Fizikteki en ünlü bulgulardan biri yanlış olabilir-çift katlı deneyin, ışığın bir dalga olabileceğini doğrulamak için uzun zamandır düşünülüyordu, ancak sonuçları sadece kuantum parçacıkları kullanılarak tam olarak açıklanabilir.
Çift yarık deneyde, ışık dalgaları birbirlerine müdahale ediyor mu yoksa onlar mı?
Işık hem bir dalga hem de bir parçacıktır – ya da yaklaşık yüz yıldır düşündük. Kuantum fiziğinin ortaya çıkmasından bu yana, ışığın dalga-partikül ikiliği sergilediği anlaşılmıştır. Bu ikilikin bir kısmı, 1801’de Işık’ın dalga karakterini doğrulayan bir deney yapan fizikçi Thomas Young’a kadar izlenebilir: çift katlı deney. Ancak radikal yeni bir yorum, bu ünlü deneyin sonuçlarını ve aslında ışığın kendisinin doğasını sorgulamaktadır.
Brezilya’daki São Carlos Federal Üniversitesi’ndeki Celso Villas-Boas ve meslektaşları, ışığı çift katlı deneyin sonuçlarını açıklamak için bir dalga olarak düşünmemiz gerekmediğini savunuyor. Bu durumda, ışığın temelde sadece bir parçacık olarak görülebileceğini öne sürüyorlar.
Bu, fizik tarihi ile tartışmalı bir mola. Villas-Boas, çift katlı deneyin, klasik elektromanyetizma teorisini geliştiren James Clerk Maxwell ve Albert Einstein’ın fotoelektrik etkiyi açıklamasını kanıtlayan Robert Millikan gibi birçok bilim insanı tarafından görüldüğünü söylüyor-ışığın alanın bir dalgasına göre, partikülün bir dalgasına sahip olduğumuzu açık bir şekilde, “ancak, partikülüne ihtiyaç duyduğumuza göre. Klasik dalga yorumunun en temel olanı olmadığını söylüyor; Kuantum mekaniği.
Çift yarık deneyde, ışık iki bitişik dar yarıktan ve bir ekrana parlar, burada “klasik parazit” deseni adı verilen parlak ve koyu dikey çizgiler oluşturur. Bunun olağan açıklaması, hafif dalgaların yarıklara dökülmesi ve ekranda birbirleriyle buluşmasıdır. Eğer buluştuklarında, bir ışık dalgasının en yüksek kreti diğerinin en düşük olukunu karşılıyorsa, ikisi iptal edin ve ekran karanlık bir şerit – ışığın yokluğu kaydeder. Öte yandan, parlak çizgiler, iki dalga bir ekranda buluştuğunda ve örtüştüğünde oluşur, böylece tepeleri toplanır (aşağıdaki “Dalga Yorumlama” grafiğine bakın).
Araştırmacılar bu iyi bilinen şerit desenini aldılar ve ışığın aslında bir dalga biçimini almadığını varsayarsanız elde edilip edilemeyeceğini sordular. Matematiksel modelleri ekran olarak tek bir atom kullandı çünkü en temel foton dedektörüdür. Ve çerçeveleri, çizgilerin konumunun basitçe yarıkların geometrisi ve ışığın bunların içinden nasıl büküldüğünü belirlediğini varsayar.
Sonunda, hesaplamaları paternin ışığı bir kuantum parçacık olarak düşünmekten kaynaklanabileceğini düşündürmektedir. Bunun nedeni, bazı yerlerde yarıklardan geçen fotonların, diğer parçacıklarla etkileşime giremedikleri ve ekranı aydınlatamadıkları “karanlık durumlar” olduğunu varsayar (aşağıdaki “Karanlık Foton Yorum” grafiğine bakın). Bu görüşe göre, desen asla fotonların olmadığını – ışığın yokluğunu – göstermez, ancak bazılarının tespit etmelerine izin veren kuantum özelliklerine sahip olduğunu gösterir.
“Bu şok edici bir deneyim oldu. Her nasılsa, her yerde fotonlar var, ancak karanlık bölgelerde atomu heyecanlandıramazlar” diyor ekip üyesi Gerhard Rempe, Almanya’daki Max Planck Kuantum Optik Enstitüsü. “Bu, klasik müdahalenin nasıl çalıştığı konusundaki anlayışımızın çoğunu parçaladı. Tüm cehennem gevşedi.”
Birkaç araştırmacı Yeni bilim adamı Danışmanlık, yeni çerçevenin temel fizik anlayışımızda dramatik bir değişiklik gerektirdiğini kabul etti – ve garanti edilip edilmediğine dair şüphecilik ifade etti. Kesinlikle, iddia incelemeyi davet edecek kadar cesur.
