Bakınca Var Olan Elektron Ve Çift Yarık Deneyi Matematiksel

Fizikteki en ünlü deneylerden biri çift yarık deneyidir. Eşsiz bir tuhaflıkla bu deney bir parçacığı gözlemleme eyleminin onun davranışı üzerinde dramatik bir etkisi olduğunu öne sürer.

1800’lere kadar ışığın parçacıklardan oluştuğu düşünülüyordu, Newton fiziği de bunu doğruluyordu. Bu durum oldukça sezgiseldi. Sonuçta ışığın bir silahtan çıkan mermiler gibi düz bir çizgide hareket ettiğini görüyorduk. Ancak ışık, madde ve gerçekliğin kendisi hakkında bildiğimiz her şeye meydan okur. Işığın tuhaf davranışı ilk kez 1801 yılında İngiliz hekim Thomas Young tarafından düzenlenen çift yarık deneyi ile gösterildi. Bilim camiasını şaşkına çeviren deneye kısaca göz atalım.

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 ulaşacaktır. Bazıları ise yarıklı düzlemin yüzeyine çarparak düşecek ve gözlem düzlemine ulaşmayacaktır. Yeterli miktarda bilye fırlattığımızda gözlem düzleminde Şekil 1’deki gibi bir bant oluştuğunu göreceğiz. Eğer tek yarık yerine iki yarık kullansaydık bu sefer gözlem duvarında iki bant oluşacaktı.

Çift Yarık Deneyi İçin Bilye Yerine Dalga Kullanırsak Ne Olur?

Kaynağımızdan bilye gibi tanecikli yapıda bir cisim göndermek yerine dalga gönderseydik ne olacaktı? 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.

Kuantum Düzeyinde İşler Nasıl Yürüyor?

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. Sonrasında 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. Bu hiç de sağduyuya uygun bir hareket olmaz.

Ölçüm aleti elektronun yarıklarda yapmış olabileceği garip hareketlerin ne olduğunu bize gösterecek.

Elektronun neden böyle bir garip davranış sergilediğini anlamak için yarıklı düzlem ile kaynak arasına bir ölçüm aleti koyuyoruz. 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?

Olasılık Dalga Fonksiyonu

Bilim insanları bu acayip fenomeni açıklamak için “Olasılık Dalga Fonksiyonu” fikrini ortaya atmışlardır. Bu fikir matematiksel modellerle temellendirilmiştir. Bu modele göre kuantum özellik gösteren parçacıklar var olma olasılığı olan tüm durumların süper pozisyonunda 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 süper pozisyonunda bulunan bir dalga gibi davranan elektronlar, gözlemci varlığında bu durumlardan herhangi birine çökmüş bir parçacık özelliği gösterir. Çift yarık deneyinin bize öğrettiği (ve sayısız başka deneyin de onay verdiği) şey, bir fotonun parçacık olduğu fikrinden vazgeçmek zorunda olduğumuzdur.

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: