Maddenin Dalga Parçacık İkiliği: Çift Yarık Deneyi ve Varyasyonları

Eğer bir fiziksel niceliği parçacık olarak tanımlamak istersek, durgun kütlesinin sıfırdan farklı olması gerekir. Dalga ise temel anlamda enerjinin yayılma ve taşınmasına yol açan titreşim hareketidir. Maddenin boyutu küçültülerek atomik yapısına inildiğinde karşımıza çıkan atom altı parçacıkların, ki bunlara kuantum düzeyindeki parçacıklar da denilmektedir, davranışları salt parçacık veya salt dalga gibi klasik konseptlere uymamaktadır.

Maddenin doğası ile ilgili ikilik fikri ilk olarak 17. yüzyıldaki ışık ve maddenin doğası tartışmalarına dayanır (Huygens&Newton). 1803'de ise fizikçi Thomas Young tarafından gerçekleştirilen “Çift Yarık”, diğer bir adıyla “Çift Delik” deneyi, maddenin doğasında yer alan bu ikiliği ortaya koymak için yapılan başlangıç çalışmalarından biridir. Young, deney düzeneğinde tek ışık kaynağı olarak, iğne deliğinden geçen güneş ışığını kullanmıştır. İğne deliğinden yayılan ışık, üzerinde birbirine yakın iki iğne deliği bulunan ve deliklerin ilk kaynağa uzaklıkları eşit olacak şekilde yerleştirilen saydam olmayan bir engele düşürülür. Birinci iğne deliğinden herhangi bir anda çıkan ışık, diğer iki iğne deliğinden aynı anda geçeceği için, iki iğne deliğinden çıkan ışık o anda aynı fazda olur ve ekranda girişim saçakları (deseni) gözlemlenir (şekil 1). Young'ın çift yarık deneyinde sadece ışık üzerine denemeler yapılmıştır. Ta ki, 1961'de Clauss Jönsson bunu o zamana kadar parçacık tanımına uyan elektronlarla deneyene kadar.

Cift_Yarik_1
Şekil 1. Young deney düzeneğinin basitleştirilmiş gösterimi. a bir delikli plaka, b iki delikli plaka ve d ışığın düştüğü gözlem plakasıdır.

Yeni deneyin tam olarak anlaşılabilmesi için parçacıkların nasıl davrandıklarının görülmesi gerekmektedir. Bir elektron tabancasından (Eski tip televizyonlardaki katot ışın tüpü de diyebiliriz.) gönderilen elektronlar sadece tek bir yarıktan geçirilirse gözlem plakasında çarpma sonucu oluşan noktalar en sonunda düz bir çizgi oluşturur (şekil 2). Diğer bir deyişle, yarıktan geçebilen elektronlar tek bir doğrultuda ilerler. Benzer şekilde yarığa ışık gönderildiğinde plakada yine düz bir çizgi görülür. Bu çizgi ışığın en yoğun olduğu bölgedir.

tek_yarik_1
Şekil 2. Tıpkı ışık gibi eletronların tek yarıktan geçtiklerinde ekranda oluşturdukları görüntü.

Yarık sayısı ikiye çıkartıldığı zaman ışığın dalga özelliğinden dolayı, bir girişim deseni oluşturduğu Young'ın deneyinde gösterilmişti. Bu durumda çift yarığa elektron gönderildiğinde, düz bir doğrultuda sadece iki yarığın birinden geçebilecekleri için iki sütundan oluşan bir görüntü elde edilmeliydi. Fakat elde edilen bir girişim deseniydi (şekil 3). Nasıl oluyor da madde parçacıkları tıpkı dalgalar gibi bir girişim deseni oluşturuyordu? İlk akla gelen elektronların toplu halde gönderildiğinde birbirlerine çarpıp doğrultu değiştirdikleriydi. Ancak elektronlar çift yarığa tek tek gönderildiğinde de sonuç değişmemişti (şekil 4). Dönemin bilim insanları elektronların nasıl bir hareket yaptığını gözlemlemek için sisteme bir dedektör eklediklerinde ise elektronlar bu kez parçacık gibi davranıp doğrultu değiştirmeyerek iki sütun oluşturdular. Deney yakından gözlendiğinde bir şeyler değişmişti.