Çift ölümcül deney, dalga-partikül ikiliği kavramının oluşturulmasında tarihsel bir rol oynamıştır, çünkü sadece fotonlar değil, aynı zamanda elektronlar, atomlar ve hatta bazı moleküller ile de gerçekleştirilmiştir. Her biri klasik parazit paternini üretti.
Bu model dalgaların matematiğinden türetilebilir ve her zaman bir dalga fenomeni olarak kabul edilmiştir, bu nedenle erken kuantum fizikçileri, bir dalganın karşısındaki özelliklere sahip bir varlığın – onu üretebileceğini şaşırtıcı bulmuştur. Dalga-parçacık ikilik fikri, dünyamızdaki her şeyin koşullara bağlı olarak hem dalga benzeri hem de parçacık benzeri özellikler sergileyebileceğini öne sürdü. Bu çağdaş fizikçiler arasında yaygın olarak kabul edilse de, kuantum teorisinin daha gizemli özellikleri arasındadır.
Ama belki de bir yeniden düşünme zamanı. “Bu perspektifi son derece ilgi çekici buluyorum. Kişi, klasik alanları ve tek fotonları içeren girişim fenomenlerini birbirlerini iptal etmek ve güçlendirmek açısından yorumlamaya devam edebilirken, bu yeni yaklaşım, daha eksiksiz ve tutarlı bir çerçeve sunuyor gibi görünüyor – sadece ışığın parçacık doğasına güveniyor gibi görünüyor” diyor Marco Bellini.
REMPE, yeni çerçevenin çift ölümcül deneyin bazı değişikliklerinin neden beklenmedik bir şekilde büyük sonuçlara sahip olduğunu açıklayabileceğini söylüyor. Örneğin, araştırmacıların bir fotonun içinden ne zaman geçtiğini söyleyebilmeleri için yarıklardan birine bir dedektör eklenirse, ekran bir parazit paterni kaydetmeyi durdurur. Bunun yerine, her yarının arkasında parlak bir nokta gösterir, bu da bir dalga yerine bir parçacıktan beklenen şeydir. Dedektörün bir elektromanyetik dalganın foton akışı haline gelmesi için nasıl eklenmesi olabilir?
Villas-Boas, “Gözlemcinin fotonun gerçekliğini veya yönünü değiştirebileceği fikri, bu biraz mistik görünüyor, ancak teorimize göre bu artık gerçekleşmiyor” diyor. Gözlem eyleminin kuantum nesnelerini nasıl etkilediğine dair bu soru, karmaşık ve büyük ölçüde çözülmemiş bir tartışmanın temelinde olmuştur. Ancak ışıkın sadece bir parçacık olarak anlayışı onu çözebilir.
New York’taki Lehman Koleji’ndeki Christopher Gerry, bazı ışık durumlarının “karanlık” olabileceği fikrinin yeni çalışmadan önce geldiğini söylüyor. “Bence bu ilginç bir fikir, ama bence tartışmalı bir fikir olacak. Bu yaklaşımın deneysel olarak incelenip incelenemeyeceğini görmek ilginç olacak. Belki de bu fikir, parazitin (kalıpların) ışığında olağan açıklamasını tamamlayıcı olabilir, ancak ikincisinin yakında uzaklaştığını görmüyorum” diyor.
Bu noktada, bu radikal yeniden yorumlamanın yeni ışık bazlı fenomenleri ortaya çıkarıp ortaya koyamayacağı veya kuantum fiziğinin yeni testlerine yol açıp açamayacağı belli değil, diyor Luis Sánchez-Soto Madrid Complutense Üniversitesi’nde. “Ana sorum ‘Ne için?’ Benim için zarif olan yeni bir formalizm tanıttığınızı anlıyorum, ama bana daha fazlasını ver ”diyor.
Villas-Boas, tek bir yüklü atomlu bir ön deneysel testin zaten tamamlandığını ve ekibinin fikirlerine ağırlık kattığını söylüyor: Parlaklıkların parlak ve karanlık durumlarının veya partikül benzeri titreşim paketlerinin de etkileşimi açıklamak için kullanılabileceğini gösterdi. Villas-Boas ayrıca karanlık ve parlak fotonlar açısından, bir ışın yerine darbeleri yayan bir tür lazerin yeniden canlanması için çalışıyor. Belki de bu tür lazerler, ekibin modeli doğruysa, parlak ve karanlık foton demetlerinden de yapılmıştır.
Bellini, muhtemelen yeni bir dedektör tipiyle karanlık fotonları “görmenin” yollarını keşfetmenin ilginç olacağını söylüyor. Rempe, yeni çerçevenin çift katlı deneyden daha karmaşık olan ışıklarla yapılan deneyler için nasıl uygulanabileceği ve insan gözlerinin fotonlarla nasıl etkileşime girdiği hakkında birçok sorunun kaldığını söylüyor, ancak ekibin bulgularına güveniyor.
“Diyelim ki, standart ders kitaplarını okursanız, bir bölüm eklemeliyiz” diyor.
