Çift Yarık Deneyi'nin Bilimdeki Önemi Nedir?

Kuantum mekaniğinin en popüler deneylerinden birisi olan Çift Yarık Deneyi, ışığı oluşturan fotonların hem dalga hem de parçacık gibi davrandığını ortaya çıkarmasıyla bilinir. Bu nedenle bilim için son derece önemlidir. Dahası bu deneyden sonra sadece ışığın değil, aynı zamanda elektronların da dalga özelliği gösterdiği kanıtlanmıştır. Çift Yarık Deneyi ilk olarak 24 Kasım 1803 tarihinde İngiliz fizikçi Thomas Young tarafından yapılmıştır. Bu nedenden ötürü “Young Deneyi” olarak da adlandırılır. Deneyde Young, ışık kaynağı olarak Güneş ışığını kullanmıştır. Günümüze kadar bu deneyin sayısız varyasyonu üretilmiş, deneyle ilgili pek çok yeni bakış açısı kazanılmıştır.

Çift Yarık Deneyinin Sonuçları

Bu deneyin sonuçlarını anlamak için ilk olarak bildiğimiz boyutlardaki cisimlerin davranışlarını, daha sonra kuantum düzeydeki parçacıkların davranışlarını anlamamız gerekiyor. Bunun için ilk önce bir çift yarık deney düzeneği kurarak işe başlayalım. Öncelikle, bir duvarımız olsun. Bu duvarın önüne ışık geçirmeyen yani opak bir duvar daha yerleştirelim. Duvarın üzerinde iki tane yarık olsun. Duvarın öbür tarafında da yarıklara bilyeler ya da parçacıklar fırlatabilen bir tabanca bulunuyor olsun. İlk olarak makro boyuttaki cisimleri düşünelim: Eğer bu yarıklara atom-altı parçacıklar değil de, küçük bilyeler fırlatıyor olsaydık nasıl bir sonuçla karşılaşırdık? Duvarda iki çizgi şeklinde desen oluşurdu öyle değil mi? Bu deneyi bilyelerle yapacak olursanız göreceğiniz şey budur.

Peki, şimdi o yarıklara bilyeler değil de, su dalgaları gönderseydik ne olurdu? Eğer bu yarıklara su dalgaları gönderecek olursak, tıpkı bir gölde iki topu suya batırıp çıkardığımızda oluşan deseni görürdük. Durgun bir gölde iki topu suya batırıp çıkarırsanız bir girişim deseni elde etmiş olursunuz. Çift yarıktan geçen dalgalar, yarıkların arkasında birbirleriyle etkileşirlerdi. Eğer iki dalganın tepesi üst üste gelirse daha büyük bir dalga oluşurdu. İki dalganın çukuru üst üste gelirse daha derin bir dalga oluşurdu. Eğer dalgaların tepe ve çukur noktaları üst üste gelirse bu sefer orada desen oluşmazdı. Dolayısıyla arka planda bir “girişim deseni” oluşurdu. Yani tepe ve çukurların üst üste denk geldiği yerlerde daha parlak desenler oluşurdu. Bir tepe, bir çukurun üst üste geldiği yerlerde ise daha sönük desenler oluşurdu. Diğer bir deyişle bir koyu bir açık bir koyu bir açık diye giden desenler oluşurdu. İşte fizikte biz buna girişim deseni diyoruz.

Buraya kadar işler oldukça basit ve anlaşılır. Şimdi atom-altı düzeye inelim. Bu yarıklara bilye gibi makro boyutta cisimler yerine elektron gibi kuantum parçacıklar gönderseydik nasıl bir sonuçla karşılaşırdık? Öncelikle, tek yarıktan başlayalım. Eğer tek bir yarığa elektronları gönderseydik nasıl bir desen oluşurdu? Sadece tek bir çizgi öyle değil mi? Gerçekten de bu deneyi elektronlarla yapacak olursanız elektronları tek tek de gönderseniz, bir huzme şeklinde de gönderseniz aynı sonucu elde edersiniz. Peki, şimdi bu elektronları çift yarığa huzme şeklinde gönderseydik ne görürdük? Bu durumda elektronlar dalgalar gibi davranarak duvarda girişim deseni oluştururdu. Elektronlar bir parçacık olmasına rağmen dalga gibi davranıyor. Eğer elektronları huzme şeklinde değil de tek tek gönderseydik de aynı sonucu elde ederdik. Tek tek fırlatsanız bile arka planda yine girişim deseni oluşurdu. İşte bu gözlem bize kuantum mekaniği ile ilgili çok önemli bir gerçeği öğretmektedir: Dalga-parçacık ikiliği. Biz elektronları her ne kadar minik bilyeler gibi hayal etsek de, aslında öyle değiller. Elektronlar hem parçacık hem de dalga gibi davranırlar.

