Fiziğin en ünlü deneylerinden biri çift yarık deneyidir. Bu deney, maddeyi oluşturan küçük parçacıkların aynı zamanda dalga özelliği taşıdığını benzersiz bir biçimde gösterir. Ayrıca bir parçacığı gözlemleme eyleminin, onun davranışı üzerinde dramatik bir etki yarattığını ortaya koyar.
Işığın doğasına ilişkin tartışma yüzyıllar öncesine, 17. yüzyılda Isaac Newton ve Christiaan Huygens dönemine kadar uzanıyor. Newton gibi bazı bilim insanları, aynadaki görüntülerin keskinliğini ve köşelerin arkasını göremeyişimizi açıklamak için ışığın parçacıklardan oluşması gerektiğine inanıyordu.
Ancak Huygens ve diğerleri, ışığın kırınım ve kırılma gibi dalga benzeri davranışlar sergilediğini vurguluyordu. 1801’de fizikçi Thomas Young, ünlü çift yarık deneyi ile bu ikileme bir cevap verdi.
Çift Yarık Deneyi Nedir?
Başlangıç olarak, üzerinde iki yarık bulunan bir duvar hayal edin. Bu duvara tenis topları fırlattığınızı düşünün. Bazı toplar duvardan sekip geri döner, ancak bazıları yarıklardan geçer. İlk duvarın arkasında ikinci bir duvar varsa, yarıklardan geçen toplar bu ikinci duvara çarpar.
İkinci duvarda topların çarptığı yerleri işaretlerseniz, ne görmeyi beklersiniz? Evet, doğru tahmin ettiniz: yarıklarla yaklaşık aynı şekle sahip iki şerit hâlinde izler.
Şimdş tek renkli, yani tek dalga boyuna sahip bir ışığı iki yarıklı bir duvara tuttuğunuzu düşünün. Yarıklar arasındaki mesafe, ışığın dalga boyuna yakın olsun. Işık dalgası bu yarıklardan geçtiğinde, her yarıktan ayrı ayrı yeni bir dalga çıkar ve dışa doğru yayılır.
Bu iki dalga birbiriyle karşılaştığında etkileşime girer. Eğer bir dalganın tepe noktası diğerinin çukur noktasına denk gelirse, birbirlerini yok ederler ve o bölgede ışık görülmez. Eğer iki dalganın tepe noktaları aynı anda çakışırsa, ışık daha da güçlenir ve o noktada daha parlak görünecektir.
Koyu ve parlak bantların birleşimi girişim deseni olarak bilinmektedir. Bu girişim deseni yarıkların karşısındaki sensör ekranında oluşur.
Bu etkileşim sonucunda ikinci bir duvara ulaştığınızda, karşınıza “girişim deseni” adı verilen parlak ve karanlık şeritlerden oluşan bir görüntü çıkar. Parlak şeritler, dalgaların birbirini güçlendirdiği yerleri gösterir; karanlık şeritler ise dalgaların birbirini yok ettiği yerlerde oluşur.
Kuantum Düzeyinde İşler Nasıl Yürüyor?
Şimdi kuantum dünyasına geçelim. Duvarımızda iki yarık olduğunu düşünün ve bu kez ona elektronlar gönderelim. Ancak önce bu yarıklardan birini kapatalım. Açık olan yarıktan bazı elektronlar geçecek ve ikinci duvara çarpacaktır. Elektronların çarptığı noktalar, yarıkla yaklaşık aynı şekle sahip bir şerit oluşturur.
Şimdi ikinci yarığı da açalım. Tenis topu örneğine dayanarak, ikinci duvarda iki dikdörtgen şerit oluşmasını beklersiniz. Ama gerçekte gördüğünüz şey bambaşkadır. Elektronların çarptığı noktalar, bir dalganın oluşturduğu girişim desenine benzer bir yapı ortaya çıkarır. Bu kanıta dayanarak da fotonların dalga gibi davrandığını söyleyebilirsiniz.
Aşağıda elektronlarla yapılan gerçek bir çift yarık deneyinin görüntüsünü görüyorsunuz. Her bir kare, daha fazla elektron gönderildikçe ikinci duvarda oluşan deseni gösteriyor. Sonuçta, şeritli bir girişim deseni ortaya çıkıyor.”
Gözlemci Etkisi Çift Yarık Deneyini Tuhaflaştırır
Aklınıza şöyle bir ihtimal gelecektir. Belki de elektronlar bir şekilde birbirlerini etkiliyor ve bu nedenle, tek başlarına olsalar ulaşacakları yerlere varamıyorlar. Ancak elektronları teker teker gönderdiğinizde bile, girişim deseni oluşmaya devam eder.
Yani, elektronlar birbirleriyle etkileşemediklerinde dahi, her biri ikinci duvarda dalga girişimini andıran desene tek bir noktayla katkıda bulunur.
Peki bu şu anlama mı geliyor? Her bir elektron bir şekilde bölünüyor, aynı anda her iki yarıktan geçiyor, kendiyle girişime giriyor ve sonra tekrar birleşerek ikinci duvara tek bir parçacık olarak mı ulaşıyor?
Bu varsayımı test etmek için, elektronun hangi yarıktan geçtiğini belirlemek amacıyla yarıkların yanına bir dedektör yerleştirebilirsiniz. Ve işte asıl gariplik burada başlar: Bunu yaptığınızda, ikinci duvardaki desen aniden değişir ve girişim deseni kaybolur. Onun yerine, yalnızca iki şeritlik, klasik parçacık modeli ortaya çıkar. Sanki elektron, izlendiğini fark edince kuantumun garip oyunlarına yakalanmamak için “normal” davranmaya karar veriyor gibidir.
Peki şimdi, aynı yarıklar, aynı fotonlar, aynı dedektör — ancak bu kez dedektör kapalı. Aynı parçacık modeliyle mi karşılaşacağız? Hayır. Parçacıklar, sensör ekranında yeniden dalga benzeri bir girişim deseni oluşturur.
Yani atomlar, onları izlemediğinizde dalgalar gibi; izlediğinizde ise parçacıklar gibi davranır. Peki ama nasıl ve neden? İşte bu soruya cevap verebilirseniz, Nobel Ödülü sizi bekliyor.
Sonuç olarak
Elektron gibi “parçacık” olarak adlandırdığımız şeyler, aslında hem parçacık hem de dalga özelliklerini bir şekilde bir arada taşıyor. Bu, kuantum mekaniğinin ünlü dalga-parçacık ikiliğidir.
Ayrıca deney, bir kuantum sistemini gözlemlemenin — yani ölçmenin — sistem üzerinde derin bir etkisi olduğunu da gösteriyor. Bu etkinin tam olarak nasıl gerçekleştiği ise, kuantum mekaniğinin en temel sorularından birini yani ölçüm problemini oluşturuyor.
Kaynaklar ve ileri okumalar
- Castelvecchi, Davide. (2023). Light waves squeezed through ‘slits in time’. Nature. 616. 10.1038/d41586-023-00968-4.
- The double-slit experiment: Is light a wave or a particle? Yayınlanma tarihi: 23 Mart 2022. Bağlantı: The double-slit experiment: Is light a wave or a particle?
- Scientists create ‘slits in time’ in mind-bending physics experiment. Yayınlanma tarihi: 11 Nisan 2023. Bağlantı: Scientists create ‘slits in time’ in mind-bending physics experiment
Matematiksel
