Kuantum gerçekliği

Foton diyor ki: "Bakarsan, parçacığım; bakmazsan, bir dalgayım!" Dolayısıyla fotonun kimliği, birisinin ona bakıp bakmamasına bağlıdır. Ama niye?

14 Ocak 2024 - 11:48 - Güncelleme: 15 Ocak 2024 - 10:27

20. yüzyılın başlarında kuantum dünyasına dalan ve atom altı sistemleri incelemeye başlayan bilim insanlarının öğrendikleri ilk derslerden biri, deterministik bir evrende yaşamadığımızdı.

Peki, nasıl bir evrende yaşıyorduk?

Bu sorunun yanıtı yoktu.

Dolayısıyla gerçeklik algımız darmadağın oldu.

Aslında hey şey çok daha önce, ışığın "dalga mı, parçacık mı" olduğu tartışmaları ile başlamıştı.

Bu konuyu daha önceki yazılarımızda işlemiştik. Kuantum gerçekliği konusu tümüyle bu kavramlar çevresinde dönüyor olduğundan önümüzdeki birkaç yazımızı da bu konuya ayıracağız.

Şimdi geriye dönük olarak fizik bilgimizi yokluyoruz.

1600'lü yıllarda doğmuş iki bilim insanından Christiaan Huygens ışığın ses dalgaları gibi bir dalga olduğunu ileri sürerken, yine aynı dönemin dahi fizikçisi Isaac Newton ışığın tanecik yapılı olduğu ve doğrusal yolla yayıldığı konusunda ısrarlıydı.

Newton: "Dalga özelliğinden dolayı bir engelin arkasından sesi duyabiliyoruz ama ışığı görmüyoruz; ışık bir dalga olsaydı onu da görebilmeliydik." diyordu.

Bu tartışmalardan bir yüzyıl sonra gerçekleştirilen bir deney, Christiaan Huygens'i haklı çıkardı ama geride insanlığa çok daha derin ve dehşet sorular bıraktı.

Bazılarının korku deneyi olarak da tanımladığı bu deney, günümüzde "çift yarık deneyi" olarak biliniyor.

Pandora'nın kutusu açılıyor

1800 yılında Thomas Young isimli genç bir bilim insanı basit bir deney tasarladı.

Deney, gerçekten çok basitti.

Hatırlayalım: Bir nokta ışık kaynağının önüne, üzerinde çok küçük iki paralel yarık bulunan bir levha konuyor ve bu yarıktan geçen ışığın karşıdaki ekranda bıraktığı izlerine bakılıyor.

Eğer ışık, Newton'un söylediği gibi parçacıklardan oluşuyorsa, ışık parçacıkları yarıklardan geçtikten sonra ekranda aydınlık bir desen görünecektir.

Ama öyle olmaz; ekranda bir dizi parlak ve zebra çizgileri benzeri desenler oluşur. Biz ona girişim saçakları diyoruz.

Girişim saçakları dalgaların üst üste binmesi ile ortaya çıkıyor. Dalganın tepe noktaları çukur noktalarla üst üste geldiğinde birbirini yok eder ve karanlık desenler oluşur; tepe noktalar üst üste geldiğinde aydınlık desenler görürüz.

İki dalganın etkileşimi ile oluşan bu desenler, ışığın dalga olduğunun tartışmasız kanıtı olarak kabul görür.

Sezgilerimiz bize Newton'un da haklı olabileceğini söyler ama kanıtlar Young'dan yanadır.

Aradan bir yüzyıl geçer.

1900 yılında Alman bilim insanı Max Planck, enerjinin quanta adını verdiği parçacıklardan oluştuğunu öne sürerek mikro dünyanın kapısını aralar.

Bu sırada bilim insanları bir metal üzerine düşen ışığın metalden elektron kopardığına tanık olurlar.

Bu gizem dolu olaya Einstein, 1905 tarihli "foto-elektrik" isimli makalesi ile açıklık getirir. Işık, "foton" olarak adlandırdığı parçacıklardan oluşmakta ve bu parçacıklar birer mermi gibi metalden elektron koparabilmektedir.

Yani ışık Newton'un dediği gibi parçacıklardan oluşmaktadır.

Böylece ışığın "hem dalga ve hem de parçacık" olduğu artık deneysel olarak kanıtlıdır.

Tek foton gizemi

Buraya kadar sorun yok; oldukça karmaşık ama anlaşılabilir bir durum.

Ancak bilim insanları zihinlerinde başka sorulara yanıt ararlar.

Şöyle ki: İlk orijinal deneyde, içinde sayısız foton bulunan bir ışık demeti kullanılmıştı. İki yarıktan geçen çok sayıda ışık fotonu, üst üste binerek girişimde bulunuyor ve girişim saçakları ortaya çıkıyordu.

Peki, fotonlar yarıklardan tek tek geçirilse ne olurdu?

Araştırmacılar bu kez yarıklara fotonları tek tek göndermeyi denerler.

Ancak sonuçlar, fazlasıyla kafa karıştırıcıdır. Tek tek fırlatılan fotonların, aynı orijinal deneyde olduğu gibi ekranda girişim saçakları oluşturduğu görülür.

Yani, foton kendi kendisiyle etkileşime girmektedir.

Her ne kadar anlaşılmaz olsa da sonunda bilim insanları, tek bir fotonun dalga formunda yarıklardan geçerken ikiye ayrıldığı ve sonra birbiri ile etkileşimde bulunarak girişim saçakları oluşturduğu sonucunu kabul etmek zorunda kalırlar.

Foton izlendiğini nasıl bilir?

Bilim insanları karşı karşıya kaldıkları duruma açıklama getirmeye çalıştıkça işler daha da sarpa saracaktır.

Bu kez fotonun yarıktan geçerken nasıl ikiye ayrıldığını ve sonrasında birbirleri ile nasıl girişimde bulunduklarını anlamak için yarıkların iki yanına dedektör yerleştirirler.

Ve onları şoke edici bir sonuç daha beklemektedir.

Foton bu kez ikiye ayrılmıyor ve dolayısıyla girişimde de bulunmuyor. Yoluna parçacık olarak devam ediyor ve ekranda parçacık olduğunu ima eden parlak bir desen bırakıyor.

Sanki foton gözlemlendiğini biliyor gibidir.

Foton, bir dedektör tarafından izlendiğinde, Newton'un dediği gibi bir parçacık; bir dedektör olmadığında, Thomas Young'ın öngördüğü gibi gibi bir dalga kimliğine bürünmektedir.

Kısacası, foton diyor ki: "Bakarsan, parçacığım; bakmazsan, bir dalgayım!"

Dolayısıyla fotonun kimliği, birisinin ona bakıp bakmamasına bağlıdır. Ama niye?

Bu tuhaf hikâye elbette burada bitmiyor.

Bir sonraki yazımızda bu tuhaf davranışın fotonlara özgü olmadığını, olayın çok daha karmaşık olduğunu göreceğiz.

T24 Haftalık Yazarı