Fizikteki en ünlü deneylerden biri çift yarık deneyidir. Kuantum dünyasının tuhaf olduğunu zaten biliyoruz, ancak çift yarık deneyi işleri daha da tuhaflaştırır. Deneyin, ilk versiyonun İngiliz bilim insanı Thomas Young tarafından 1801’de ilk kez gerçekleştirilmesinden bu yana, sonuçları 200 yıldan fazla bir süredir bilim insanlarını hala şaşırtmaktadır.
Christian Huygens, ışığı dalgalar halinde hareket eden bir şey olarak tanımlayan ilk kişiydi. Isaac Newton ise ışığın küçük parçacıklardan oluştuğunu düşünüyordu. Ama kim haklı? Thomas Young, bu teorileri teste tabi tutmak için çift yarık deneyini tasarladı. Young 1801 yılında deneyini ilk kez gerçekleştirdiğinde ışığın dalga gibi davrandığını bulacaktı.
Çift Yarık Deneyi Nedir?
Deneyi kısaca şu şekilde düşünebilirsiniz. Elimizde bir ışık kaynağı ve bu ışık kaynağının karşısında da üzerinde iki paralel yarık bulunan bir duvar olduğunu düşünelim. Basitlik adına bu ışığın yalnızca bir dalga boyuna sahip olduğunu varsayalım. Şimdi ışığımızın karşımızdaki ekranda oluşturduğu desene bakalım. Desende ilginç bir şey fark edeceksiniz.
Koyu ve parlak bantların birleşimi girişim deseni olarak bilinmektedir. Bu girişim deseni yarıkların karşısındaki sensör ekranında oluşur.
Bölücünün uzak tarafında, her bir yarıktan gelen ışık kırılır ve diğer yarıktan gelen ışıkla örtüşerek birbirine müdahale eder. Herhangi bir dalga, ister ses dalgası, ister ışık dalgası, ister su dalgası, ne olursa olsun, benzer bir girişim deseni yaratacaktır. Bir dalga tepesi bir dalga çukuruna çarptığında, birbirlerini yok edecektir. Bir tepe bir tepeye çarptığında ise birbirlerini güçlendirecek ve parlak bir bant olarak görünecektir. Bu girişim modeli Young’ın, Newton’un önerdiği gibi ışığın bir parçacık değil, bir dalga olduğunu belirlemek için ihtiyaç duyduğu kanıttı.
Ama bu hikayenin tamamı değildir. Işık bundan biraz daha karmaşıktır ve gerçekte ne kadar garip olduğunu görmek için bir parçacığın ekranda nasıl bir desen oluşturacağını da anlamamız gerekir. Örneğin yukardaki deneyi kum tanecikleri ile yapsaydınız, kum taneciklerinin karşıdaki ekranda kimi noktalarda kümelense de kabaca düz bir çizgi oluşturduğunu görecektiniz.
Burada her parçacık bir yarıktan geçiyor ve aşağı yukarı aynı yerde bir çizgi halinde son bulur.
Kısacası dalgalar ve parçacıklar farklı desenler oluşturur. Dolayısıyla oluşan desene bakarak ikisini birbirinden ayırmak kolaydır. Ancak aynı deneyi foton adı verilen küçük ışık parçacıklarıyla yapmaya çalıştığımızda, çift yarık deneyi tuhaflaşmaya başlayacaktır.
Kuantum Düzeyinde İşler Nasıl Yürüyor?
Işığın en küçük bileşeni foton adı verilen atom altı parçacıklardır. Kum taneleri yerine fotonlar kullanarak atomik ölçekte çift yarık deneyini gerçekleştirebiliriz. Yarıklardan birini kapatırsanız, yani geriye sadece tek yarık bırakır ve sonrasında sensör ekranına fotonlar ateşlerseniz, fotonlar önceki deneyde kum taneciklerinin ürettiği desene benzer bir desen üretecektir. Bu kanıta dayanarak fotonların parçacık olduğunu öne sürebiliriz.
Yarıktaki engeli kaldırırsanız ve her iki yarıktan fotonların geçmesine izin verirseniz, bu sefer de ışık örneğindeki dalgaların oluşturduğu girişim desenine çok benzer bir şey görmeye başlarsınız. Bu kanıta dayanarak da fotonların dalga gibi davrandığını söyleyebilirsiniz. Bunun sonucunu fotonların birbirine müdahale etmesi olarak yorumlamamız doğaldır.
