Kuantum Fiziği ve Çift Yarık Deneyi

by HisCulArt

KUANTUM FİZİĞİ

Kuantum mekaniği veya Kuantum fiziği, atom altı parçacıkları inceleyen bir temel fizik dalıdır. “‘Nicem mekaniği”‘ veya “‘dalga mekaniği”‘ adlarıyla da anılır.

Klasik fizikten farklı olarak, kuantum fiziği, fiziksel sistemleri modellemek için kullanılabilecek bir matematiksel çerçeveye sahipken, açık bir fiziksel gerçeklik anlayışına sahip değildir. Bu durumun nasıl oluştuğunu anlamak için, bazı tarihi yaklaşımlara bakılması yararlı olacaktır.[1]

Yüzyıllar önce biz neredeyiz diye sormaya başladık. Bu soruyu sorarak insanoğlu belki yeniden doğdu. Newton ile evreni anlama yolculuğumuz başladı. Sonra bu yolculuğun başından emeklemeye başladık. Ve keşfetme merakımız Einstein ile daha da derinleşti. Emekleyerek de olsa yol almaya başladık. Ardından daha çok öğrenmemiz lazım denilerek merakımız giderek daha çok derinleşti. Derinleştikçe heyecan verici olmaya başladı.

Max Planck, Niels Bohr, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger ve başka birçok bilim insanı el ele verip emeklemekte olan insanoğlunu ayağa kaldırmayı başardılar. Tam olarak anlayamadığımız kuantum mekaniğinin anladığımız %1’i ile önce lazeri sonra insanlık tarihinin belki en önemli buluşlarından birisi olan transistörleri icat edildi.

İnsanoğlunu çok kısa sürede farklı gezegenlerde yaşayabilir miyiz diye sorgulayan, yıldızlar arası yolculuğa cesaret edecek seviyeye getiren olayların hepsi kuantum fiziği sayesindedir. Çevre, dünya, madde ile iletişimimizi göz önüne aldığımızda çok tahmin edilebilir ve açıklanabilir deneyimler olduğunu biliyoruz. Neyin katı, sıvı, somut bir parça olduğunu, neyin dalga oluşturduğunu biliyoruz. Fakat kuantum evreninde, atom altı parçacıkların dünyasında durum pek de böyle değil. Max Planck ışığın dalga olarak değil paketler halinde taşındığını söyleyerek kuantum dünyasının kapısını araladı. Bu çok tartışılan “Parçacık- Dalga İkilemi” adını verdiğimiz olguydu. Elektron bir parçacık değildi ama dalgada değildi. Bunu da kuantum fiziğinin en popüler deneylerinden olan “çift yarık deneyi” ile gözlemliyoruz.

ÇİFT YARIK DENEYİ

Parçacıklar ile yapılan çift yarık deneyi doğayı kavramamızda büyük değişikliklere sebep oldu. Bunu deneyi anlatmadan önce daha rahat anlayacağımız örnekler ile anlatmak doğru olacaktır.

Elimizde bilyelerin olduğunu varsayalım. Karşımızda ise yarık olan bir tabela ve arkada ise bu bilyelerin çarptığı bir platform bulunsun. Tek tek atıldığında kimi bilyeler yarıktan geçip platforma ulaşır, kimisi ise geçmez. Geçen bilyeler platformda tek bir çizgi gibi bir tür desen bırakır. Yarık sayısını ikiye çıkardığımızda ise fırlatılan bilyeler bu sefer platformda iki çizgi deseni oluşturacaktır. Aslında mantıklı olması gereken budur.

Aynı deneyi bu sefer bir su birikintisi ile yapıp dalgaların nasıl davrandığını gözlemlemeye gelince ise, tek yarığın olduğu tabelayı suyun içerisine suya dik şekilde yerleştirip su birikintisinde bir dalga oluşturduğumuz zaman dalga bu tek yarıktan geçerek tekrar tek bir dalga formunda çıkacaktır. Ve karşı platforma dalganın en güçlü olduğu noktada tek yarıktan göndermiş olduğumuz bilyeler gibi tek bir çizgi formunu oluşturacaktır. Fakat ikinci bir yarık açtığımız zaman iki yarıktan geçen tek bir dalga yarıktan çıktığı zaman iki dalga oluşturur. Bu iki dalga çok kısa süre sonra birleşerek karşı platformda tek bir çizgi formu yerine bir tür çoklu çizgi formu oluşturacaktır. Fizik ve dalganın davranışına tezatlık oluşturacak bir husus değil. Fakat kuantum dünyasına adım attığımızda durumlar oldukça farklı olacak…

Bu deney modern fiziğin temel taşlarından olan dalga/parçacık ikiliğini de çok güzel bir şekilde ortaya koyuyor. Deney için bir parçacık (elektron) kaynağı, üstünde çok ufak yarıklar oluşturacağımız bir perde ve parçacıkların çarptıkları zaman aydınlık bir iz bırakacağı bir ekran gerekiyor. Önce perdenin tam ortasına attığımız tek yarık ile başlıyoruz. Elektronlar yarıktan geçip ekranın üstünde tam yarığın karşısında olacak şekilde iz bırakıyorlar. Bu iz kırınım etkilerinden dolayı yarıktan biraz daha geniş. Beklendiği gibi bir sonuç, bir sıkıntı yok. Çift yarıklı bir perdede deneyi tekrarladığımız zaman elektronların parçacık olmalarından ötürü bir değil iki tepeli bir desen görmeyi bekliyoruz. Fakat böyle olmuyor.[2]

Elektronlar parçacık olmalarına rağmen dalga özelliği gösterip ekranda girişim deseni oluşturuyorlar. Böylece bir dalga/parçacık ikiliğine tanıklık etmiş oluyoruz.