Tüm bu elde edilen sonuçların yorumlanması gerekiyordu. Bu nedenle fizikçi Niels Bohr tarafından oluşturulan konsey Kopenhag Yorumu adı verilen kuantum mekaniğinin görüş ve ilkeler dizisini yayınladı. Deneyin sonuçları buna göre şöyle maddelenebilir:

  1. Makroskopik sistemler klasik fizik kuralları, mikroskopik sistemler ise kuantum mekaniğinin ilkeleri ile değerlendirilmelidir. Yani aynı deneyi elektrondan çok çok daha büyük parçacıklar olan bilyeler ile yaparsak ekranda göreceğimiz girişim deseni değil iki adet çarma sütunudur.
  2. Bir mikroskopik sistemin konum ve momentum gibi durumlarını içeren bir dalga fonksiyonu vardır. Mikroskopik bir sistem olan elektrona da bir dalga fonksiyonu eşlik etmektedir hatta kendisi bir potansiyeller dalgasıdır.
  3. Dalga fonksiyonunun normalizasyonu sistemin belli bir noktada değil, bölgede olduğunu söyler. Yani elektron parçacık olarak tabancadan çıkıyor ancak aynı zamanda bir potansiyeller dalgası olduğu için yarıklara ulaştığında her ikisinden de aynı anda geçerek kendisi ile girişiyor ve ekranda girişim deseni oluşturuyor.
  4. Gözlemler dalga fonksiyonunu çökertir. Bir niceliği gözlemek üzerine ışık tutmak anlamına gelir ve elektron, foton ile etkileşebilecek kadar küçüktür. Bu etkileşim sonucu dalga fonksiyonu özelliğini kaybeder ve sadece parçacık özelliği gösterir.

Sadece tek bir deneyden dahi, böylesine büyüleyici sonuçların elde edilebilmesi, madde nedir sorusunun cevabının “hem dalga-hem parçacık” olduğunu göstermektedir. Görebildiğimiz makro evren yani biz ve çevremiz, matematiksel ve fiziksel olarak daha genel bir küme olan mikro evrenin özel bir durumuyuz. Sadece maddesel dalga boyumuz çok küçük olduğu için tamamen ihmal edilebilir bir dalga özelliğimizin yanında, tamamen parçacık özelliği gösteriyoruz.

Emir Haliki

Kaynaklar

1) O Donati G F Missiroli G Pozzi May 1973 An Experiment on Electron Interference American Journal of Physics 41 639–644
2) Feynman, Richard P.; Robert B. Leighton; Matthew Sands (1965).The Feynman Lectures on Physics, Vol. 3. US: Addison-Wesley. pp. 1.1–1.8
3) Erwin Schrödinger, in an article in the Proceedings of the American Philosophical Society, 124, 323–38
4) Nairz, Olaf; Brezger, Björn; Arndt, Markus; Zeilinger, Anton (2001). "Diffraction of Complex Molecules by Structures Made of Light". Physical Review Letters 87(16): 160401
Şekil-1 http://astarmathsandphysics.com/ib-physics-notes/127-waves-and-oscillations/1502-the-maths-of-youngs-s-double-slit-experiment.html
Şekil-2, Şekil-3, Şekil-4
http://genesismission.4t.com/Physics/Quantum_Mechanics/double_slit_experiment.html
Kapak görseli: http://woodahl.physics.iupui.edu/Astro105/waveffe.jpg

Emir Haliki

Ege Üniversitesi Fen Fakültesi - Fizik Bölümü Doktora Öğrencisi. Karmaşık sistemler, genetik düzenlenme mekanizmaları ve ağ analizleri çalışma alanı. Aynı zamanda matematik, sayısal çözümleme, biyoloji ve astronomi de ilgi alanları. Bunların yanında zaman zaman amatör olarak gözlemsel astronomi, doğa yürüyüşleri, oyun motorları tasarımları ile ilgileniyor.

Emir Haliki 17 makale yazdıEmir Haliki tarafından yazılan tüm makaleleri gör