Işığın gerçek doğası üzerine yüzyıldır süren tartışma nasıl sona erdi?

Kuantum teorisinin öncülerinden Albert Einstein ve Niels Bohr’un, ışığın dalga mı yoksa parçacık mı olduğu konusunda ünlü bir tartışması vardı. Köşe yazarı Karmela Padavic-Callaghan meselenin kesin olarak çözüldüğünü görür

Aşağıda bizim alıntılarımızdan bir alıntı yer almaktadır: Uzay-Zamanda Kaybolmak bülten. Her ay evrenin dört bir yanından büyüleyici fikirlere dalıyoruz. Kayıt olabilirsiniz Uzay-Zamanda Kaybolmak Burada.

Fizikçi Clinton Davisson, 1937’de parçacık olarak kabul edilen elektronların bazen beklenmedik bir şekilde dalga gibi davranabildiğini keşfettiği için Nobel ödülünü aldığında, ışığa bir darbe vurmaya özen gösterdi. “Fiziğin mükemmel çocuğu iki başlı bir cüceye dönüşmüştü” dedi. Zaten biri ya da diğeri değil, hem dalga hem de parçacık olduğu biliniyordu. Fizikçiler eskiden parçacık ve dalga olmanın birbirini dışlayan şeyler olduğunu düşünüyorlardı, ancak burada ışıkta ve şimdi de elektronlarda bununla çelişen iki örnek vardı. Biraz şaşkın olan Davisson, tuhaf bir metafora başvurmadan edemedi.

İyi bir arkadaşlık içindeydi; 10 yıl önce Albert Einstein, bu görünüşte saçmalık konusunda Niels Bohr’la ünlü bir tartışmaya girmişti. Kuantum teorisinin iki atası, yalnızca silahlı olarak birbirlerine saldırdılar. Gedanken deneyleriveya düşünce deneyleri, çünkü bunları laboratuvarda gerçekleştirecek teknolojiye sahip değillerdi. Ama aralarındaki düşmanlık artık yok. 2025 yılında Einstein ve Bohr’un heyecanla hayal ettiği deneyler laboratuvarda birden fazla kez gerçekleştirildi. Işık her iki kafa da sağlam olarak ortaya çıktı.

Işığın gerçek doğası sorusu her zaman tartışmalı olmuştur. 17. yüzyılda bu durum diğer iki büyük bilim adamını böldü. Matematikçi Christiaan Huygens ışığın bir dalga olduğunu savunurken, fizikçi Isaac Newton onun bir parçacık akışı olduğunu iddia etti. Huygens eserini yayınladı Işık Üzerine İnceleme 1690’da ölümüne yakındı ancak bu, Newton’un argümanları ve itibarının gölgesinde kaldı.

Light’ın diğer kafası ancak bu kadar uzun süre gizli kalabilirdi. 1801’de fizikçi Thomas Young, ışığın gerçek doğasını ortaya çıkarmasını sağlamaya çalışan, günümüzün meşhur çift yarık deneyini tasarladı. Yaptığı şey, dinleyen herhangi bir fizikçiye “Ben bir dalgayım” diye bağırmakla eşdeğerdi. Bir süreliğine alan da ikna oldu. Ancak 1927’ye gelindiğinde Einstein ve Bohr yalnızca ışığın gerçek doğası hakkında yeniden tartışmakla kalmıyor, aynı zamanda çift yarık deneyinin kendisi hakkında da tartışıyorlardı.

Bu deneyde, bir ekranın önüne iki dar, paralel yarıktan oluşan bir bariyer yerleştiriliyor. Bundan sonra gelecek olan şey basittir. Yarıklara ışık tutun ve ardından ekranı izleyin. Işık bir parçacık olsaydı, ekranda her yarığın arkasında bir tane olmak üzere iki ışık lekesi görünürdü. Ancak Young ve ondan sonraki birçok fizikçinin gördüğü şey daha karmaşıktı; tüm ekran boyunca koyu ve açık şeritlerin dönüşümlü olarak kalmasına neden olan güzel bir girişim deseni. Bu, ışığın dalgalılığının bir özelliğidir. Işık dalgaları yarıklardan sızıyor ve zirve noktalarında buluştukları yerde parlaklıkları artarak parlak bir şerit oluşturuyor. Bir zirve ve bir çukurun eşleştirilmesi koyu bir şerit bırakır.