Işığın fotonlar dediğimiz bir paketler halinde taşındığını özünde bir parçacık olduğunu söylemiştik. Fotonları bilyeler olarak düşünürsek ve bir foton tabancasından tek yarıktan gönderirsek bu deneyde sonuç gayet tahmin edilebilir oluyor. Karşı platformda bilyeler gibi tek bir desen ortaya çıkıyor. Fotonlar, tıpkı bilyeler gibi parçacık olarak davranıyor. Ama ikinci yarık açıldığı vakit işler burada oldukça değişiyor.

Parçacık olduğunu bildiğimiz, ispat ettiğimiz fotonları iki yarıklı tabelaya gönderdiğimizde bilyelerde olacağı gibi düşündüğümüz olay gerçekleşmedi. Beklentimiz karşı platformda iki ayrı çizgi deseniydi. Ama sonuç tıpkı su dalgasının oluşturduğu gibi çoklu çizgi formu olacaktır. Aslında diğer adlandırmasıyla girişim deseni. Oysa parçacık olduğunu düşündüğümüz fotonlar platformda nasılda su dalgası gibi davranarak dalga oluşturdu?

Aslında bilim insanları bunun muhtemel olacağını düşünmüşler. Sonuçta bu bir ışık. Bunu bu sefer elektronlar ile denemeye karar verip denemeye başlıyorlar. Aslında bilyelere daha benzer bir parçacıkla bu deneyi yapmak istiyorlar ve elektron tabancası yapıyorlar. Elektronları tek yarıktan gönderiyorlar ve sonuç tıpkı bilyeler gibi, tıpkı tek yarıktan gönderilen fotonlar gibi, platformda tek çizgi formu oluşuyor. Sonra ise ikinci yarığı açıyorlar. Beklenilen iki çizgi formu ama tekrar çoklu çizgi deseni oluşuyor.

Sonuç olarak elektronlarında dalga gibi davrandığını ortaya koyuyorlar. Bir gariplik olduğunu sezmelerine rağmen bilim insanları bunu çözmekten vazgeçmiyorlar. Bu sefer yarıkların önüne bir sensör, yani algılayıcı yerleştiriyorlar. Bu algılayıcı, her elektron geçtiğinde sesli uyarı yapan bir cihaz. Bu düzenek hazırlandıktan sonra deneyi, tabela çift yarıklı olacak şekilde tekrar yapıyorlar. Elektronları çift yarığa doğru fırlatmaya başlıyorlar. Karşıdaki platformu kontrol ettiklerinde olması gerektiği gibi iki çizgi formu görüyorlar. Yani parça parça gönderilen elektronlar tıpkı bilyeler gibi platformda iki çizgi oluşturuyor. Bu sefer sensörü kapatıp testi tekrar yaptıklarında ise çoklu çizgi formunu platformda görüyorlar. Bu nasıl oluyordu, çok garip değil mi?

Bir cihaz, bir sensör yerleştirildiğinde sanki izlendiklerini biliyorlar gibi. Baktığımızda normal davranan, bakmadığımızda ise çok farklı işler yapan bir kişi gibi davranış sergiliyorlar. Bunun bir açıklaması yoktu. Albert Einstein bu durumu tek bir cümle ile açıklayacaktır, “KORKUNÇ”…

Kimi bilim adamları bunların hem dalga hem parçacık gibi davrandığını savunuyorlardı. Aslında bu durum tahmin edilebilir, sıradan ve olasılıklar dünyamızı KORKUNÇ hale getiriyordu… Einstein’ın dediği gibi “Ben bir dahi değilim, sadece doyumsuz bir merakım var”. İşte bu merak sayesinde bu korkunç olan gizem çözülecekti. Yıl 2015. Ve çözüldü.

İsviçre’de bulunan École Polytechnique Fédérale de Lausanne’dan araştırmacılar, ışığın hem dalga hem parçacık olduğu bir anın fotoğrafını ilk defa çekmeyi başardılar. Bunu başaran deneysel tekniğin anahtarı, ışığın hareketini yakalamak için elektronları kullanıyor oluşudur. Araştırma, 2 Mart 2015’te Nature dergisinde yayımlandı. Bu fotoğrafı yakalayabilmek için araştırmacılar yaklaşık 100 nanometre (1 nanometre, metrenin milyarda biridir) çapındaki bir nanotel üzerine kesintili lazer atımları gönderdiler. Işığın dalga boyları, bu metal tel üzerinde iki farklı yönde ilerledi. Bu dalgalar birbirleriyle buluştuklarında, öylece duran bir dalga gibi gözüktüler ki bu, pratikte bir parçacıktır.[3]

KAYNAKÇA VE İLERİ OKUMA

[1] Kuantum Teorisinin Yorumu ve Doğanın Rolü, Kubilay Kaptan, 2017, Dergipark.

[2]Kuantum Süperpozisyon ve Çift Yarık Deneyi Nedir?, Kutlu KUTLUER, 2019

[3] Evrim Ağacı, Çağrı Mert Bakırcı