Young Deneyi – Kuantum Mekaniğe Giden Yolda

Young Deneyi: Suyun ve tabii su dalgalarının çok sayıda su molekülünden oluştuğunu herkes bilir. Dolayısıyla, ışık dalgaların aynı zamanda çok sayıda parçacıktan, yani fotondan oluşması gerçekten şaşırtıcı mıdır? Öyledir. Ancak, şaşırtıcı olan şey ayrıntılarda gizlidir. Üç yüzyılı aşkın bir süre önce Newton, ışığın parçacık akımlarından oluştuğunu ileri sürdüğü için fikir yeni değildir. Gelgelelim, Newton’un bazı meslektaşları, özellikle Hollandalı fizikçi Christian Huygens bu fikri paylaşmıyor, ışığın bir dalga olduğunu savunuyordu. Tartışma giderek kızıştı, fakat sonunda, İngiliz fizikçi Thomas Young tarafından 1800lerin başında gerçekleştirilen deneyler Newton‘un yanıldığını gösterdi.

Young Deneyi – Tek Yarık Deneyi – Single Slit Experiment

Young’ın deneysel düzeneği -bu deney Young deneyi olarak da bilinir- Şekil A’da şematik olarak gösterilmiştir. Feynman, bu biricik deneyin çıkarımlarından, dikkatli bir şekilde irdelemeyle bütün bir kuantum mekaniğini süzüp çıkarmanın olanaklı olduğunu söylemekten pek hoşlanırdı, bu yüzden üzerinde durmaya değer bir deneydir.

Young Deneyi Konu Anlatımı

Şekil A’da gördüğümüz gibi üzerine iki delik açılmış ince bir levhaya ışık tutulmuştur. Bir fotoğraf levhası, deliklerden geçen ışığı kaydeder; fotoğrafın parlak kısımları gelen ışığın daha fazla olduğu yerleri göstermektedir.

Tek yarıkta girişim olarak ta bu deneyi anlatmaya başlayabiliriz.

Deney, deliklerden biri ya da ikisi birden açık bırakıldığında ve ışık kaynağı açıldığında fotoğraf levhaları üzerinde oluşan görüntülerin karşılaştırılmasından oluşacaktır.

Sol delik kapatılıp sağ delik açıldığında, fotoğraf Şekil B’deki gibi görünecektir. Bu gayet anlamlıdır, çünkü fotoğraf levhansa düşen ışık açık olan tek delikten geçecektir, dolayısıyla fotoğrafın sağ kısmında yoğunlaşacaktır. Benzer şekilde sağ delik kapatılıp sol delik açık bırakıldığında, fotoğraf Şekil C teki gibi görünecektir.

Newton Fiziğine Bakış Açısı Bu Deneyle Değişti

Her iki delik açık olduğunda, Newton’un parçacıklardan oluşan ışık tanımı, fotoğraf levhasının Şekil D’daki gibi görüneceği, Şekil B ile Şekil C’in bir karışımı olacağı tahminine götürmektedir. Newton un ışık parçacıklarını duvara ateşlediğiniz çok minik gülleler olarak düşünürseniz, levhayı aşan parçacıkların iki deliğin karşısına denk düşen bölgelerde yoğunlaşacağını söyleyebilirsiniz. Dalgalardan oluşan ışık tanım ise, iki delik birden açık bırakıldığında neler olacağına dair çok farklı bir tahmine götürmektedir. Şimdi buna bakalım.

Işık dalgaları yerine su dalgaları kullandığımızı düşünelim. Bulacağımız sonuç aynıdır, ancak su üzerine düşünmek daha kolaydır.

Su dalgaları levhaya çarptığında, deliklerin her birinden çıkan dairesel su dalgaları oluşur ve Şekil E’de görüldüğü gibi bunlar, bir göle taş atıldığında oluşan halkalara çok benzer. (Su dolu bir kapta üzerinde iki delik bulunan karton bir levha ile kolayca denenebilir bu.)

Deliklerin her birinden çıkan dalgalar üst üste bindiğinde çok ilginç bir şey gerçekleşir. İki dalganın tepe noktaları üst üste geldiğinde, bu noktadaki dalganın yüksekliği artar, ayrı iki dalganın yüksekliklerinin toplamı olur. İki dalganın çukur noktaları üst üste bindiğinde, o noktadaki yüzey girintisinin derinliği de artar. Son olarak, bir delikten çıkan dalganın tepe noktası, diğer delikten çıkan dalganın çukur noktasıyla üst üste binerse, birbirlerini iptal ederler. (Aslına bakılırsa, ses geçirmez kulaklıkların ardında yatan fikir de budur; gelen ses dalgasının şeklini ölçerek tam “zıt” başka bir ses dalgası oluştururlar ve böylece istenmeyen sesler engellenmiş olur.)

