Bakınca Var Olan Elektron: Çift Yarıklı Girişim Deneyi

Küçükken ben oynamıyorken oyuncaklarımın canlandığını ve benim hakkımda konuştuklarını düşünürdüm. Yetmezmiş gibi ben arkamı dönünce mobilyaların hareket etmeye başladıklarını, ben bakar bakmaz eski yerlerine döndüklerine de inanırdım. Zamanla oyuncak meselesini çözdüm ama eşya konusunda hala emin değilim.

Felsefede üzerinde tartışılan ve bağlı olunan düşünce akımına göre farklı cevaplar verilen, ormanda düşen ağaç hikayesini biliyorsunuzdur. Hatırlayalım: Kimsenin olmadığı bir ormanda bir ağaç düşerse ses çıkar mı? Burada bizim ilgilendiğimiz, ortamda sesi algılayacak herhangi bir varlığın olmayışı. Benim evdeki eşyalar ile olan derdim de ormanda düşen ağaç ikileminde de anahtar mesele gözlemcinin varlığı. Gelin, gözlemcinin gözlenene etkisi konusuna değinen ve Kuantum Gariplikler Dünyasının keşfinde önemli bir köşe taşı olan Çift Yarıklı Girişim Deneyine yakından bakalım.

Deney, 1801 yılında Thomas Young tarafından düzenlenmiştir. Bu tarih kuantum mekaniğinin ve ışığın dalga-parçacık ikiliğinin keşfinin çok öncesine tekabül eder. Young bu deneyi, dalga özelliği gösterdiğine inandığı ışığı gözlemlemek için yapmıştı. İleride de göstereceğimiz gibi deney düzeneğine var olan çift yarıklı düzlem, dalganın bölünerek düzlemin arkasında girişim oluşturmasını gözlemlemek için oluşturulur ve yalnızca bu deney için özel olarak tasarlanmamıştır, dalga özelliği gösteren başka maddeler de bu deney düzeneğiyle teste tabi tutulabilir. 19. yüzyılın başında bu deney elektron, foton gibi özel parçacıklarla yapılınca, bir de gözlemci olaya dahil olunca çıkan sonuç sadece fizik dünyasında değil, felsefe dünyasında da tam bir deprem etkisi yarattı.

Deneyin detaylarına geçmeden önce fizik bilgimizi tazeleyelim. Bu deney için bir kaynağa, karşısında yarıklı bir düzleme ve aynı doğrultuda bir gözlem düzlemine ihtiyacımız var. Öncelikle deneyi kuantum özellikler göstermediğini bildiğimiz bilyelerle yapalım. Kaynağımızdan birer birer ama sürekli olarak bilyeleri yarıklı düzleme gönderdiğimizi düşünelim. Gelen bilyelerden bazıları yarığı geçerek arkadaki gözlem düzlemine ulaşacak, bazıları ise yarıklı düzlemin yüzeyine çarparak düşecek ve gözlem düzlemine ulaşmayacak. Yeterli miktarda bilye fırlattığımızda gözlem düzleminde Şekil 1’deki gibi bir bant oluştuğunu göreceğiz. Eğer tek yarık yerine iki yarık kullansaydık bu sefer bilyelerin geçebileceği iki yarık olacağından gözlem duvarında iki bant oluşacaktı.

Kaynağımızdan bilye gibi tanecikli yapıda bir cisim göndermek yerine dalga gönderseydik ne olacaktı, gelin bir de ona bakalım. Deneyimiz için su dalgalarını kullanalım. Durgun suya bir taş attığımızda oluşan dalgaları bilirsiniz. İşte o dalgalar ileri doğru yayılırken önüne tek yarıklı düzlemi koyduğumuzu düşünelim. Dalganın yarığa denk gelen kısmı yarığın arka tarafına daha küçük bir dalga olacak, yarığa denk gelemeyen bölümler düzleme çarpı geriye yansıyacak. Gözlem düzlemine ulaşan küçük dalga Şekil 2’deki gibi bir desen oluşturacak. Gözlem düzleminde en parlak görünen bölge dalganın yoğunluğunun en fazla olduğu bölgedir. Yine su dalgasıyla bu sefer çift yarıklı bir düzlem kullanırsak iki yarıktan geçen dalgalar düzlemin arkasında iki küçük dalga oluşturacak ancak bu küçük dalgalar birbirleriyle buluştukları yerde girişim oluşturacaklar. Dalgalarda girişim, iki dalgadan birinin tepe noktasıyla diğerinin çukur noktası birleştiğinde sönümlenmesi; iki çukur veya iki tepe birleştiğinde de daha büyük çukur ve tepe oluşturarak yollarına devam etmeleridir. Çift yarıkta dalganın gözlem düzleminde oluşturacağı desen Şekil 3’te görülebilir.

Şimdi beraber kuantum seviyesine inelim. Bunun için aynı deney düzeneğiyle birlikte kaynağımızdan elektron demetleri fırlatalım. Tek yarıklı düzlemi yerleştirdik ve gözlerimizi gözlem düzlemine çevirdik. Bir süre sonra gözlem düzleminde Şekil4’ü gördük; yani yarığın tam karşısında oluşan tek bir bant. Bu sonuç tam da beklediğimiz gibi çünkü elektronların maddenin yapı taşı olan parçacıklar olduğunu zaten biliyorduk. Şu ana kadar her şey yolunda.

