Çift Yarık Deneyi Nedir? Young Deneyi, Bilimsel Olarak Neden Önemlidir?

Çift Yarık Deneyi olarak da bilinen Young Deneyi, fotonlar gibi parçacıkların hem dalga, hem parçacık olarak davrandığını ortaya çıkarması bakımından bilim için büyük öneme sahip olan bir deneydir. Dahası, bu deneyden sonra, sadece ışığın değil, elektronların da dalga özelliklerine sahip oldukları kanıtlanmıştır. Ancak deney, aynı zamanda sıra dışı bazı kuantum özellikleri de ortaya çıkararak, bilim insanları ve bilimseverler arasında oldukça popüler bir konuma gelmiştir.

Orijinal çift yarık deneyini yapan Thomas Young, tek ışık kaynağı olarak, iğne deliğinden geçen Güneş ışığını kullanmıştır. Günümüze kadar bu deneyin sayısız versiyonu üretilmiş, konunun birçok yeni açısı keşfedilmiştir. Aşağıdaki videodan, bu deneyin modern bir uygulamasını izleyebilirsiniz.

Çift Yarık Deneyini ve Sonuçlarını Anlamak...

Young'un deneyini anlamak için, öncelikle aşina olduğumuz boyutlardaki cisimlerin davranışlarını, sonrasındaysa kuantum ölçekteki parçacıkların davranışlarını anlamak gerekmektedir. Bunun için, Young tarafından geliştirilen deney düzeneğini kurarak işe başlayabiliriz.

Çift Yarığa Bilye Göndermek...

Öncelikle, gri bir duvarımız olsun. Onun önüne, opak (ışık geçirmeyen) bir diğer duvar çekelim. Bu opak duvarın üzerinde birbirine yakın, iki ufak yarık olsun. Son olarak, diğer tarafa da bir adet silah yerleştirelim. Bu silah, o yarıklara doğru istediğimiz gibi bilyeler veya parçacıklar fırlatabiliyor olsun.

İlk olarak, aşina olduğumuz büyüklükteki cisimleri düşünelim: Eğer kuantum düzeyinde değil de, aşina olduğumuz boyutlarda bu yarıklara minik bilyeler fırlatsaydık, yarıkların öteki tarafındaki gri duvarda ne tür bir desen görmeyi beklerdiniz? Yani bilyeler nasıl bir iz oluştururdu? İki düz çizgi oluşurdu, öyle değil mi? Bir yarıktan geçenler o yarığın duvardaki izdüşümünde tek çizgi oluştururdu, diğer yarıktan geçenler de o diğer yarığın duvardaki izdüşümünde ikinci bir çizgi oluştuturdu. Gerçekten de bu deneyi bilyelerle yapacak olursanız, göreceğiniz budur.

Çift Yarığa Su Dalgaları Göndermek...

Peki, şimdi o yarıklara bilyeler değil de, su dalgaları göndersek ne olurdu? Yine aşina olduğumuz boyuttayız, henüz ortada "kuantum" bir şey yok. Eğer bu yarıklara su dalgaları gönderecek olsaydınız, tıpkı durgun bir gölde, iki elinizde tuttuğunuz topları suya batırıp çıkardığınızda göreceğiniz şey olurdu.

İki yarıktan geçen dalgalar, yarıkların olduğu duvarın arkasında birbiriyle etkileşirdi. Eğer iki dalganın tepesi denk gelirse, daha büyük bir dalga oluşurdu. İki dalganın çukuru üst üste denk gelirse, daha derin bir dalga oluşurdu. Bir dalganın tepesiyle diğer dalganın çukuru denk gelirse, orada sanki hareket yokmuş gibi gözükürdü. Dolayısıyla gri duvarımızda gördüğümüz, bir "girişim deseni" olurdu. O iki tepenin veya iki çukurun denk geldiği yerlerde daha parlak bir iz kalırdı, bir tepe ve bir çukurun birbirine denk geldiği yerlerde daha sönük bir iz kalırdı. Böylece bir koyu bir açık bir koyu bir açık diye giden bir desen oluşurdu. İşte buna fizikte girişim deseni diyoruz.

