7. Çift Yarık Deneyi

Çift yarık deneyi evde yapabileceğimiz bir deney ama anlamı büyük. Deneyi anlama çabamız macera filmi gibi: Teknoloji ve gözlem araçları geliştikçe yeni ve zekice deneyler kurgulayarak kuantal doğayı anlamaya çalışmışız. Her seferinde doğa bize nanik yapmış ve şaşırtıcı sonuçlarla baş başa kalmışız.

 

Çift yarık deneyi için gerekenler: Işık kaynağı, iki yarıklı plaka ve ekran. Işığın dalga davranışını gösteren çift yarık deneyini ilk kez Young 1803’te yapmış. Yani kuantum fiziğinin keşfinden 100 yıl önce.

Şurada, -50 saniyede- evde yapılmış  bir deney gösteriliyor:

https://www.youtube.com/watch?v=xsKNeI13ndc

Deneyi anlamak için kısa bir not: Dalgalar; titreşim, girişim gibi dalgalara has davranışlar gösterirler. Girişim iki dalganın üst üste gelince yaptığı şeydir; aynı fazda iki dalgaysa daha büyük bir dalga görürüz, aksine fazları zıtsa birbirlerini girişimle söndürürler;

Dalgaların girişimleri

Çift yarık deneyinde de birbirine yakın iki yarıktan geçen ışık dalgalarının üst üste gelen ve gelmeyen kısımları girişim deseni oluşturur:

Çift yarık deneyi

1803 senesi için bu deney ışığın dalga davranışını açıklayan güzel bir deney. Çift yarık deneyi 1961’e kadar hep ışıkla yapılmış, Ancak 1961 yılında Clauss Jöhnsson deneyi elektronlarla yapmış. Elektron kullanınca beklenen şey, parçacık gibi davranması olduğundan girişim deseni değil de yarıkların olduğu yerlerin karşısında dosdoğru gitmesi beklenen parçacıkların yapacağı iki parlak çizgiymiş:

Elektronlarla yapılan çift yarık deneyi: Beklenen/umulan soldaki (parçacıklar iki bölgede kümeleniyor), gerçekler sağdaki girişim yapan desen

Bu iki durumun ekranda görüntüsü şöyle:

Üstteki parçacık davranışı deseni, alttaki dalga davranışının girişim deseni

Sonra “Biz elektronları çok sık attık, giderken yolda birbirlerine çarpıp etkilemiş olabilirler, belki girişim deseni de bu yüzden oluştu” diye düşünüp elektronları kaynaktan tek tek yavaşça göndermişler. Yine şaşırtan bir sonuç:

140000 elektronla yapılan deney sonucu oluşan girişim deseni

Önce dağınık bir şekilde ekrana düşen elektronlar, deney çok sayıda elektronla tekrarlandıkça girişim deseni yapmaya başlamış. (a:10 elektron, b:200, c: 6000, d: 40000, e: 140000 elektron sonucu)  Burada elektron dalgalar gibi girişim deseni yapıyor. Bu yetmezmiş gibi her elektron tek tek gönderildiğinde de deneyi tekrarladıkça desen ortaya çıkıyor yani her bir elektron -zaman geçtikçe belirecek olan- yüzbinlerce elektronun yaptığı bir girişim deseninin parçasını oluşturacak şekilde hareket ediyor.”

Buna da eyvallah demiş bilim adamları. Elektronlar niye böyle davranıyor, nasıl bir yol izliyor anlamak için yarıklara detektör koymuşlar. Elektron hangi yarıktan geçerse çarptığı detektör sinyal verecek, elektronun hangi yarıktan geçtiği anlaşılacak: Bu sefer de tam tersi olmuş; beklenen şey girişim deseni; gerçekler, iki bölgede kümelenme: Elektronlar detektör konulunca dalga davranışını bırakmış, parçacık gibi davranmışlar.

Alttaki yarığa detektör yerleştirilmiş; amaç/beklenen, girişim desenini incelemek ama gerçekte olan; iki çizgi etrafında kümelenmiş elektronlar

(Deneyi ışıkla da yapsan sonuç aynı:  Işık kaynağı, -daha önce belli frekansta ışık gönderilirken- her seferinde tek foton gönderecek şekilde ayarlanmış ve yarıklara yerleştirilen detektörlerle fotonun hangi yarıktan geçtiği tespit edildiğinde ekranda girişim deseni bozuluyor ve parçacık davranışı oluyor.)

Çift yarık deneyi,  varlığın doğasının “hem dalga-hem parçacık” olduğunu göstermektedir. (Deneylerden söz edilirken, elektron ya da foton deniyor ama özünde hepsi de mikrodünyanın üyeleri olan “dalgaparçacık”lar.) Deney sonucunda kuantal cismin hangi davranışını göreceğimizi belirleyen şeyse, hangi davranışı gözleyecek düzeneği kurmuş olduğumuzdur. Böyle bir durum yani gözlemcinin/ölçüm araçlarının sonuca etkisi -hatta sonucu üretmesi- klasik fizikte yok.

