Çift Yarık Deneyi Nedir? Nasıl Yapılır?

[srocenter Can]

Kuantum Mekaniği, sezgisel olarak öyle olmasını beklediğimiz bir olgunun atom altı ölçekte pek de beklediğimiz gibi olmayabileceğini bize defalarca kez gösterdi.

Fizik tarihinin en ünlü ve muhtemelen en tuhaf deneylerinden birisi olan çift Yarık Deneyi de bunun en bariz örneklerinden birisi.

Peki ama onu bu kadar tuhaf ve ilgi çekici kılan nokta tam olarak nedir? Gelin, çift Yarık Deneyi nedir ve ne anlama gelir sorularını daha ayrıntılı bir şekilde ele alalım ve onu bu kadar gizemli hale getiren sebepleri açığa çıkaralım.İçindekiler

Giriş


çoğumuz bir fizik deneyinden söz ederken bunun sıradan bir insan için kompleks yapılardan ve anlaşılması güç konulardan oluştuğunu düşünürüz.

Gerçekten de modern fizikte çift Yarık Deneyi’ndeki gibi görünüşte basit bir çıkarımı ele alan oldukça sınırlı sayıda deney vardır.

çift Yarık Deneyi’ne göre ışık ve madde, gözlemlenip gözlemlenmediklerine ya da ölçülüp ölçülmediklerine bağlı olarak hem dalga hem de parçacık gibi davranabilir.

Eh, bu çoğumuz için anlaşılabilir bir çıkarım ancak apaçık bir biçimde sezgilerimize aykırı görünüyor.

Nasıl olur da bir parçacık gözlemlenip gözlemlenmediğini anlayarak farklı türden davranışlar sergileyebilir ve hatta gözlemcinin niyetini okuyarak gelecekteki davranışlarını buna göre tayin edebilir?

çift Yarık Deneyi’nin bu akıl dışı görünen sonuçları, ona şüphe ile yaklaşan çok sayıda bilim insanı tarafından farklı koşullar altında defalarca kez tekrar edildi ve sonuçlar her defasında doğrulandı.

Ve hayır, Kuantum Mekaniği’nin en büyük gizemlerinden birisi olan bu konu hakkında hala elle tutulur hiçbir açıklamamız yok.

Yine de çift Yarık Deneyi’nin tam olarak ne olduğunu ve nasıl yapıldığını size açıklayabilirim.

çift Yarık Deneyi hakkında ayrıntılara değinmeden önce Kuantum Mekaniği üzerine bazı temeller inşa etmemiz gerektiğini düşünüyorum.

Kuantum Mekaniği, atom altı parçacıkların doğasını, davranışlarını ve birbirleri ile olan etkileşimlerini inceleyen fizik dalıdır.

1925 yılında Werner Heisenberg, akıl hocası Max Born’a atom altı parçacıkların konum, momentum ve enerji gibi özelliklerinin nasıl ölçülebileceğini gösterensundu ve bunun sonucunda koordinat, momentum ve enerji gibi gözlemlenebilen özelliklerin matematiksel matrisler ile temsil edildiği Matris Mekaniği’nin temelleri atılmış oldu.

1926 yılında Edwin Schrödinger, parçacıkların, dalga biçimlerini tanımlayan bir denklemle tanımlanabileceklerini gösteren, günümüzde Schrödinger Denklemi olarak da bilinen veünlü Dalga Denklemi’ni yayımladı.

Bu tanımların ikisi de benzer derecede doğru gibi görünüyordu. Bunların sonucunda kuantum mekaniğinin tanımlayıcı özelliklerinden biri olan Dalga – Parçacık İkiliği kavramı ortaya çıkmış oldu.

Yani atom altı ölçekte madde hem dalga hem de parçacık olarak tanımlanabilirdi ve bunların nasıl tanımlanacağına gözlemci karar verecekti.

Nasıl mı?

Parçacığın konumunu ölçmek istediğinizde, esasen “bir parçacığın” konumunu ölçmüş olursunuz ve bu süreçte dalga fonksiyonu çöktüğünden parçacık artık bir dalga olmaktan çıkar.

