FizikElektromanyetizmaKuantum Mekaniği

Işığın Doğası: Elitzur-Vaidman Bomba Testi

Bu yazımızda, Avshalom Elitzur ve Lev Vaidman adında iki fizikçinin 1993 yılında öne sürdüğü bir düşünce deneyinden bahsedeceğiz. Yani kuantum fiziğinin sağduyumuza meydan okuyan olgularına, dalga-parçacık ikiliğine ve süper pozisyona dayanan bir deneyden. Yani Elitzur-Vaidman bomba testinden.

Deneyin ne hakkında olduğundan bahsetmeden önce, bir soru sormak istiyoruz. Elinizde 10 adet Elitzur-Vaidman bombası var, yani bir foton dedektörüne bağlı 10 adet bomba. Eğer dedektör bir foton algılarsa bombayı aktif hale getiriyor ve bomba patlıyor. Ancak şöyle bir sorunumuz var: Bu bombaların yarısının dedektörü bozuk. Şimdi, bozuk olmayan dedektörlü bombaları patlatmadan nasıl ayırt ederdiniz?

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Bu soruyu soran Elitzur ve Vaidman, çözüm olarak da Mach-Zehnder interferometresi kullanılan meşhur düşünce deneylerini önerdiler. Öncelikle belirtmekte fayda var, “Girişimölçer” ya da “İnterferometre”, ışığın girişim özelliğinden faydalanılarak mesafelerin ve maddelerin kırılma indislerinin ölçümünde, saydam cisimlerin yüzey düzgünlüğünün kontrolünde, çok küçük hareketlerin ölçülmesinde ve yıldızların yarıçaplarının belirlenmesinde kullanılan, çok hassas ölçüm yapan bir ölçü aletidir ve birçok çeşidi vardır.

elitzur 1
Figür 1: Mach-Zehn interferometresi

Mach-Zehn interferometresi

Yukarıda gördüğünüz resim, bir Mach-Zehn interferometresi temsilidir. “Beam splitter” (BS), “Işın Ayırıcı” anlamına gelir, yani üzerine gelen ışığın %50’sini geçirirken, %50’sini yansıtır. Ortadakiler ise üzerine gelen ışığın tamamını yansıtan mükemmel aynalardır. A ve B yollarında hiçbir engel yokken (figür 1.a), ışık şekildeki yolu takip eder ve ikinci ışık ayırıcıya (BS) geldiğinde girişim oluşturur. Böylelikle ışığın tamamı D2 dedektörüne gönderilir. Hal böyleyken, D2 hep aydınlık, D1 hep karanlık kalır.

Milyarlarca fotondan oluşan bir ışık hüzmesi kullanarak bombaları ayırt etmek pek de mümkün değil. Bu yüzden, ışığı çok yavaşlatıp, tek seferde tek foton gönderiyoruz ve yine aynı sonucu elde ediyoruz. İyi ama fotonların sürekli D2’ye yönlenmesi için girişim oluşturmaları gerekiyordu şimdi ise tek bir fotondan bahsediyoruz. Foton, kendisiyle mi girişim oluşturuyor? Evet. İşte burada süper pozisyon denen durum gerçekleşiyor ve foton kendisiyle girişim oluşturuyor. Sonuç olarak gönderdiğimiz bütün fotonları D2 dedektörü algılıyor.

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Elitzur-Vaidman Bomba Testi

Gelelim deneyin ayrıntılarına. Diyelim ki B yoluna bombalarımızdan birini koyduk. Eğer bomba, bozuk olanlardansa hiçbir şey değişmez; foton dedektörü fotonu algılamadığından foton her zamanki gibi yoluna devam eder ve biz sonuçta D2’nin ışığı saptadığını, D1’in karanlık kalmaya devam ettiğini görürüz. Peki ya bomba bozuk değilse?

Burada işler biraz tehlikeli ve karmaşık bir hal alıyor. Foton, altta kalan B yolunu takip ederse dedektör fotonu algıladığı an bomba patlar. Bu kısım pek eğlenceli değil, o yüzden işlerin yolunda gittiğini ve fotonun A yolunu tercih ettiğini varsayalım. İkinci ışın ayırıcıya (BS) geldiğinde B yolunda fotonu algılayan bir dedektör olduğundan fotonumuz soğurulur ve kendi kendiyle girişim oluşturmaz, yani D2’ye yönlendirilmesi için hiçbir sebep yoktur.

Öncesinde dalga gibi davranan fotonumuz, karşısına bir engel çıkıp da gidebileceği tek bir yol kalınca parçacık gibi davranmaya başlamıştır. Bu durumda her iki dedektörün de fotonu algılama ihtimali %50 olur. Eğer yine D2 dedektörü sinyal verirse bu bize hiçbir şey ifade etmez. Çünkü bomba bozuk olduğundan fotonun algılanmamış ve kendisiyle girişim oluşturup yine D2’ye yönlendirilmiş olma ihtimali vardır.

Tabii öbür %50’lik ihtimal de gerçekleşebilir, foton son ışın ayırıcıdan (BS) D1’e gidebilir. O zaman, foton A yolunu takip ettiğinden bombayla etkileşime girmez ve bomba patlamaz; aynı zamanda foton algılandığından kendisiyle girişim oluşturmaz ve D2’ye yönelme zorunluluğu kalmaz. Bu durumda bomba patlamadan, çalışır olduğu tespit edilmiş olur. Tabi fotonun A ve B yollarından A’yı seçme olasılığı %50; ikinci ışın ayırıcıdan da D1 ve D2 dedektörlerinden D1’i seçme olasılığı %50; sonuç olarak bizim bu yöntemle bir bombayı patlatmadan çalıştığını saptama olasılığımız %25 olur.

Arya ELÇİ

Referanslar:

  1. Illınois, The Grainger College of Engineering, “Interaction Free Measurements
    <https://physics.illinois.edu/people/kwiat/interaction-free-measurements.asp>
  2. Carsten Robens, Wolfgang Alt, Clive Emary, Dieter Meschede & Andrea Alberti, “Atomic “bomb testing”: the Elitzur–Vaidman experiment violates the Leggett–Garg inequality
    <https://link.springer.com/article/10.1007/s00340-016-6581-y>

Kapak Görseli:

  1. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Stop_the_light_by_Mato_Rachela.jpg

Etiketler
Daha Fazla Göster

Bir cevap yazın

Başa dön tuşu
Kapalı
Kapalı