Masa, sandalye, gezegen gibi nesneleri ölçerken de kuantal nesneleri ölçerken de bilgi almak için üzerlerine ışık(foton) göndeririz. Büyük maddeler için bu fotonlar devede kulak, onları etkilemiyor ama elektron, foton gibi cisimler kendi ebatlarında bir araçla gözlem/ölçüm yapınca etkileniyorlar haliyle, durumları değişiyor. Bu durum değişmesinin sonucunda da matematiksel dünyadan (dalga fonksiyonluğundan) çıkıp duruma göre dalga ya da parçacık davranışı göstererek fiziksel gerçeklik dünyasına geçiş yapıyorlar.

Gözlem/ölçme ile olan bu etkinin nedeni ne ola ki, demişler. Öyle ya, belki oraya koyduğumuz detektörün fiziksel varlığı etkiliyor sonucu. Detektör orada kalmış ama kapatıp ya da fişini çekip deneyi yapınca yine girişim deseni olmuş.

Dahası, detektör alttaki yarıkta olduğu için üstten geçen sinyal vermeyince biz “Hımm, demek ki üstten geçmiş sinyal vermediğine göre” deyip dolaylı olarak nereden geçtiğini anlarsak da parçacık davranışı görüyoruz.

Üstelik, cihaz fiziksel olarak etkileşmeden de ölçme yapabilen düzenekler var, bunlarda da sonuç parçacık davranışı.

Sadece bunlar bile zihinlerde deprem yaratmış ama bitmedi…

Öyle bir düzenek tasarlıyorlar ki sonucunda dedektörden geçen iki grup (hangi yarıktan geçtiğini bildiğimiz ve bilmediğimiz) dedektörden geçmeyen iki grup (geçtiği yarığı bilmediğimiz ve dolaylı olarak çıkarsama yoluyla bildiğimiz) olmak üzere farklı çıktılarımız oluyor.

Alengirli bir deney düzeneği*

Bu karmaşık deneyin sonucu: Kaynaktan gelen foton, ordan geçti, bu detektöre çarptı, şurdan yansıdı falan hepsi hikaye. Ortada bunu bilen bir gözlemci olduğu anda, bu karmaşık düzeneğin nasıl kurulduğunu bilip akıl yürütme ile fotonun “hangi yarıktan geçtiğini” net olarak bilebiliyorsan/çıkarsayabiliyorsan foton parçacık davranışı gösteriyor. Bilmiyorsan da dalga gibi davranıp girişim yapıyor.

Keşke burda kalsaydı… Detektörü “yarıktan sonra, ekrandan önce” bir yere yerleştiriyor bilim adamları;  dalgaparçacıklar yarıktan geçmiş olduğu için girişim yapıp yapmayacağı belirlenmiş olacak, sonra ölçeceğiz. Böylece olay olup bittikten sonra ölçüp öğrendiğimiz için “bilmemizin” deneye nasıl etki ettiğini anlayacağız: Sonucu: Gözlediğin/ölçtüğün sürece girişim deseni bozulur. (Biz sonradan ölçsek bile parçacık yarıktan geçerkenki haline dönüp gelecekte ölçüleceğini haber veriyor sanki. Elbette böyle bir şey yok ancak tablo da bu denli absürt.)**

Bütün bu hikayenin, kafa karışıklığının sonunda insan bir genelleme yapmak istiyor değil mi? On yıllar süren çabanın sonunda şunu diyebiliyoruz; sistem dışarıyla etkileştiğinde (“bir anlamda dışarıya bilgi sızdığında”) dalga girişimi bozuluyor ve parçacık davranışı gözlüyoruz. 

Sonuç olarak çift yarık deneyine getirilen herkesi tatmin eden bir açıklama henüz yok. O nedenle kuantum fiziğinin çeşitli yorumları var, o da gelecek yazının konusu.

♦♦♦

*Bu deneyin açıklaması şu bağlantıdaki videoda mevcut, 6-7 kez izledim, anlayabildiğimi yazdım 🙂

https://evrimagaci.org/cift-yarik-deneyinde-gozlemci-bilinc-ve-dolaniklik-kavramlari-857

**Sürecin devamı tam bir yılan hikayesi olduğundan metinden çıkardım: Deneyi başka türlü yeniden kurgulamışlar; dalgaparçacık yarıktan geçtikten sonra, ekrana bakmadan önce hangi yarıktan geçtiği bilgisi silinmiş.   Bu durumda da parçacık özelliği gözlenmiş ve bu bilgiyi bizim bilip bilmememiz önemli değil girişim deseninin yok olması için. Silme basit bir olay değilmiş; bilgiyi yok etmiyor, sadece çevreye aktarıyormuş.  (Burada silmeyi düz mantıkla düşününce içinden çıkılmıyor, bilgiyi yok eden bir işlem olmadığını akılda tutmak gerekli sanırım.)

(Not: Ünlü düşünce deneyi Schrödinger’in kedisi ile çift yarık deneyinde aynı olay ve matematik söz konusu; ikisi arasındaki fark, ölçümün uygulandığı  fiziksel sistemin farklı olmasıdır; çift yarık deneyi hakkında yapılan açıklama ve yorumlar kediye uyarlanabilir. “Hem dalga hem parçacık” yerine, “Kedi hem ölü hem diri” demek gibi…)