Konumu ölçtüğünüzde artık momentumu kesin olarak bilemezsiniz çünkü Heisenberg’in Belirsizlik İlkesi gereğince konum ve momentum, aynı anda kesin olarak bilinemez.

Parçacığın momentumunu ölçmek istediğinizde, dalga fonksiyonu momentum uzayında daha keskin bir şekilde tanımlanır ve parçacığın dalga gibi davrandığını görürsünüz ancak bu dalganın içinde herhangi bir noktada var olma olasılığının haricinde parçacığın konumu hakkında kesin bir şey bilemezsiniz.

Yani bu parçacığı ya bir parçacık ya da bir dalga olarak ölçersiniz ve gözlemci olarak, bunu yaparken parçacığın hangi biçimi alacağına siz karar verirsiniz.

çift Yarık Deneyi, bu Dalga – Parçacık İkiliği’nin en basit gösterimlerinden birisidir ancak gözlemcinin, parçacıkların temel davranışlarında aktif bir katılımcı haline gelmesi açısından Kuantum Mekaniği’nin en büyük gizemleri arasında konumlanır.
çift Yarık Deneyi Nedir?


İlk olarak 1801 yılında Thomas Young tarafından gerçekleştirilen çift Yarık Deneyi, modern fizikte elektronların, fotonların ve fizikteki diğer temel nesnelerin Dalga – Parçacık İkiliği’ni gösteren bir temel fizik deneyidir.
çift Yarık Deneyi Nasıl Yapılır?


Başlamadan önce iki farklı duvardan oluşan bir sistem tasavvur edin. Siz, bu iki duvarın önündesiniz ve önünüzdeki duvarda iki adet yarık var.

Bu iki yarık sayesinde arkadaki duvarı görebiliyorsunuz. Elinizde de duvarlara bakacak şekilde konumlandırılmış bir adet ağır makineli tüfek bulunsun.

Bu makineli tüfek ile önünüzdeki duvara doğru ateş ettiğinizi düşünün. Mermilerin bazıları önünüzdeki duvara takılacak ama geri kalanı bu yarıklardan geçerek arka duvara ulaşacak.

çok sayıda atış yaptığınızda arkadaki duvarda ne görmeyi beklerdiniz? Evet, bu yarıkların şeklini almış şekilde sıralanan mermiler ile karşılaşmanız akla yatkın görünüyor.

Şimdi, bu senaryoda elinizde bir makineli tüfek yerine spesifik bir ışık kaynağı olduğunu düşünelim. Bu, lazer ışını gibi tek bir dalga boyunda, örneğin 460nm’de tamamen mavi görünür ışık saçan tutarlı bir ışık kaynağı olsun.

Deneyi anlamlı hale getirmek için yarıklar arasındaki mesafe de ışığın dalga boyu ile hemen hemen aynı olsun. Böylece her iki yarık da ışık demetinin içinde yer alacak.

Son olarak, ışık ışınlarının nereye çarptıklarını kaydedebilmek için duvara çarpan ışığı algılayıp kaydedebilecek bir ekran kullanalım.

Bu durumda arkadaki duvarda ne görmeyi beklerdiniz?

Muhtemelen, ışık da tıpkı mermiler gibi bu yarıkların şeklini almalıdır. Bu düşüncemiz, esasında ışığın bir tür parçacık olduğu fikrine dayanıyor.

Ancak, gerçekte göreceğiniz şey Girişim Deseni olarak adlandırılan çizgili bir desen olacaktır.

Yani arkadaki duvarda sadece iki adet parlak çizgi değil, esasen birden fazla sayıda ve kimi daha parlak kimi daha soluk kimi de karanlık alanlar ve çizgiler göreceksiniz.

Burada, ışık dalgaları mavi çizgiler ile temsil edilmiştir. Dalga, yarıklardan geçerken iki farklı dalgaya ayrılır. Daha sonra bu iki dalga birbiri ile girişimde bulunur.

Bunlar; bazı noktalarda, örneğin bir dalganın tepesi ile öteki dalganın çukuru buluştuğunda, birbirini sönümler ve bazı noktalarda, örneğin bir dalganın tepesi ile öteki dalganın tepesi buluştuğunda, birbirini güçlendirirler.

