Elektromanyetik dalgaları dalga olmaktan çıkarmak mümkün mü?

Abi şimdi masanın üstü lehim pastası ve birbirine dolanmış koaksiyel kablolarla dolu, tam da bir RF (radyo frekansı) devresiyle boğuşurken geldi bu soru. Bak şimdi, durumu bizim pratik mühendislik açısından ve biraz da temel fizik tarafından toparlayalım.

Öncelikle şu "elektromanyetik dalgalar ve fotonlar" meselesi. Elektromanyetik dalga (EM) dediğimiz şeyin ta kendisi zaten foton sürüsüdür abi. Senin evdeki Wi-Fi anteninden çıkan sinyal de, vericiden basılan radyo dalgası da, gözümüzün gördüğü ışık da tamamen aynı fiziksel olgu. Sadece frekansları (ve dolayısıyla enerjileri) farklı. Kuantum fiziğindeki o meşhur dalga-parçacık ikiliği kuralı, evrenin neresine gidersen git bütün EM spektrumu için geçerli. Yani evet, teorik olarak bir radyo dalgası fotonu da gözlemci etkisine maruz kalıp parçacık gibi davranır.

Ama işin mühendislik ve gerçek dünya kısmına gelirsek, işler değişiyor. Benim masadaki sinyal jeneratöründen antene bastığım düşük frekanslı (mesela birkaç yüz Megahertz'lik) bir sinyalde o kadar çok, ama o kadar çok düşük enerjili foton var ki, sen bunu tek tek parçacık olarak değil, koskoca bir dalga denizi olarak algılıyorsun. O yüzden biz laboratuvarda osiloskopla falan dalgalara bakarken kuantum çökmesi falan düşünmeyiz, dümdüz dalga denklemleriyle, Maxwell abimizin yasalarıyla çözer geçeriz işi. Foton bazında ölçüm yapmak, radyo frekanslarında enerjiler aşırı düşük olduğu için donanım açısından devasa bir kabus.

Gelelim ikinci kısma; EM dalgayı lazer gibi dümdüz, saçılmadan göndermek. Lazer dediğin şey de zaten yönlendirilmiş, aynı fazda ve tek renkli (koherent) bir elektromanyetik dalgadır, yani ışıktır! Peki biz bunu radyoda, mikrodalgada niye o kadar ince bir ip gibi yapamıyoruz? Olay tamamen fizikteki kırınım (diffraction) sınırı denen baş belası kuralla ilgili.

Bir dalganın ne kadar saçılacağı, dalga boyunun o dalgayı fırlatan antenin (veya merceğin) çapına oranına bağlıdır. Lazerin dalga boyu nanometreler mertebesindedir, o yüzden küçücük bir mercekle bile dalgayı ip gibi dümdüz yollayabilirsin. Ama bizim RF dünyasında dalga boyları milimetreler, santimetreler, hatta metreler boyutunda. Sen 10 santim dalga boyu olan bir sinyali lazer gibi hiç saçılmadan yollamak istersen, kilometrelerce çapında devasa bir çanak anten kurman gerekir. Kısacası, teorik olarak elektromanyetik dalgayı odaklamak mümkün; ama pratik olarak o kadar büyük bir anteni ne atölyeye sığdırabiliriz ne de parasını ödeyebiliriz. Biz de mecburen fazlı dizi (phased array) antenlerle ya da dev çanaklarla elden geldiğince daraltıp yolluyoruz sinyali, yine de mesafe uzadıkça bir huni gibi açılıp saçılıyor maalesef.