Tek Yarığa Tek Tek Elektron Göndermek...

Buraya kadar işler basit ve anlaşılır. Şimdi, kuantum düzeye ineceğiz. Sizce bu yarıklara bilye değil de, elektron gibi bir kuantum parçacık gönderseydik, ne tür bir iz oluşurdu?

Basitten başlayalım. İki yarık olmasın da, tek bir yarık olsun. Bu durumda diğer duvarda ne görmeyi beklersiniz? Tek bir çizgi, öyle değil mi? Tıpkı bizim boyutumuzda fırlattığımız bilyelerde olduğu gibi... Gerçekten de bu deneyi elektronlarla yapacak olursanız, elektronları tek tek de gönderseniz, bir huzme halinde de gönderseniz, tek çizgi elde edersiniz (aslında tek yarık ile de girişim deseni elde etmek mümkündür ama bunun detayına girmeyeceğiz).

Çift Yarığa Elektron Huzmesi Göndermek...

Peki, güzel, şimdi... Bu durumda, iki yarık olursa ve elektronları bir huzme halinde fırlatırsak ne görmeyi beklersiniz? Tek yarıkta tek çizgi, dolayısıyla iki yarıkta iki çizgi, öyle değil mi? Hayır! Bu elektronlar, diğer duvarda sanki dalgalarmışçasına girişim deseni oluştururlar. Elektron olmalarına rağmen, dalga gibi davranıyorlar!

Çift Yarığa Tek Tek Elektron Göndermek...

Şimdi itiraz edebilirsiniz: "Ama huzme olarak gönderdik, tek tek gönderelim o zaman kesin çift çizgi oluşturacaklar." Hayır, bu da doğru değil! Siz o çift yarığa elektronları huzme olarak değil de, tek tek fırlatsanız bile arkada bir girişim deseni oluşmaktadır. Çift çizgi değil!

Yani adeta tek bir elektron, tam yarıktan geçmeden önce ikiye ayrılıyor, kendi kendiyle girişim yapıyor ve bu sayede elektronlar duvarda bir girişim deseni oluşturuyor. Elektron anca kendi kendisiyle girişim yapıyor olmalı, çünkü ortada girişim yapabileceği, yani tepeleri ile tepeleri, çukurları ile çukurlarının çakışabileceği başka bir şey yok! O da kendi kendisiyle girişim yapıyor. Akıl almaz, değil mi? Gerçek dünyayla ilgili sağduyularımıza tamamen aykırı!

İşte daha bu gözlem bile bize kuantum fiziğiyle ilgili çok temel bir gerçeği öğretmektedir: Kuantum parçacıklarda dalga-parçacık ikiliği denen bir olay vardır. Biz bir elektronu her ne kadar ufak bir bilye gibi hayal etsek de, aslında bu benzetim doğru değildir. Hem bilye gibidirler, hem de dalga gibi davranırlar.

Swiss Physical Society

Kuantum Ölçüm Problemi: Çift Yarık Deneyi'nde Gözlemcinin Rolü ve Etkisi Ne?

İşin tuhaf tarafı, buraya kadarki kısım çok da anormal değil. Daha tuhaf olan şey, bir sonraki basamakta: Diyelim ki bu yarıklara bir kamera veya detektör yerleştirdik. Amacımız, tek tek fırlatıyor olmamıza rağmen, girişim desenini oluşturan o elektronların her seferinde tam olarak hangi yarıktan geçtiğini bulmak. Sağ delikten mi, sol delikten mi... Böylece nasıl olup da tek tek gönderdiğimiz elektronların bir girişim deseni oluşturduğunu çözebiliriz, değil mi?

Bunu yaptığımızda, muazzam bir şey oluyor: Elektronun tam olarak hangi yarıktan geçtiğini tespit edebiliyoruz etmesine ama... Bir süre sonra gri duvarda ne desen oluştuğuna baktığımızda... İki çizgi görüyoruz! Az önce aynı deneyi yaptığımızda elde ettiğimiz gibi bir girişim deseni değil.