Peki bir yüzyıl sonra tartışılacak ne vardı? Birincisi, Einstein, ışığın bir altın parçası üzerine parlatıldığı bir deneyin önceki sonuçlarına sıkı sıkıya bağlıydı; burada ışığın, foton adı verilen parçacıklardan oluştuğunu öne sürerek altının elektronlarını dışarı itme yönündeki gizemli eğilimini açıkladı. Bu deney yalnızca bir ışık başlığını gösterdi ve Young’ın deneyinden farklı bir taneydi; ancak Einstein deneyler boyunca ışığın parçacıklılığına dair işaretler aramaya devam etti.

Kuantum teorisi, çift yarık deneyi her seferinde bir fotonla gerçekleştirilse bile girişim deseninin ortaya çıkacağını öne sürerek bunu daha da zorlaştırdı. Fizikçiler bir fotonun aynı anda iki yarıktan nasıl geçebileceğini hayal etmekte zorlandılar. Girişim deseninin ayrıntıları, fotonun bir şekilde ikiye bölünme olasılığını ortadan kaldırdı ve cücenin bir tür sihir numarası yapıyormuş gibi görünmesine neden oldu.

Bohr bununla başa çıkmanın bir yolunun tamamlayıcılık ilkesinden geçtiğini öne sürdü. Fotonun dalga ve parçacık doğası deneylerde ortaya çıkarılabilir, ancak asla aynı anda ortaya konamaz. Einstein buna sahip değildi. Gedankenexperiments’a girin.

Einstein’ın düşünce deneyinde, ışığın olağan çiftten önce geçmesi için ek bir yarık daha vardır ve bu yarık, bir foton içinden geçtiğinde geri tepmesi için yaylarla donatılmıştır. Fizikçilerin, foton tarafından vurulduktan sonra yayların sıkışıp sıkışmadığını veya uzadığını gözlemleyebileceklerini ve sonuç olarak fotonun üst yarıktan mı yoksa alt yarıktan mı geçtiğini belirleyebileceklerini hayal etti. Einstein bu şekilde fotonun hangi yarıktan geçtiğini öğrenebileceklerini, bunun da parçacık benzeri bir davranış olduğunu ancak yine de ekranda dalga benzeri deseni göreceklerini savundu. Her iki fotonun kafasını da görebilmenin bir yolunu bulduğunu düşünüyordu.

Bohr’un karşı argümanı, kuantum teorisinin bir başka klasik özelliğine, Heisenberg’in belirsizlik ilkesine dayanıyordu. Bu prensibe göre, nesnelerin momentum ve konum gibi ölçülebilir belirli özellikleri çiftler halinde gelir ve her ikisini de bilebilmemizin doğruluğu arasında bir ödünleşme vardır. Örneğin, eğer araştırmacılar bir parçacığın momentumunu çok hassas bir şekilde ölçerse, onun konumu hakkındaki bilgileri son derece hatalı olacaktır. Etkili bir şekilde parçacık bulanık, yayılmış bir damla gibi görünecektir. Bohr, foton ile yarık arasındaki etkileşimin, hatta Einstein’ın yaylı yarığının bile momentumlarını değiştireceğini savundu. Fotonun yayların hareketinde yaptığı değişikliğin (yarığın momentumundaki değişiklik) ölçülmesi, fotonun momentumundaki değişikliği anlamak için kullanılabilir ve bu, fotonun konumunu belirsiz hale getirir ve girişim desenini yok ederek şeritlerini “söndürür”.

