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

Çift yarık deneyi nedir?

Yang deneyi bilimsel olarak neden önemlidir?

Işığın çift yarık deneyindeki garip davranışların sebebi nedir?

Çift yarık deney olarak da bilinen Young deneyi, fotonlar gibi parçacıkların hem dalga hem parçacık olarak davrandığını ortaya çıkartması bakımından bilim için büyük önüme 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 inli deliğinden geçen güneş ışığını kullanmıştır.

Günümüze kadar bu deneyin sayısız versiyonu üretilmiş, konunun birçok inatçısı keşfedilmiştir.

Çift yarık deneyini ve sonuçlarını anlamak.

Yangın deneyini anlamak için öncelikle aşina aldığımız boyutlardaki cisimlerin davranışlarını, sonrasında ise kuantum ölçükteki parçacıkların davranışlarını anlamak gerekir.

Bunun için Yang tarafından geliştirilen deney düzenini kurarak işe başlayabiliriz.

Çift yarağa bilye göndermek.

Öncelikle gri bir duvarımız olsun.

Onun önüne opak bir diğer duvar çekelim.

Bu opak duvarın üzerinde birbirine yakın iki ufak yarık olsun.

Son olarak diğer tarafa da bir adı 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 gamı beklerdiniz?

Yani bilyeler nasıl bir iz oluştururdu?

İki düz çizgi oluşurdu öyle değil mi?

Bir yarıktan geçenler o yarığın duvardaki iz düşümünde tek bir çizgi oluştururdu.

Diğer yarıktan geçenler de o diğer yarığın duvardaki iz düşümünde ikinci bir çizgi oluştururdu.

Gerçekten de bu deneyi bilyelerle yapacak olursanız göreceğiniz budur.

Çift yarağa su dalgaları göndermek.

Peki şimdi o yarıklara bilyeler değil de su dalgaları gönderirsek ne olur?

Yine aşina olduğumuz boyuttayız henüz ortada kuantum bir şey yok.

Eğer bu yarıklara su dalgaları gönderecek olsaydınız tıpkı durgun bir gölde iki elinize tuttuğunuz topları suya batırıp çıkardığınızda göreceğiniz şeyle aynı 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 ve 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 desene oluşurdu.

İşte buna fizikte girişim deseni diyoruz.

Tek yara tek tek elektron göndermek.

Buraya kadar işler basit ve anlaşılı.

Şimdi kuantum düzeye ineceğiz.

Sizce bu yarıklara bilye değil de elektron gibi bir kuantum parçası gönderseydik ne tür bir iz oluşurdu?

Basitten başlayalım. İki yarık olmasın da tek bir yarık olsun.

Bu durumda diğer duvarda ne gömüye 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 hüzme halinde de gönderseniz tek çizgi elde edersiniz.

Aslında tek yarık ile de girişim resmi elde etmek mümkündür ama bunun detayına girmeyeceğiz.

Çift yarığa elektron hüzmesi göndermek.

Peki güzel şimdi bu durumda iki yarık olursa ve elektronları bir hüzme halinde fırlatırsak ne gömye beklersiniz?

Tek yarıkta tek çizgi dolayısıyla iki yarıkta iki çizgi.

Öyle değil mi? Hayır.

Bu elektronlar diğer duvarda sanki dalgalarmışçasına girişim resmi oluştururlar.

Elektron olmalarına rağmen dalga gibi davranıyorlar.

Çift yarığa tek tek elektron göndermek.

Şimdi itiraz edebilirsiniz.

Ama hüzme olarak gönderdik.

Tek tek gönderelim o zaman. Kesin çift çizgi oluştururlar.

Hayır bu da doğru değil. Siz o çift yara elektronları hüzme olarak değil de tek tek fırlatsanız bile arkada bir girişim deseni oluşur.

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 ancak kendi kendisiyle girişim yapıyor olmalı.

Çünkü ortada girişim yapabileceği yani tepeleriyle tepeleri, çukurlarıyla çukurların çakışabileceği başka bir şey yok.

O da kendi kendisiyle girişim yapıyor.

Akıl almaz değil mi? Gerçek dünya ile ilgili say dolu yanımıza tamamen aykırı.

İşte daha bu gözlem bile bize kuantum fiziği ile ilgili çok temel bir gerçeği öğretir.

Kuantum parçacıklarda dalga parçacık ikiliği denen bir olay vardır.

Biz bir elektronu her ne kadar ufak bir bille gibi hayal etsek de aslında bu benzetim doğru değildir.

Hem bilye gibidirler hem de dalga gibi davranırlar.

Kuantum ölçüm problemi.

Çift yarık deneyinde gözlemcinin rolü ve etkisi ne?

İşin tuhaf tarafı buraya kadarki kısım çok da normal değil.

Daha tuhaf olan şey bir sonraki basamakta.

Diyelim ki bu yarıklara bir kamera veya dedektör yerleştirdik.