Bu nasıl olur? Birebir aynı deneyi yaptık; ama elektronların hangi yarıktan geçtiğini tespit etmeye çalıştığımızda, sanki bilyeymişler gibi iki adet çizgi oluşturdular. Bakmadığımızdaysa girişim deseni oluşturuyorlar. Yani elektronların hangi yarıktan geçtiğini bilmediğimiz zamanlarda elektron bir dalga gibi davranıyor ve bir girişim deseni oluşturuyor. Ama ne zaman gözlemeye kalksak, elektronlar bunun "farkındaymışçasına" parçacık gibi davranmaya başlıyorlar ve sadece bir yarıktan geçerek, öteki duvarda iki çizgi oluşturuyorlar. Yani sadece elektronları gözlüyor olmak, yani bir ölçüm yapmak, elektronun davranışını değiştiriyor. İşte buna kuantum fiziğinde Ölçüm Problemi diyoruz.

Sonuçları Yorumlamak: Çift Yarık Deneyinde Neler Oluyor?

Bunun bilimde ne kadar büyük bir şok etkisi olduğunu hayal edebilirsiniz. Elbette bunu mistik yerlere çeken birçok sahtebilimci de vardır: Kozmik bilinç, kuantum düşünce vs. gibi bolca bilim dışı zırvayı pazarlayan sahtebilimci, bu tür deneylerden kendilerine pay çıkarmaya çalışmaktadırlar. Öte yandan, elbette Evren'de "bilinç" kavramını daha sağlam temelli işleyen panpsişizm gibi felsefeler de vardır. Bu felsefeye göre bilinç, Evren'de sonradan ortaya çıkan bir olgu değil; Evren'in yapısında içkin olarak bulunan bir olgudur.

Ancak bu, sinirbilim sahasından gelen verilerle çelişen bir açıklama olurdu. Elektronların gözlendiklerinin "farkında" olmaları, "bilinç sahibi" olmalarını gerektirirdi; fakat elektronların bilinç sahibi olduklarına dair herhangi bir bilimsel veri bulunmamaktadır. Dahası, sinirbilim araştırmaları sayesinde bilinç için sinir hücreleri gerektiğini bilmekteyiz. Konu hakkında yapılan sözde belgeseller, bu çizgiyi bulanıklaştırarak, mistik mesajlar pazarlamaktadırlar.

Ancak bu türden yorumlara girmeye gerek kalmaksızın, bu gözlemleri açıklayabilen birden fazla açıklama geliştirilmiştir (bunların oldukça kapsamlı bir listesini ve her birinin açıklamalarını buradan okuyabilirsiniz). Aslına bakarsanız alanda uzman, ana akım kuantum fizikçilerinin hiçbiri, bu türden "mistik" yorumları pek dikkate almamaktadırlar. Kuantum fizikçileri, aynı gözlemi, bilimin birikimli olarak biriktirdiği bulgularla, daha tutarlı bir biçimde açıklayabilmektedirler. Örneğin, gözlemin etkisinden söz etmiş olsak da, o gözlemi yapanın "bilinçli bir göz" olması, mesela bir insan olması şart değildir. Kameraya kaydedip sonradan baksanız da aynı şey olmaktadır. Dolayısıyla elimizdeki problem, "bilinç" veya "zeka" ile ilgili bir konu değildir. Problem, "ölçüm yapma" ile ilgilidir.

Kopenhag Yorumu

Kuantum fiziğinin merkezinde yer alan Schrödinger Denklemi isimli denklem, bir sistemin bulunduğu durumun zaman içindeki evrimini hesaplayan bir denklemdir. Yani bir kuantum sisteminin şu anki durumunu biliyorsanız, gelecekte ne tür durumlara evrimleşebileceğini Schrödinger Denklemi ile hesaplayabilirsiniz. Bu, size bir olasılık dağılımı vermektedir.