İkinci adım çift yarıklı düzleme elektron demetleri göndermek. Düzlemimizi yerleştirdik, kaynağımızı çalıştırdık, gözlerimizi gözlem düzlemine çevirdik. Bir süre sonra gördüklerimiz karşısında dilimiz tutuldu çünkü gördüklerimiz beklentimizden tamamen farklı. Biz çift yarığın karşısında iki bant beklerken Şekil 5’i gördük; girişim deseni! Elektronlar bu sefer sanki bir dalga gibi davrandı. Bunun sebebi elektronları demet halinde göndermemiz olabilir, yolda elektronlar birbirine çarpıp girişim deseni oluşturuyor olabilir. Biz de kaynağımızı her seferinde bir elektron gönderecek şekilde ayarladık ve gözlerimizi yine gözlem duvarına çevirdik. Bir süre sonra gördüğümüz yine Şekil 5’te gördüğümüz desenin aynısı ve artık kafamız iyice karıştı. Tek yarıkta bilyeler gibi bant oluşturan elektronlar çift yarıkta nasıl girişim oluşturabilir? Bunun olabilmesi için teoride, yarığa yaklaşınca bir elektronun ikiye bölünüp iki yarıktan birden geçip arkada kendiyle girişim yapması gerekir ve bu hiç de sağduyuya uygun bir hareket olmaz.

Elektronun neden böyle bir garip davranış sergilediğini anlamak için yarıklı düzlem ile kaynak arasına bir ölçüm aleti koyuyoruz. Şekil 6’daki pozisyonda bulunan ölçüm aleti elektronun yarıklarda yapmış olabileceği garip hareketlerin ne olduğunu bize gösterecek. Düzenek hazır, bu sefer elektronu alt edeceğiz. Elektron göndermeye başlıyoruz ancak bir süre sonra gözlem düzleminde oluşan desen inanılmaz. Gözlem düzleminde Şekil7’yi görüyoruz; yani iki tane bant! Elektronlar  gözlemci varlığında önceden yaptıkları gibi dalga girişimi yapmak yerine parçacık özelliği göstererek iki bant oluşturdular! Bunun anlamı nedir?

Bilim insanları bu acayip fenomeni açıklamak için “Olasılık Dalga Fonksiyonu” fikrini ortaya atmışlardır ve bu fikir matematiksel modellerle temellendirilmiştir.

Bu modele göre kuantum özellik gösteren parçacıklar var olma olasılığı olan tüm durumların süperpozisyonunda bulunurlar. Bir gözlemcinin varlığı olasılık dalgasını çökertir ve bir tek duruma indirger. Bu nedenledir ki gözlemci yokluğunda çift yarıkta geçme-geçmeme, birinci yarık-ikici yarık gibi olasılıkların tamamının süperpozisyonunda bulunan bir dalga gibi davranan elektronlar, gözlemci varlığında bu durumlardan herhangi birine çökmüş bir parçacık özelliği gösterir. Daha önceki yazılarımızda da olasılıklardan birine çökme olaylarından bahsetmiştik (Rastgelelik Mümkün mü?). Bu olayın salt matematiksel bir çıkarım olmadığını, gözlemle desteklendiğini göstermiş olmamız olayın garipliğini ortadan kaldırmıyor. Burada halen çözülememiş sorun elektronun gözlemcinin varlığını nasıl algıladığı ve dalga fonksiyonun çöktüğü. Nasıl oluyor da kuantum paracıklar gözlemciyi görünce durum değiştiriyorlar? Yalnızca bakmak, anlamaya çalışmak bile içinde bulunduğumuz evreni değiştiriyor. Sanırım sandığımız kadar etkisiz eleman değiliz bu evrende. Sonuçta hiçbir şey yapmazsak bile varlığımız evrende birçok dalga fonksiyonu çökertiyor.

Kaynakça:

Dr Quantum – Double Slits Experiment:  https://www.youtube.com/watch?v=DfPeprQ7oGc&t=184s

Türkçe video için: https://www.youtube.com/watch?v=q3H7wR_IR3w&t=16s

Matematiksel

Paylaşmak İsterseniz

Yazıyı Hazırlayan: Rumeysa Aslıhan Ertürk

Vefa Lisesi 143. dönem mezunu, İTÜ Bilgisayar Mühendisliği anadal, Fizik yandal öğrencisi. Küçük yaşlarda bilimin büyülü dünyası başını döndürmüş olacak ki tüm hayallerini onun peşinden koşmak üzerine kurdu ancak saçlarının beyazlamaya başladığı döneme denk gelen zamanlarda, bir taşı bile dünyalara bedel olsa da bu memlekette bilim yapmanın mümkün olmadığını anladı. Mevcut sistemin güçlü bir girdap olduğu hayat ırmağında ters yöne yüzmeye çalışsa da sonunun ne olacağının farkında. Her şeye rağmen bilmek ve bildirmek onu mutlu ediyor. Okuyucusuna keyifli dakikalar dilerken kendilerinin olumlu veya olumsuz görüşlerini de dört gözle bekliyor.

Bunlara da Göz Atın

Kütle Çekimi Gerçek mi?

İlk bakışta “Kütle çekimi gerçek mi?” diye bir başlık görmek sizleri şaşırtmış olabilir fakat bu konu bilim tarihi …

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

ga('send', 'pageview');