Amacımız tek tek fırlatıyor olmamıza rağmen gireşim 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 etmesini ama bir süre sonra gri duvarda ne desen oluştuğuna baktığımızda iki çizgi görüyoruz.

Az önce aynı deneyi yaptığımızda elde ettiğimiz gibi bir girişim deseni değil.

Bu nasıl oluyor? Birebir aynı deneyi yaptık ama elektronların hangi yarıktan geçtiğini tespit etmeye çalıştığımızda...

Sanki bilyeymişler gibi iki adet çizgi oluşturdular.

Bakmadığımızda ise girişim deseni oluşturuyorlar.

Yani elektronların hangi yarıktan geliştiğini 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 duvardaki 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 halledebilirsiniz.

Elbette bunun mistik yerlere çeken birçok sahte bilimci de vardır.

Kozmik bilinç, kuantum düşünce vs.

gibi bolca bilim dışı zırvayı pazarlayan sahte bilimci bu tür deneylerden kendilerine pay çıkarmaya çalışırlar.

Öte yandan elbette evrende bilinç kavramını daha sağlam temelli işleyen Pampisicizm gibi felsefeler de vardır.

Bu felsefeye göre bilinç evrende sonradan ortaya çıkan bir olgu değil, evrenin yapısında içkin olarak bulunan bir olgudur.

Ancak bu sinir bilim 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 sinir bilim araştırmaları sayesinde bilinç için sinir hücreleri gerektiğini biliriz.

Konu hakkında yapılan sözde belgeseller bu çizgiyi bulanıklaştırarak mistik mesajlar pazarlar.

Ancak bu türden yorumlara girmeye gerek kalmaksızın bu gözlemleri açıklayabilen birden fazla açıklama geliştirilmiştir.

Aslına bakarsanız alanında uzman, ana akım kuantum fizikçilerin hiçbiri bu türden mistik yorumları pek dikkate almazlar.

Kuantum fizikçileri aynı gözlemi bilimin birikimli olarak biriktirdiği bulgularla daha tutarlı 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 olur.

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 durumlar evrimleşebileceğini Schrödinger denklemi ile hesaplayabilirsiniz.

Bu size bir olasılık dağılımı verir.

Olasılık dalgası veya de Broglie dalgası ne elektron maniyetinde de mekanik bir dalgadır.

Parçacığın belirli bir alanda bir konumda bulunma olasılığını veren dalgadır.

Parçacığa eşlik eden dalga paketleri olarak yayılırlar ve grup hızıyla hareket ederler.

Bir elektron tek noktada değil de değişik noktalarda aynı anda bulunabilir.

Örneğin çift yarık deneyinde 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 kuantumun da süperpozisyonu denen şey budur.

Elektron bu dalga fonksiyonunun tanımladığı şekilde hem sağ yarıktan geçer hem de 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 ekranlık girişim desenini görüyoruz.

Ama ne zaman ki bir gözlem yapılır işte o zaman o girişim deseni çift çizgiye dönüşür.

Kuantum fiziğinin Kopenhag yorumu Schrödinger denkleminin tanımladığı o olasılıklardan sadece bir tanesinin gerçeğe dönüştüğünü söylemektedir.

Yani dalga fonksiyonu o iki olasılıktan birine gözlem yapıldığı anda çöker.

Dolayısıyla siz gözlem yaparken duvarda iki çizgi görmeniz çok normaldir.

Ama bu yoruma göre gerçekten de ölçüm yapmak elektronun davranışını değiştirir.

Brogli 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 konumuna 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 ya da süperpozisyon ilkesini matematiksel anlatım olarak değerlendirmeliyiz.

Belirtildiği gibi Born yorum ve işe olasılıkları katar.

Bu yorumlara göre bir fiziksel sistemin tüm olası durumları bir genlik ile daha doğrusu bir dalga ile temsil edilebilir.

Sistem hakkında tüm bilgileri veren dalga fonksiyonu ise tüm olası durumları temsil eden dalgaların üstte bir mahallidir.

Sistemle ilgili bilgi edinme için tek yapılması gereken şey bir ölçüm ya da gözlemdir.

Ancak yapılacak bir ölçüm sistemi geri dönülemez şekilde değiştirir.

Ölçüm sonucu elimize bir değer geçer ama bu olası değerlerden sadece biridir.

Ve hangi olası sonucu elde edeceğimizi kesinlikle belirleyemeyiz.

Kısaca yapılan ölçüm sistemin bilgisini tek bir değere indirgemiştir ve diğer tüm bilgiler silinmiştir.

Üstelik aynı sistem üzerine tekrar bir ölçme şansı yoktur çünkü artık sistem değişmiştir.

Yani sistem aynı sistem değildir.

Bu duruma dalga fonksiyonunun çöküşü ya da indirgenmesi deriz.

Bu durum bir gözlenebilire karşılık gelen işlemcinin dalga fonksiyonunu 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 çıkmasıyla alakası yoktur.

Evrendeki tek gerçek şey zaten o dalga fonksiyonudur.

Ve hatta evrenin kendisi de bir dalga fonksiyonunun ebarettir.