Olasılık dalgası veya de Broglie dalgası, ne elektromanyetik ne de mekanik bir dalgadır. Parçacığın belirli bir anda, bir konumda bulunma olasılığını veren dalgadır. Parçacığa eşlik eden dalga paketleri olarak yayılırlar ve grup hızı ile hareket ederler. Bir elektron, tek bir noktada değil de değişik noktalarda, aynı anda bulunabilir.

Örneğin Çift Yarık Deneyi'nde, elektronun şu veya bu yarıktan geçmesinin bir olasılık dağılımı vardır. Eğer bir ölçüm yapılmazsa, o olasılık dağılımını gösteren dalga fonksiyonu, aynı anda her iki yarıktan da geçiyor. İşte kuantumda süperpozisyon denen şey budur. Elektron, bu dalga fonksiyonunun tanımladığı şekilde, hem sağ yarıktan geçer, hem sol yarıktan geçer, ama aynı zamanda ne sağ yarıktan geçer, ne sol yarıktan geçer. Tüm olasılıkları içinde barındıran bir dalga fonksiyonu olarak bu yarıkla etkileşir ve kendi kendisiyle girişim yapar. Bu yüzden gri ekranda girişim deseni görüyoruz.

Ama ne zaman ki bir gözlem yapılır, işte o zaman o girişim deseni, çift çizgiye dönüşür. Kuantum fiziğinin Kopenhag Yorumu, Schrödinger dengkleminin tanımladığı o olasılıklardan sadece 1 tanesi gerçeğe dönüştüğünü söylemektedir. Yani dalga fonksiyonu, o iki olasılıktan birine gözlem yapıldığı anda çökmektedir. Dolayısıyla da siz gözlem yaparken, duvarda 2 çizgi görmeniz çok normaldir. Ama bu yoruma göre, gerçekten de ölçüm yapmak elektronun davranışını değiştirmektedir.

Born Yorumu

Max Born, Broglie dalgalarının fiziksel bir dalga değil de olasılık dalgaları olarak yorumlanması gerektiği düşüncesini ortaya atmıştı. Born'un yorumuna göre, parçacıklar, Broglie dalgalarının bulunduğu her yerde bulunur. Dalgaların güçlü olduğu yerde yüksek olasılıkla, zayıf bulunduğu yerlerde ise düşük olasılıkla bulunur. Böylece parçacığın konumu da doğal bir belirsizlik taşır. Yani, bir fiziksel sistem için Schrödinger dalga denkleminin birden fazla çözümü olabilir ve her bir çözümün lineer toplamı da yine bir çözümdür. Biz bunu, "üst üste binme" yada "süperpozisyon" ilkesinin matematiksel anlatımı olarak değerlendirmeliyiz.

Belirtildiği gibi, Born yorumu işe olasılıkları katar. Bu yorumlara göre bir fiziksel sistemin tüm olası durumları bir genlikle, daha doğrusu bir dalga ile temsil edilebilir. Sistem hakkında tüm bilgileri veren dalga fonksiyonu ise tüm olası durumları temsil eden dalgaların üst üste binme halidir. Sistemle ilgili bilgi edinmek için tek yapılması gereken şey, bir ölçüm ya da gözlemdir. Ancak yapılacak bir ölçüm sistemi geri dönülmez şekilde değiştirir. Ölçüm sonucu elimize bir değer geçer; ama bu olası değerlerden sadece biridir ve hangi olası sonucu elde edeceğimizi de kesinlikle belirleyemeyiz. Kısaca, yapılan ölçüm, sistemin bilgisini tek bir değere indirgemiştir ve diğer tüm bilgiler silinmiştir. Üstelik aynı sistem üzerinde tekrar bir ölçme şansı yoktur; çünkü artık sistem değişmiştir, yani sistem aynı sistem değildir. Bu duruma dalga fonksiyonunun "çöküşü" yada "indirgenmesi" deriz. Bu durum, bir ''gözlenebilir''e karşılık gelen işlemcinin, dalga fonksiyonuna etki edip, onu başka bir fonksiyona taşımasının felsefi yorumudur.

