%50 yansıtıcı bir aynada tek bir fotonun yansıyıp yansımayacağını ne belirliyor?

Çok güzel bir soru. Bu soruyu aynı zamanda "Fizikte Sıradışı Konseptler" dersinde biz de ele alıyoruz ve ben her seferinde kafa karışıklığı yaşıyorum. Cevabı bir noktadan sonra alışkanlık olarak biliyorsunuz ama hep düşündürücü bir yanı kalıyor, en azından birçoğumuzda öyle olsa gerek.

Elbette kuantum mekaniğinde çokça da tartışılmış bir soru bu. Mach-Zender interferometresi^[1], Elitzur-Vaidman bomba testi^[2] gibi konseptlerin de temeli. Kuantum mekaniğini yorumlamamızın ne kadar zor olduğunu bence çok güzel gözler önüne seriyor. O yüzden kurduğumuz deney düzeneklerinde nasıl sonuçlar aldığımızla ilerleyelim. Görselleri aşağıdaki referanstan kullanacağım.^[3]

Bir tane tek foton ışık kaynağımız, bir adet yarı geçirgen aynamız ve iki de dedektörümüz olsun.

Burada yarı geçirgen aynaya (half-silvered mirror, HSM) çarpan fotonların yarısı aynadan geçerek karşıdaki Dedektör 1'e ulaşırken, yarısı yansıyarak Dedektör 2'ye ulaşıyor. Buraya kadar her şey zaten beklediğimiz gibi, HSM işini yapıyor.

Tek bir foton gönderdiğimiz zaman, hangi dedektörün bunu tespit edeceğini kestirmek mümkün değil. Fakat bir sürü ateşlediğimizde yarısının birine, yarısının da öbürüne ulaşacağını biliyoruz ve gözlüyoruz. O nedenle ilk etapta düşündüğümüzde, foton rastgele bir yol seçiyor ve %50 olasılıkla gerçekleşiyor gibi görünüyor.

Şimdi bunu sınamak, yani fotonun nereden geçtiğini anlamak için buradaki düzeneği biraz değiştireceğiz. Fakat öyle değiştirelim ki şimdilik sonuç değişmesin. Örneğin aşağıdaki gibi tam yansıtıcı aynalar ekleyelim.

Yaptığımız şey ilk düzenekte dedektörlerin yerine tam yansıtıcı ayna koymak oldu. Sonra bu aynalar tekrar yansıyor, fotonların yolları kesiştikten sonra da dedektöre ulaşıyorlar. Sonuç yine aynı. Foton rastgele ya birinci yoldan ya da ikinci yoldan gidiyor gibi görünüyor. Yollarının kesişmesi işleri değiştirmedi.

Peki bu kesişim noktasına yine yarı geçirgen bir ayna (HSM) koyarsam ne olur? İşler bu noktada tuhaflaşmaya başlıyor.

Bir anda dedektörlerden birine hiç ışık ulaşmazken, diğerine ışığın tamamı ulaşıyor. Ama nasıl olur? Bu noktaya kadar %50-%50 gidiyorlardı. Eğer HSM işini doğru yapıyorsa(!) Yol-1'den gelen %50'nin yarısı yansıyacak, yarısı geçecekti ve Yol-2'de de aynısı olduğu için yine sonuç %50-%50 olacaktı. Ama olmadı.

Şimdi olayı tek bir foton için düşünebiliriz. Çünkü çok sayıda foton göndersek de dedektörlerden birine hiç foton gitmediğini biliyoruz. O halde tek bir foton da olsa, iki yolda da birden var olmalı. Biraz tuhaf bir düşünce değil mi? İnanmıyorsanız yollardan birine engel koyup deneyin. Aşağıdaki düzenek bunu gösteriyor.

Üstteki yollardan birini kestiğinizde bir anda %25-%25 oldu. Burada tek değiştirdiğimiz Yol-1'i kapatmak oldu. Demek ki aslında tek bir foton da olsa iki yol birbiriyle etkileşim içerisinde, girişim yapıyor.

Bir uyanıklık yapıp, yolu tamamen kapatmak yerine buradan geçebileceği bir dedektör koyalım. Maksat foton buradan hakikaten geçiyor mu anlamak. Ölçüm yaptığınızda tahmin edin ne oluyor?

Ne?! E yarı yolda bir dedektör yokken %0'a %100'dü ne değişti de birden ilk başta beklediğimiz gibi %50-%50 oldu?

Bu sonucu şöyle yorumluyoruz:

Eğer fotonun hangi yoldan gittiğini gözlemliyorsak, fotonun bulunacağı yol ihtimali yalnızca bir yola düşüyor (ya yol-1 ya da yol-2'e çöküyor).

Eğer fotonun hangi yoldan gittiğini gözlemlemiyorsak, foton iki yoldan da aynı anda gidiyor.

Kuantum mekaniğinin garip dünyasına hoş geldiniz. Bu tür tuhaflıklar aynı zamanda kuantum mekaniğinde farklı 'yorumlar' doğmasına da neden oldu, oluyor. En yaygın kabul gören Copenhagen yorumu^[4] olsa da, çoklu dünyalar yorumu^[5] ya da Bohmian mekaniği^[6], Penrose yorumu^[7] gibi alternatif açıklamalar da var. Bunun yanında Feynman'ın all-paths yorumunu^[8] da incelemek gerek. Kafa karıştıran sorun şu ki, hepsi bir noktada olayları gayet iyi açıklıyor ve biz daha hangisinin nasıl bir soruna sahip olduğunda ortak bir fikre bile tam olarak sahip olamıyoruz. O yüzden bu son cümlelerin sahibini de bunları detaylıca tartıştığı, geçen günlerde yayınladığı makalesiyle şuraya meraklısı için ekliyorum.^[9]