Işık bir dalga olarak davrandığı için elde ettiğimiz sonuç bu yarıkların hemen arkasında konumlanan ve yarıkların şeklini alan iki farklı ışık süzmesi değil, birden fazla ışık süzmesinin bulunduğu bir Girişim Deseni olacaktır.

Bu çizgili desenin parlak kısımları ışık dalgalarının birbirini güçlendirdiği alanlarken, parlak kısımların arasında kalan karanlık kısımlar da ışık dalgalarının birbirini sönümlediği alanlar olacaktır.

Şimdi, kuantum alemine geçelim ve duvarın önünden bu yarıklara doğru tek tek elektron fırlattığımızı düşünelim ancak ilk etapta bu iki yarıktan sadece biri açık olsun. Yani şimdilik Tek Yarık Deneyi ile devam edelim.

Elektronlardan bazıları önününüzdeki duvara takılacak ama geri kalanı bu yarıklardan geçerek arka duvara ulaşacak ve daha sonrasında arka duvarı incelediğinizde elektronların, tıpkı mermiler gibi tek düze bir çizgi oluşturduğunu göreceksiniz.

Şimdi, az önce kapattığımız diğer yarığı da açalım ve denememize iki yarık ile devam edelim.

Elektronlar, ilk etapta yarığın şeklini alan düz bir çizgimsi oluşturmuştu. Bu, onların dalgadan çok parçacık gibi davrandığını gösterir ve şimdi, iki yarıkla yapacağımız denemede de arka duvarda yarıkların şekline uygun biçimde iki adet çizgi görmeyi bekleriz.

Ancak, gerçekte göreceğimiz şey elektronların çarptıkları noktaların bir dalganın Girişim Deseni’ni taklit edecek biçimde konumlandığı olacaktır.

Elektronlar tek tek fırlatılmalarına rağmen yeterli sayıda fırlatmanın ardından arka duvarda elde edeceğimiz görüntü, çizgili bir Girişim Deseni’ni andırmaktadır.

Bunun tam olarak nasıl göründüğünü gerçek bir deneyden alıntılanan şu görüntülerle de tasavvur edebilirsiniz:

Görünüşe göre her bir elektron, tek tek fırlatılmalarına rağmen sanki kolektif bir bilincin parçası gibi bir dalganın Girişim Deseni’ne benzeyen bir desen oluşturmak için sürece bireysel olarak katkıda bulunuyor.

Peki ama bu nasıl mümkün olabilir?

1. sıradaki, 15. sıradaki, 300. sıradaki ya da 5.000. sıradaki elektronlar diğer elektronların nereye düştüğünü ya da düşeceğini bilecek bir bilince bile sahip değilken nasıl olup da bireysel olarak bir tür Girişim Deseni oluşturacak ve oluşturulan bu desene katkıda bulunacak bir konuma çarpabilir?

Üstelik elektronların düz bir açı ile fırlatıldığı göz önüne alındığında, onları birer parçacık olarak kabul edersek, arkadaki duvarda bu tür bir desenin oluşabilmesi pek de mümkün olmamalıdır çünkü nasıl mermiler, önünde yarığın olmadığı alanlarda birikemiyorlarsa, elektronlar da bu alanlarda birikememelidir.

Burada, ışık dalgalarında olduğu gibi bir girişimden söz etmek de mümkün değildir çünkü bu desen, elektronlar tek tek gönderilmesine rağmen ortaya çıkmaktadır.

Sanki her bir elektron, iki adet yarığın olduğunun “farkındadır”.

Peki elektronlar fırlatma esnasında bir şekilde bölünerek, her iki yarıktan aynı anda geçerek, kendi kendine müdahale ederek ve sonra yeniden birleşerek tek ve lokalize bir parçacık olarak ikinci duvarda buluşuyor olabilirler mi?

Bunu öğrenmek için yarıkların yanına bir dedektör yerleştirelim. Böylece, elektronların hangi yarıktan geçtiklerini görebiliriz.

Dedektöre göre elektronların yaklaşık yarısı soldaki, kalan yarısı da sağdaki yarıktan geçiyor ve görünüşe göre her bir elektron ya sadece sağdaki ya da sadece soldaki yarıktan geçiyor.