Kuantum Ölçüm Problemi: Çift Yarık Deneyinde Gözlemci Etkisi

Deneyin bir sonraki basamağında bilim insanları yarıklardan geçen elektronların nasıl girişim deseni oluşturduğunu anlamak için yarıklara dedektör yerleştirmeye karar verdiler. Buradaki amaç, girişim deseni oluşturan elektronların her seferinde hangi yarıktan geçtiğini bulmaktır. Yani elektronlar sol yarıktan mı geçiyor yoksa sağ yarıktan mı? Böylelikle elektronların nasıl girişim deseni oluşturduğunu tespit edebiliriz. Fakat bunu yaptığımızda çok ilginç bir sonuçla karşılaşıyoruz. Dedektörle gözlem yaptığımızda bu sefer elektronların duvarda girişim deseni değil de, sadece iki çizgi oluşturduklarını görüyoruz. Bu gerçekten çok tuhaf. Birebir aynı deneyi yapmış olmamıza rağmen gözlem yaptığımızda duvarda sadece iki çizgi oluştu. Gözlem yapılmadığı takdirde ise yine girişim deseni oluşturuyorlar. Yani elektronlar gözlem yapılmadığında dalga gibi davranıyorlar ama ne zaman gözlem yapmaya çalışsak, elektronlar sanki “bilinci varmışcasına” parçacık gibi davranmaya başlıyorlar. Yani deneyde gözlem yapmak deneyin sonucunu değiştiriyor. İşte biz buna kuantum fiziğinde “ölçüm problemi” diyoruz.

Çift Yarık Deneyinin Yorumları

Çift Yarık Deneyinin sonuçları üzerine geliştirilmiş birtakım yorumlar bulunmaktadır. Bunlar; Kopenhag Yorumu, Born Yorumu ve Everett Yorumu’dur.

Kopenhag Yorumu

Kopenhag yorumu, Çift Yarık Deneyinin sonuçlarına yönelik geliştirilmiş yorumlardan birisidir. Yorum ilk olarak Danimarkalı fizikçi Niels Bohr ve öğrencisi Werner Heisenberg tarafından Danimarka’nın başkenti Kopenhag şehrindeki Niels Bohr Enstitüsü’nde geliştirildiği için bu isimle anılmaktadır. Kuantum fiziğinin en önemli denklemlerinden birisi olan Schrödinger Denklemi, bir sistemin bulunduğu durumun zaman içindeki evrimini hesaplar. Yani eğer siz bir kuantum sisteminin şu anki durumunu biliyorsanız, gelecekte ne tür durumlara dönüşebileceğini bu denklem yardımıyla hesaplayabilirsiniz. Bu da size bir olasılık dağılımı vermektedir. Olasılık dalgası ne elektromanyetik ne de mekanik bir dalgadır. Bir parçacığın belirli bir anda herhangi bir konumda bulunma olasılığını verir. Bir elektron tek bir noktada değil de aynı anda birden fazla noktalarda bulunabilir. İşte biz buna “kuantum süperpozisyon” diyoruz. Kopenhag yorumu, Çift Yarık Deneyinin sonuçlarını “dalga fonksiyonunun çökmesi” ile açıklar. Yani gözlemci bir gözlem yapıncaya kadar kuantum olasılıkları olarak var olan dalga fonksiyonu tek bir olasılığa indirgenmiş olur. Çift Yarık Deneyinde elektronların yarıklardan geçmesinin bir olasılık dağılımı vardır. Eğer bir gözlem yapılmazsa elektronlar, aynı anda iki yarıktan da geçer. Ama aynı zamanda ne sol yarıktan ne de sağ yarıktan geçer. Yani elektronlar yarıkla etkileşerek kendi kendisiyle girişim yapar. Bu nedenle duvarda girişim deseni görüyoruz. Ancak gözlemci bir gözlem yaptığında, o girişim deseni iki çizgiye dönüşür. Kopenhag yorumu, Schrödinger denkleminin tanımladığı olasılıklardan sadece birisinin gerçeğe dönüştüğünü söyler. Yani dalga fonksiyonu, gözlem yapıldığında çökmektedir. Dolayısıyla siz bir gözlem yaptığınızda duvarda girişim deseni yerine çift çizgi görürsünüz. Bu yoruma göre deneyde gözlem yapmak elektronların davranışını değiştirmiştir.