Young Girişim Deneyi

Uçlardaki bu üst üste binmeler -tepe noktaları tepe noktalarıyla, çukur noktaları çukur noktalarıyla ve tepe noktaları çukur noktalarıyla- dışında birçok kısmı yükseklik artışları ve iptaller söz konusudur. Diyelim ki, siz ve bir grup arkadasınız, levhaya paralel küçük teknelerden bir hat oluşturuyorsunuz ve her biriniz deliklerden geçen su dalgasıyla ne kadar sallandığınızı söylüyorsunuz. Ortaya çıkan sonuç, Şekil E’nin en sağında görünen şekil gibi olacaktır.

Çalkalanmanın çok olduğu yerler, deliklerin her birinden çıkan dalga tepe noktalarının (ya da çukur noktalarının) kesiştiği bölgelerdir. Çalkalanmanın az olduğu ya da hiç olmadığı bölgeler ise, bir delikten çıkan dalga tepe noktalarının diğer delikten çıkan çukur noktalarıyla kesiştiği, böylece birbirlerini iptal ettikleri yerlerdir.

Fotoğraf levhası gelen ışıkla ne ölçüde “çalkalanma” olduğunu gösterdiğinden, bir ışık demetinin dalga resmi üzerine aynı akıl yürütmeyle iki delik de açık bırakıldığında fotoğrafın Şekil F’deki gibi görüleceği sonucuna ulaşılır. Şekil F’deki en parlak bölgeler, deliklerin her birinden çıkan ışık dalgalarının tepe noktalarının (ya da çukur noktalarının) kesiştiği yerlerdir. Karanlık bölgeler ise bir delikten çıkan tepelerin, diğerinden çıkan çukur noktalarıyla kesiştiği, böylece birbirlerini iptal ettikleri yerlerdir. Şeritlerin düzeni, girişim örüntüsü olarak bilinir. Bu fotoğraf, Şekil D’da gösterilenden önemli ölçüde farklıdır, bu yüzden ışığın parçacıklı ve dalgalı betimleri arasındaki farkı ayırt etmek için somut bir deney söz konusudur. Young bu deneyin değişik bir biçimini gerçekleştirdi. Bulduğu sonuçlar Şekil F’dekine uyuyor, böylece ışığın dalgalardan oluştuğu görüşünü doğruluyordu. Böylelikle Newton un ışığın parçacıklardan oluştuğu görüşü yenilgiye uğradı (gerçi fizikçilerin bunu kabul etmesi bir hayli zaman almıştır). Galip gelen ışığın dalga kuramı daha sonra Maxwell tarafından matematiksel temellere oturtuldu.

Ancak, Newton’un saygın kütleçekimi kuramını yerle bir eden Einstein, fotonları devreye sokarak Newton’un parçacıklı ışık modelini şimdi yeniden diriltmiş görünmektedir. Hiç şüphesiz, hala aynı soruyla karşı karşıyayız: Parçacıklara dayalı bir bakış açısı, Şekil F’deki girişim örüntüsünü nasıl açıklayabilir? İlk bakışta şöyle bir tahminde bulunabilirsiniz: Su, H₂0 moleküllerinden, yani su parçacıklarından oluşur. Bununla birlikte, bu moleküllerden çok çok fazlası birbiri ardı sıra aktığında, su dalgaları oluşturabilirler; bu dalgalara da Şekil E’de gördüğümüz girişim özellikleri eşlik eder. Böylece, çok fazla sayıda fotonun, yani ışık parçacığının söz konusu olması koşuluyla, girişim desenleri gibi dalga özelliklerinin parçacıklı ışık betiminden doğacağını tahmin etmek akla yatkın gelebilir.

Oysa aslında, mikro dünya kolayca fark edilemeyen ve anlaşılması zor özelliklere sahiptir.

Şekil F’ de görülen ışık kaynağının yoğunluğu iyice ve hatta sonunda fotonların levhaya tek tek gönderildiği -diyelim ki her 10 saniyede bir fotonun gönderildiği- bir noktaya kadar azaltılsa bile, sonuçta ortaya çıkan fotoğraf levhası hâlâ Şekil F’deki gibi görünecektir: Bu ışık demetlerinin, deliklerden ayrı ayrı geçmesini, her birinin fotoğraf levhasında vurduğu yerin tek bir noktayla kaydedilmesini, böyle çok sayıda ışık demetinin aynı işlemi tekrarlamasını yeterince süre beklediğimizde, levhanın üzerindeki bu noktalar, Şekil F’ de görülen bir girişim örüntüsünün görüntüsünü oluşturacaktır. Şaşırtıcıdır bu. Aradaki levhadan sırayla tek tek geçip fotoğraf levhasına vuran foton parçacıkları, nasıl olur da bir araya gelip girişen dalgaların karanlık ve parlak şeritlerini oluşturur?