Şimdiye dek ele aldığımız bölümlerin yeterince tuhaf olduğunu düşünüyor olmasınız ancak çift Yarık Deneyi’nin en tuhaf bölümü şimdi geliyor çünkü yarıkların yanına bir dedektör yerleştirip elektronları gözlemlemeye başladığımız anda arkadaki duvara yansıyan desen tıpkı mermilerin oluşturduğu gibi, parçacık desenine dönüşüyor ve Girişim Deseni kayboluyor.

Eh, ölçüm araçlarımız elektronların davranışlarının değişmesine neden olan bir tür parazit üretiyor olmalı. Bu nedenle ölçümü gecikmeli olarak yapmamız daha doğru olabilir.

O halde dedektörleri kapatalım ve elektronları tek tek fırlatmaya devam edelim ancak bu sırada bir gözlem yapmayalım ve elektronların hangi yarıktan geçtiklerini daha sonra, yarıktan geçtiklerinden sonra gecikmeli olarak ölçelim. Bu Delayed Choice ya daolarak da bilinir.

Süreç artık daha da karmaşık bir hale geldi çünkü elektronlar, o sırada gözlemlenmeseler bile adeta daha sonra gözlemleneceklerini anlıyormuş gibi parçacık deseni oluşturmaya devam ediyorlar.

Eğer ölçüme gerçekten son verirsek, bu sefer tekrar Girişim Deseni ile karşılaşıyoruz.

Yani bir şekilde, gözlemleme eylemi elektronların davranışlarını değiştirerek onları birer mermi gibi parçacık gibi davranmaya itiyor.

Elektronlar, adeta gözetlendiklerinin farkında ve tuhaf kuantum maskaralıkları yaparken yakalanmamaya karar vermiş gibiler.

Peki ama nasıl?

çift Yarık Deneyi ilk kez 1801 yılında gerçekleştirildiğinden bu yana aradan geçen 200 seneyi aşkın süredir bilim insanları bu sorunun yanıtını arıyor ve evet, buna cevap verebilirseniz Nobel Ödülü tartışmasız olarak sizin olacak.

Matematikçi John Von Neumann 1932 yılındaisimli kitabında insan bilincinin kuantum mekaniğini etkileyebileceğini öne sürdü. 1960 yılında da Eugene Wigner, Wigner’in Arkadaşı adı verilen benzer temalı bir düşünce deneyi tasarladı.

Deneyi gerçekleştiren kişinin bilincinin nihai sonucu etkileyebileceği düşüncesi Von Neumann – Wigner Yorumu olarak bilinmektedir ancak bilim insanlarının önemli bir kısmı bu yorumu göz ardı etmektedir ancak az önce de söylemiş olduğum gibi bu süreci kapsamlı bir biçimde ele alabilen tutarlı bir açıklama da bulunmamaktadır.

Bilim camiasında yaygın olarak benimsenen görüş N. David Mermin tarafından “Kapa çeneni ve hesapla!” olarak özetlenen ve sürecin nasıl geliştiğinden ziyade sonuçları ile ilgilenmeyi öne çıkaran Kopenhag Yorumu oldu ancak elbette bunun gerçek bir yorum olmaktan ziyade bir tür tutum olduğu da gözden kaçırılmamalıdır.
Sonuç


İşte bu kadar! Artık çift Yarık Deneyi’nin tam olarak ne olduğu, ne anlama geldiği, nasıl yapıldığı ve neden bu kadar gizem barındırdığını anlamış olmalısınız.

Umarım Kuantum Mekaniği’nin ve çift Yarık Deneyi’nin , bizler hala hayatta iken açığa kavuşur da bu büyük gizemin yanıtını öğrenmiş oluruz.

Tam olarak şu sırada bilimsel içeriklere karşı olan tutkunuz karşı konulamaz bir biçimde yükseldiyse ,vegibi bilim içeriklerimize de göz atabileceğinizi unutmayın.

Peki siz çift Yarık Deneyi hakkında ne düşünüyorsunuz? Konu hakkındaki görüşlerinizi Yorumlar sekmesi üzerinden bizlerle ve diğer okurlarımızla paylaşmayı ihmal etmeyin.