Born Yorumu

Alman fizikçi Max Born, Fransız fizikçi Louis de Broglie tarafından keşfedilen Broglie dalgalarının fiziksel bir dalgadan ziyade olasılık dalgaları olduğu düşüncesini ortaya atmıştır. Born yorumuna göre kuantum parçacıkları Broglie dalgalarının bulunduğu her yerde bulunur. Dalgaların güçlü olduğu yerlerde parçacıklar yüksek olasılıkla, zayıf olduğu yerlerde ise daha düşük olasılıkla bulunurlar. Yani parçacığın konumu belirsizdir diyebiliriz aslında. Belirttiğim üzere Born yorumunda olasılıklar bir hayli önemlidir. Bu yoruma göre fiziksel bir sistemin tüm olası durumları bir dalgayla temsil edilebilir. Bu sistem hakkındaki bilgileri veren dalga fonksiyonu da tüm olasılıkları veren dalgaların üst üste binmiş halidir. Dolayısıyla sistem hakkında bilgi edinmek için bir ölçüm veya gözlem yapılmalıdır. Ancak yapılacak herhangi bir ölçüm sistemi kalıcı bir şekilde değiştirir. Ölçüm yaptığımızda bir sonuç elde ederiz ama bu sonuç olası sonuçlardan sadece biridir. Üstelik aynı sistem üzerinde bir ölçüm daha yapamayız çünkü ölçüm yaptığımız sistem değişmiştir. Bu duruma dalga fonksiyonunun indirgenmesi denir.

Everett Yorumu ve Çoklu Evrenler

Amerikalı fizikçi Hugh Everett tarafından geliştirilen “Çoklu Evrenler ya da Paralel Evrenler” modeline göre evrendeki tek gerçeklik o sözünü ettiğimiz dalga fonksiyonudur. Hatta evrenin kendisi de bir dalga fonksiyonundan ibarettir. Evren çok büyük olduğundan, Evren’i tek ve bütün olarak gözlemlemek çok zordur; dolayısıyla Çift Yarık Deneyi’nde de olduğu gibi kuantum sistemler düzeyinde incelemekteyiz. Daha önce de söylediğim gibi bu sistemleri de tanımlayan bir dalga fonksiyonu vardır. Kuantum fiziğinin Everett Yorumu şunu söyler: “Sadece ama sadece bu dalga fonksiyonunun tanımladığı fiziksel gerçekliğe güvenin, başka hiçbir varsayımda bulunmayın.” Şimdi bu ne anlama geliyor bunun üzerinde duralım. O dalga fonksiyonunun tanımladığı bazı olası sonuçlar vardır; elektronların sol yarıktan veya sağ yarıktan geçmesi gibi. Bu evrenlerin her birinin matematiksel bir karşılığı vardır. Bu nedenden ötürü elektronları gözlemediğimiz zaman gözlem araçlarımız ile elektronlar “eşlenmiş” sistemler değillerdir. Yani bu iki sistem birbirinden bağımsız sistemlerdir. Dolayısıyla dalga fonksiyonları da birbirinden bağımsızdır. Ama siz bir ölçüm yaptığınızda, ölçümü yapan alet; sisteminden bağımsız değildir. Yani o da o sistemin bir parçasıdır artık Ancak şuna değinmekte fayda var, bu yorumda sözünü ettiğimiz paralel evrenler kozmolojik paralel evrenler (ya da kozmolojik çoklu evrenler) değildir. Yani büyük patlama anında veya öncesinde oluşmuş ve var olan çoklu evrenlerden bahsetmiyoruz. Burada bahsettiğimiz şey daha çok kuantum ölçekte bir evren algısıdır. Kuantum çoklu evrenler şunu söyler: “Bir kuantum ölçüm yapıldığında, var olabilecek her olasılık aynı anda var olur ve biz o olası evrenlerden sadece birisindeyiz. Bu nedenle bilincimiz o olasılığı gerçeğe dönüşmüş gibi algılar.” Yani Everett Yorumuna göre, Kopenhag Yorumu’nda olduğu gibi bir gözlem yapıldığında dalga fonksiyonunun çökmesi söz konusu değildir. Bir gözlem yapıldığında her olasılık gerçekleşir ve bu her olasılık ayrı bir evrene denk gelmektedir.

Sonuç

Burada bahsettiğimiz yorumlar bu yorumlara yönelik teknik analizin son derece yüzeysel bir özetidir. Kuantum fiziğinde ölçüm problemi çözülebilmiş değildir. Ve henüz kesin bir sonuca ulaşamadık. Ayrıca bu yorumlar, Çift Yarık Deneyinin sonuçlarına yönelik geliştirilmiş yorumların tamamı da değildir. Daha birçok yorum mevcut. Günümüzde kuantum fiziğinde en yaygın kabul gören yorum Kopenhag Yorumu’dur ve bu yoruma göre bir gözlem yapıldığında olasılık dağılımı tek bir olasılığa indirgenmiş olur ve o olasılıklardan sadece bir tanesi gerçeğe dönüşmüş olur. Bu nedenle elektronun davranışının değiştiğini görürüz. Ancak ne yazık ki bu da elektronun davranışının neden değiştiğini tam olarak açıklayamamaktadır ve konuya ilişkin araştırmalar günümüzde de devam etmektedir.