Geleneksel akıl yürütme bize her bir fotonun ya sol delikten ya sağ delikten geçeceğini, bu nedenle Şekil D da görülen şekli karşımızda bulmayı beklememiz gerektiğini söyler. Ama karşımıza bu çıkmaz.

Young Deneyi – Çift Yarık Deneyi – Double Slit Experiment

Doğanın bu olgusu kafanızı allak bullak etmediyse, ya daha önce görmüş ve artık kanıksamışsınızdır bunu ya da buraya kadar yaptığımız betimleme yeterince canlı değildir. İkincisinin söz konusu olma olasılığını göz önünde bulundurarak, betimlemeye tekrar girişelim; ama bu kez biraz farklı bir biçimde. Sol deliği kapatıyoruz ve fotonları tek tek levhaya gönderiyoruz.

Fotonların bir kısmı levhadan geçiyor, bir kısmi ise geçemiyor Levhadan geçenler fotoğraf levhasının üzerinde, Şekil B’de nokta ta görünen görüntüyü oluşturuyor. Sonra deneyi yeni bir fotoğraf levhasıyla tekrarlıyoruz, ama bu kez deliklerin ikisini de açık bırakıyoruz. Bu durumda doğal olarak, bunun sadece levhadaki deliklerden geçip fotoğraf levhasına vuran toton sayısının artmasını sağlayacağını, böylece levhanın ilk deneyde olduğundan daha fazla toplam ışığa maruz kalacağını düşünürüz. Fakat ortaya çıkan görüntüyü incelediğimizde, beklediğimiz gibi fotoğraf levhasının üzerinde ilk deneyde karanlık kalıp da şimdi parlak olan yerlerden başka, tıpkı Şekil F’de olduğu gibi ilk deneyde parlak olup şimdi karanlık olan yerler de olduğunu görürüz.

Fotoğraf levhasına vuran tek tek fotonların sayısını artırarak belli bölgelerdeki parlaklığı azaltmış oluyoruz. Geçici olarak birbirlerinden ayrılan fotonlar, bir şekilde birbirlerini iptal etme yeteneğindedirler. Bunun ne kadar çılgınca bir şey olduğunu düşünün bir: Sağ delikten geçip Şekil F’deki karanlık şeritlerden birine vurabilecek fotonlar, sol delik açıldığında bunu yapamamaktadır (şeritin şimdi karanlık olmasının sebebi budur). Peki nasıl oluyor da bir delikten geçebilen küçücük bir ışık demeti diğer deliğin açık olup olmamasından etkilenebiliyor?

Feynman in işaret ettiği gibi, garip bir şekilde, sanki levhaya makineli tüfekle ateş açıyoruz; levhadaki iki delik de açık olduğunda bağımsız, ayrı ayrı ateşlenmiş mermiler bir şekilde birbirlerini iptal ediyor ve hedefte hiç dokunulmamış, levhada sadece tek delik açık olduğunda vurulan bölgelerden oluşan bir desen bırakıyorlar.

Bu tür deneyler Einstein’ın ışık parçacıklarının Newton’unkilerden hayli farklı olduğunu göstermektedir. Fotonlar parçacık olsalar da bir şekilde ışığın dalgaya benzer özelliklerini taşımaktadır aynı zamanda. Bu parçacıkların enerjisinin dalgaya benzer bir özellik -frekans- tarafından belirlenmesi, tuhaf birleşmenin ortaya çıktığına dair ilk işarettir. Fakat fotoelektrik etkisi ile Young deneyi, dersi anlamamızı kolaylaştırıyor.

Foto elektrik etkisi ışığın parçacık özelliklerine sahip olduğunu gösteriyor; Young deneyi, ışığın dalgaların girişim özelliklerini ortaya koyduğunu gösteriyor. İkisi birlikte ise ışığın hem dalgaya hem parçacığa benzer özellikler taşıdığını gösteriyor. Mikro Dünya bir şeyin ya dalga ya parçacık olduğunu söyleyen sezgimizi bir kenara bırakmamızı, o şeyin hem dalga hem parçacık olma olasılığını kucaklamamızı söylüyor. Feynman’ın, “Kuantum mekaniğini kimse anlamıyor,” iddiası da işte burada öne çıkıyor. “Dalga-parçacık ikiliği” gibi ifadeleri dile getirmek mümkündür.

Bu sözleri, gerçek deneyleri inanılmaz bir geçerlilikle betimleyen matematiksel formelliğe aktarabiliriz. Fakat mikro dünyanın bu şaşırtıcı özelliğini derin, sezgisel bir düzeyde anlamak son derece zordur.

Evrenin Zarafeti adlı eserden derlenmiştir.

Yazar: Brian Greene