Everett Yorumu ve Paralel Evrenler

Hugh Everett isimli bir fizikçi tarafından geliştirilen "many-worlds", yani çoklu dünyalar veya paralel evren modeli ise şunu söylüyor: Ölçüm yapmanın, dalga fonksiyonunun çökmesiyle alakası yoktur. Evren'deki tek gerçek şey, zaten o dalga fonksiyonudur. Ve hatta Evren'in kendisi de bir dalga fonksiyonundan ibarettir. Evren'i tek ve bütün bir sistem olarak hesaplamak aşırı zordur; o nedenle Çift Yarık Deneyi'nde olduğu gibi, daha küçük kuantum sistemler düzeyinde incelemekteyiz. Bu alt sistemleri de tanımlayan bir dalga fonksiyonu vardır. Yani o sistemin içinde bulunabileceği ve evrimleşebileceği tüm durumları tanımlayan bir fonksiyon... Ve kuantum fiziğinin Everett yorumu, şunu söyler: "Sadece ve sadece bu fonksiyonun tanımladığı fiziksel gerçekliğe güvenin. Başka hiçbir varsayımda bulunmayın."

Bu da ne demek? O fonksiyonun tanımladığı olası sonuçlar vardır. Mesela elektronun şu veya bu yarıktan geçmesi gibi... Bu evrenler, matematiksel olarak tanımlanabilen bir karşılığa sahiptir. Dolayısıyla bir elektronu gözlemezken, gözlem araçlarımız ile elektron, "eşlenmiş" (İng: "coupled") bir sistem değildir. Bu durumda, bağımsız iki sistemden söz etmekteyiz. Dalga fonksiyonları da bağımsızdır. Elektronun taşıdığı bilgi bir olasılık dağılımı olduğu için, diğer tarafta da bir olasılık dağılımı görmekteyiz.

Ama ölçüm yaptığınızda, artık ölçümü yapan alet veya siz; o elektron, yarık ve duvar sisteminden bağımsız değilsiniz. Siz de o sistemin bir parçasısınız. Ve bu yeni ve daha geniş sistemin de bir dalga fonksiyonu vardır. O fonksiyon, sizin elektronu sağ yarıktan geçtiğini gördüğünüz olasılığı da barındırıyor, sol yarıktan geçtiğini gördüğünüz olasılığı da... 

Bu yoruma göre, ölçüm sırasında değişiyor gibi gözüken davranışın sebebi şudur: Siz bir ölçüm yaptığınızda, sistemin bir parçası olduğunuz için, evrende "dallanma" (İng: "branching") adı verilen bir olay olur. Yani siz aslında hem elektronu soldan geçerken gözlüyorsunuz, hem de sağdan geçerken. Ama bunlar, ayrı iki evren ve birbirleriyle hiçbir şekilde etkileşemiyorlar. Siz elektronu gözleyene kadar o evrenlerden hangisinde olduğunu bilmiyorsunuz. Gözlediğinizde ise, siz ve bilinciniz o evrenlerden sadece bir tanesinde bulunabiliyor ve dolayısıyla birini, mesela sağdan geçtiğini gözlemiş oluyorsunuz. Dolayısıyla gözlenen o elektron, sizin evreninizde sağ taraftaki çizgiye dahil oluyor ve doğal olarak bir girişim deseni oluşturmuyor. Diğer yarıktan geçtiğini gördüğünüz evren de, sizin içinde bulunduğunuz evren kadar gerçektir. Ama o evrenle etkileşmeniz imkansızdır; çünkü ayrı bir matematiksel düzlemde olduğunu hayal edebilirsiniz.

