – magazyn Polskiej Akademii Nauk, 3/51/2017.

Piotr Kielanowski, Agnieszka Martens, Moje pierwsze 50 lat na Hożej. Rozmowa z Andrzejem Trautmanem, Postępy Fizyki, tom 58, zeszyt 4/2007.

• Nauki ścisłe i nauki o Ziemi
• Polska Akademia Nauk