Gözlemci Etkisi Çift Yarık Deneyini Tuhaflaştırır
Peki ya fotonları birer birer fırlatırsanız ve birbirlerine müdahale etmemeleri için her atış arasında yeterli zaman bırakırsanız, parçacık mı yoksa dalga gibi mi davranacaklar? İşlerin tuhaflaşmaya başladığı yer burasıdır. İlk başta fotonlar ekranda dağınık bir şekilde belirecek ancak siz onları fırlatmaya devam ettikçe girişim deseni ortaya çıkmaya başlayacaktır. Yani her foton, aralarında herhangi bir girişimin mümkün olmaması için birer birer fırlatılsalar bile, ekranda dalgalarda görmeyi beklediğimiz bir desen üretecektir.
Fotonların neden bu garip davranışı sergilediğini anlamak için yarıklı düzlem ile kaynak arasına bir ölçüm aleti koyalım. Yine önceki örnekte yaptığımız gibi fotonları yarıklara teker teker ateşleyelim.
Ancak bu deneyde sensör ekranına baktığımızda farklı bir desen ortaya çıkıyor. Bu model, parçacıkları yarıklardan fırlattığımızda gördüğümüz modelle eşleşiyor. Görünen o ki, fotonların izlenmesi, onların dalgaların ürettiği girişim deseninden parçacıkların ürettiği girişim desenine geçiş yapmalarını tetikliyor.
Sonucunda aynı yarıklar, aynı fotonlar, aynı detektör, şimdi kapatıldı. Aynı parçacık benzeri modeli görecek miyiz? Hayır. Parçacıklar yine sensör ekranında dalga benzeri bir girişim deseni oluşturuyor. Yani atomlar, siz onları izlemediğinizde dalgalar gibi, onları izlerken ise parçacıklar gibi davranıyor gibi görünüyor. Peki ama nasıl ve nedenl? Aslında buna cevap verebilirseniz Nobel Ödülü sizi bekliyor.
Çift yarık deneyinin kuantum düzeyinde ortaya çıkardığı bu ilginç durumu açıklamak için 1930’larda bilim insanları, insan bilincinin kuantum mekaniğini etkileyebileceğini öne sürdüler. Günümüzde hala kimi kişiler bu fikre inansa da, bilim camiasının çoğunluğu artık aynı görüşü paylaşmıyor. Ancak hala maddenin parçacık-dalga ikiliğinin tam olarak nasıl çalıştığını tam olarak anlamıyoruz. Bu yüzden parçacık-dalga ikiliği kuantum mekaniğinin en büyük gizemlerinden biri olarak kabul ediliyor.
Zamana Dayalı Çift Yarık Deneyi
Nature Physics’te Nisan 2023’te yayınlanan yeni bir araştırma, çift yarık deneyini bu sefer zamanda gerçekleştirdi. Yeni deneyde araştırmacılar, zaman içinde benzer bir desen oluşturdular. Esasen ultra kısa bir lazer darbesinin rengini değiştirdiler. Bunu, ışığı özelliklerini femtosaniyeler (saniyenin katrilyonda biri) içinde değiştiren bir maddeye yönlendirerek yapabildiler.
Çoğu cep telefonu ekranında kullanılan indiyum kalay oksit ekibin çalışmak için seçtiği madde oldu. Bilim insanları bu malzemenin ışığa tepki olarak şeffaftan yansıtıcıya dönüştüğünü zaten biliyordu. Ancak araştırmacılar bunun daha önce düşünülenden çok daha hızlı bir sürede gerçekleştiğini buldu.
İndiyum kalay oksit başlangıçta şeffaf iken, lazerden gelen ışık malzeme içindeki elektronların özelliklerini değiştirerek ışığı bir ayna gibi yansıtmasını sağladı. İkinci atış, optik özelliklerdeki bu geçici değişikliği sadece birkaç yüz femtosaniye uzunluğunda bir zaman yarığı olarak görecekti. Çift yarık deneyinde olduğu gibi ışık bu zaman yarıklarından geçerken frekansı değişti. Sonucunda bu da renginin değişmesine neden oldu.
Bu çalışmanın fizik dünyasında elbette bir anlamı var. Araştırmacılar bu fenomeni meta materyaller veya ışığın yolunu belirli ve çoğunlukla karmaşık şekillerde değiştirmek için tasarlanmış yapılar oluşturmak için kullanmayı umuyorlar.
Işık ile ilgili başka ilginç fenomenler hakkında bilgi edinmek isterseniz okumaya devam edin. Carl Sagan’ın Güneş Yelkenlisinden Görünmezlik Pelerinine Işık ile İlgili Beş Keşif!
Kaynaklar ve ileri okumalar
- The Logic-Defying Double Slit Experiment Is Even Weirder Than You Thought. Yayınlanma tarihi: 5 Nisan 2023. Kaynak Site: Bağlantı: The Logic-Defying Double Slit Experiment Is Even Weirder Than You Thought
- 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