Evreni tek ve bütün bir sistem olarak hesaplamak aşırı zordur.

O nedenle çift yarık deneyinde olduğu gibi daha küçük kuantum sistemler düzenini incelemekteyiz.

Bu alt sistemleri de tanımlayan bir dalga fonksiyonu vardır.

Yani o sistemin içinde bulunabileceği ve evrimleşebileceği tüm durumları tanımlayan bir fonksiyon.

Ve quantum fiziğinin Everett yorumu şunu söyler.

Sadece ve sadece bu fonksiyonun tanımladığı fiziksel gerçekliğe güvenin.

Başka hiçbir varsayımda bulunmayın.

Bu 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 elektron gözlemlemezken...

Gözlem araçlarımız ile elektron eşlenmiş bir sistem değildir.

Bu durumda bağımsızlık 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 ölçüm yapan alet veya siz o elektronun yarık ve duvar sisteminden bağımsız değilsiniz.

Siz de o sitenin parçasısınız.

Ve bu yeni ve daha geniş sisteminde 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 davranış sebebi şudur.

Siz bir ölçüm yaptığınızda sistemin bir parçası olduğunuz için evrende darlanma da verilen bir olay olur.

Yani siz aslında hem elektronu soldan geçerken gözlüyorsunuz hem de sağdan geçerken.

Ama bunlar ayrı iki evren ve birbiriyle hiçbir şekilde etkileşemiyorlar.

Siz elektronu gözleyene kadar o evrenlerden hangisinin olduğunuzu 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 evreninize sağ taraflı 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 matematik düzeninde olduğunu hayal edebilirsiniz.

Burada söz ettiğimiz paralel evrenler...

Kozmolojik paralel 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 ölçekli bir evren algısıdır.

Kuantum çoklu evrenlerin söylediği özetle şudur.

Her 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 bu yoruma göre aslında Kopenhag yorumunda söylendiği gibi bir gözlem yapıldığında dalga fonksiyonunun çökmesi gibi bir durum yaşanmaz.

Her olasılık gerçekleşir ve o olasılıkların her biri ayrı bir evrene karşılık gelir.

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 sağduylarımızla en az uyuşan yorum budur.

Öte yandan diğer modellerde gerektiği gibi bilinci özel bir güç atfetme veya ekstradan renklemler gelişmek zorunda kalma gibi durumlar yaratmaz.

Schrödinger'in renkleminin gerçek ve doğru olduğunu bütün fizikçiler bilir ve herkes kabul eder.

Everett'in söylediği bu renklemin ifade ettiği şeyi gerçek kabul etmemiz gerektiğidir.

Gerçeğin ne olduğu ile ilgili ek varsayımlarda bulunmamamız gerektiğidir.

Renklemin söylediği çok açık bir şekilde evrende her kuantum ölçümü sırasında dağlanmaların olduğudur.

Bu olasılıkların hepsi eşit derecede gerçektir.

Hiçbiri diğerinden daha gerçek değildir.

Yani ortada herkesin kabul ettiği bir Schrodinger denklemi var da onun üzerine paralel evren yapısı işaret edilmemektedir.

Denklemlerin söylediği şey zaten o evrenlerin birbiriyle aynı matematiksel gerçekliğe veya karşılığa sahip olduğudur.

Gözlem yapıldığı anda sistem değişmez.

Gözleme anlatımı olasılıklar gerçekleşir ve biz o evrenlerden birinde var oluruz.

Sonuç. Burada saydığımız yorumlar bu yorumlarla ilgili teknik aralizin son derece yüzeysel bir özetinden ibarettir.

Kuantum fiziğinde ölçüm problemi çözülmüş bir sorun değildir ve henüz nihayet başlamaya ulaşabilmiş değildir.

Ayrıca burada verdiğimiz yorumlar bugüne kadar konuya yönelik geliştirilmiş yorumların tamamında değildir.

Çok sayıda diğer yorumlardan da söz edilebilir.

Ölçüm probleminin evrenin doğasına yönelik çok tuhaf bir şeyleri işaret ettiği, en azından fiziğin temellerine yönelik ciddi bazı eksiklerimiz olduğunda gösterdiği açıktır.

Elbette olasılıklar evreni içerisinde elektronların bilinçli olduğu fikri de bulunur.

Ancak bu 52 açıklamalar arasından en fazla ve en büyük varsayıma dayalı olanıdır.

Dolayısıyla fizik camiasında yaygın bir şekilde kabul görmez.

Günümüzde ana akım kuantum fiziği uygulamalarında en yaygın kabul gören yorum Kopenhag yorumudur ve buna göre bir gözlem yapıldığında var olan olasılıklar evreni tek bir olasılığa çöker ve o olasılıklardan sadece bir tanesi

gerçek olur. Bu yüzden de elektronun davranışının değiştiğini gözlemiş oluruz.

Ne yazık ki bu yorumda...

Elektronun davranışındaki bu değişimin nedenini açıklayamaz ve bu konuda araştırmalar devam etmektedir.