Einstein ve Bohr hiçbir zaman bir anlaşmaya varamadılar ama tartışmaları meşhur oldu. İsviçre’deki Basel Üniversitesi’nden Philipp Treutlein, “Kuantum bilimi alanındaki her araştırmacı öyle ya da böyle bununla karşılaştı” diyor. İki ayrı araştırma ekibinin bu ünlü gedanken deneyini gerçeğe dönüştürdüğünü öğrendikten sonra kendisini aradım. Deneylerin sonuçlarının çok güzel olduğunu söylüyor; Bohr ve Einstein’ın öngördüklerini çok yakından taklit ediyorlardı.

Ancak Treutlein bana aynı zamanda çağdaş fizikçilerin genellikle tartışmanın zaten çözülmüş olduğunu düşündüklerini de söyledi. Yine de laboratuvarda somut olarak test edilmesi yüz yıl sürdü. Bunun nedeni, fotonların çok küçük ve kütlesiz olmasıdır; dolayısıyla deney için anlamlı yarıklar oluşturmak, küçük kuantum bileşenlerinin olağanüstü kontrolünü gerektirdi. Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden (USTC) Chao-Yang Lu, “dar yarık” okuduğunuzda hayal edebileceğiniz her şeyin muhtemelen bir katrilyon veya daha fazla kat bu deneyde kullanılamayacak kadar büyük olduğunu söylüyor. Bunu aşmak için, USTC’deki ekibi ve Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’ndeki (MIT) başka bir ekip, yarıklarını aşırı soğuk sıcaklıklar altında inşa etti; bu, bireysel atomları lazer ışınları ve elektromanyetik darbelerle kontrol etmeyi mümkün kılarak onları kullanışlı yarık standlarına dönüştürdü.

İki takım ultra soğuk, esnek yarıklarını oluşturmak için iki farklı tasarım kullandı. Ve 21. yüzyıl atom fiziği, bir atomun geçen bir fotondan nasıl etkilendiğini ölçmek için köklü araçlara sahiptir. MIT ekibini yöneten Wolfgang Ketterle, bunu ağaç yapraklarına bakarak hafif bir esintiyi algılamaya benzetti. “Einstein’ın resminde foton bir yarıktan geçiyor. Yarık bir fotonun geçtiğini fark ediyor mu? Yarık hışırtı yapıyor mu? Artık modern tekniklerle atomları öyle bir duruma hazırlayabildik ki, bir foton ‘yarık’tan geçtiğinde atom hışırdayacak” diyor. Her iki ekip de, girişim modelinin keskinliği ile atomların momentumunun fotondan nasıl etkilendiği arasında Bohr’un öngördüğü dengeyi buldu. Aslında girişim deseni tam da tahmin ettiği gibi ortadan kaybolacaktı.

Yani aynı deneyde bir fotonun parçacık ya da dalga gibi davrandığını görebiliriz. Ancak atom fiziğindeki ilerlemeler sayesinde bundan daha fazlasını da yapabiliyoruz: Onun ikili doğasını gerçek zamanlı olarak yakalayabiliyoruz.

Hem Ketterle hem de Lu bana en heyecan verici bulguların, atomların geri tepme bilgilerinin yalnızca bir kısmını (yalnızca hafif bir hışırtı) ölçtüklerinde ve ayrıca bulanık bir girişim deseni gözlemlediklerinde ortaya çıktığını söyledi. Kısmi geri tepme bilgisi bile fotonun parçacık benzeri bir şey yaptığını gördükleri anlamına geliyordu. Girişim deseninin bir ipucu bile benzer şekilde dalgalılığını ortaya çıkardı. Lu, “Dalga benzeri girişimin görünürlüğü ve parçacık benzeri yolun ayırt edilebilirliği artık birbirini dışlayan evet veya hayır seçenekleri değil” diyor.

Görünen o ki, aslında her iki ışığın kafasını da görebiliyorsunuz, ancak pek iyi değil.