Burada söz ettiğimiz "paralel evrenler", kozmolojik paralel evrenler (ya da kozmolojik çoklu evrenler) değildir. Yani Büyük Patlama anında veya öncesinde yaratılmış olabilecek ve hatta şu anda bile var olmaya devam eden diğer evrenlerden söz etmemektedir. Burada bahsettiğimiz, çok daha kuantum ölçekte bir evren algısıdır. Kuantum çoklu evrenlerin söylediği, özetle şudur: Her kuantum ölçüm yapılığında, 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 bu yoruma göre, aslında Kopenhag Yorumu'nda söylendiği gibi, bir gözlem yapıldığında "dalga fonksiyonunun çökmesi" gibi bir durum yaşanmamaktadır. Her olasılık gerçekleşir ve o olasılıkların her biri, ayrı bir evrene karşılık gelmektedir.

Kuantumun bu Everett Yorumunu kavraması ilk etapta çok zordur; çünkü kuantum fiziği zaten gündelik deneyimlerimiz ve sağduyumuzla uyuşmaz, bir de kuantum fiziğinin alternatif yorumları arasında, gündelik deneyimlerimiz ve sağduyularımızla en az uyuşan yorum budur. Öte yandan, diğer modellerde gerektiği gibi bilince özel bir güç atfetme veya ekstradan denklemler geliştirmek zorunda kalma gibi durumlar yaratmaz. Schrödinger'in denkleminin gerçek ve doğru olduğunu bütün fizikçiler bilmekte ve herkes kabul etmektedir. Everett'in söylediği, bu denklemin ifade ettiği şeyi gerçek kabul etmemiz gerektiğidir. Gerçeğin ne olduğuyla ilgili ek varsayımlarda bulunmamamız gerektiğidir.

Denklemin söylediği, çok açık bir şekilde, Evren'de her kuantum ölçümü sırasında dallanmaların olduğudur. O olasılıkların hepsi eşit derecede gerçektir, hiçbiri diğerinden daha gerçek değildir. Yani ortada herkesin kabul ettiği bir Schrödinger denklemi var da, onun üzerine bir paralel evren yapısı inşa edilmemektedir. Denklemlerin söylediği şey, zaten o evrenlerin birbiriyle aynı matematiksel gerçekliğe veya karşılığa sahip olduğudur. Gözlem yapıldığı anda sistem değişmemektedir. Gözlem anında tüm olasılıklar gerçeklenmektedir ve biz, o evrenlerden birinde var olmaktayız.

Sonuç

Burada saydığımız yorumlar, bu yorumlarla ilgili teknik analizin son derece yüzeysel bir özetinden ibarettir. Kuantum fiziğinde ölçüm problemi, çözülebilmiş bir sorun değildir ve henüz nihai bir açıklamaya ulaşabilmiş değiliz. Ayrıca burada verdiğimiz yorumlar, bugüne kadar konuya yönelik geliştirilmiş yorumların tamamı da değildir; çok sayıda diğer yorumdan da söz edilebilir.

Ölçüm probleminin Evren'in doğasına yönelik çok tuhaf bir şeylere işaret ettiği, en azından fiziğin temellerine yönelik ciddi bazı eksiklerimiz olduğunu gösterdiği açıktır. Elbette, olasılıklar evreni içerisinde "elektronların bilinçli olduğu" fikri de bulunmaktadır; ancak bu, eldeki açıklamalar arasından en fazla ve en büyük varsayıma dayalı olanıdır; dolayısıyla fizik camiasında yaygın bir şekilde kabul görmemektedir.

Günümüzde ana akım kuantum fiziği uygulamalarında en yaygın kabul gören yorum Kopenhag Yorumu'dur ve buna göre, bir gözlem yapıldığında, var olan olasılıklar evreni tek bir olasılığa çöker ve o olasılıklardan sadece bir tanesi gerçek olur. Bu nedenle de elektronun davranışının değiştiğini gözlemiş oluruz. Ne yazık ki bu yorum da, elektronun davranışındaki bu değişimin nedeninin açıklayamamaktadır ve bu konuda araştırmalar devam etmektedir.

Dolanıklık hakkında çok daha fazla şeyi öğrenmemizi sağlayan Ertelenmiş Seçim Kuantum Silgisi Deneyi hakkında bilgi almak için buradaki yazımızı okuyabilirsiniz.