Albert Einstein ve Niels Bohr’un kuantum mekaniğinin gerçek doğası konusunda süregelen bir rekabeti vardı ve bu meseleyi çözebilecek bir düşünce deneyi ortaya attılar. Artık bu deney nihayet gerçek anlamda gerçekleştirildi
Çift yarık deneyi gerçekliğin kuantum doğasını gösteriyor
Ünlü fizikçiler Albert Einstein ve Niels Bohr arasında 1927’de yaşanan tartışmanın merkezinde yer alan düşünce deneyi nihayet gerçeğe dönüştü. Bulguları kuantum fiziğinin temel gizemlerinden birini aydınlatıyor: Işık gerçekten bir dalga mı, bir parçacık mı yoksa ikisinin karmaşık bir karışımı mı?
Einstein ve Bohr’un argümanı, 1801’de fizikçi Thomas Young’a kadar uzanan bir yüz yıl öncesine dayanan çift yarık deneyiyle ilgilidir. Young bu testi ışığın bir dalga olduğunu iddia etmek için kullanırken, Einstein ışığın aslında bir parçacık olduğunu öne sürdü. Bu arada Bohr’un kuantum fiziği alanındaki çalışması, bir anlamda her ikisinin de olabileceğini cesurca öne sürdü. Einstein bu tartışmalı fikirden hoşlanmadı ve buna karşı koymak için Young’ın deneyinin değiştirilmiş bir versiyonunu hayal etti.
Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Chao-Yang Lu ve meslektaşları, modern deneysel fiziğin en iyi araçlarını kullanarak, kuantum nesnelerinin ikili dalga ve parçacık doğaları bakımından 1920’lerdeki fizikçilerin şüphelendiği kadar tuhaf olduğunu ortaya çıkarmak için Einstein’ın fikrini gerçekleştiren bir deney gerçekleştirdiler. Lu, “Kuantum mekaniğini bu temel düzeyde ‘işler halde’ görmek gerçekten nefes kesici” diyor.
Klasik çift yarık deneyinde araştırmacılar, ekranın önüne yerleştirilmiş bir çift dar, paralel, yatay yönlü yarığa ışık tutarlar. Işık bir parçacık olsaydı, ekranın her yarığın arkasında bir ışık damlası göstermesi gerekirdi; ancak Young ve onu takip eden sayısız araştırmacı bunun yerine, alternatif koyu ve açık şeritlerden oluşan bir “girişim modeli” gördü. Bu, ışığın daha çok yarıklardan yayılan bir dalgaya benzediğini ve ekranın birbiriyle çarpışan dalgaları yakaladığını gösterdi. Dikkat çekici bir şekilde, ışığın yoğunluğu tek bir ışık parçacığına veya bir fotona indirgendiğinde bile girişim deseni devam ediyor. Bu, mükemmel parçacık benzeri fotonun sanki kendisi de bir dalgaymış gibi kendi kendine girişim yaptığı anlamına mı geliyor?
Bohr, fotonun dalgalı davranış sergilerken parçacıklılığını görmenin imkansız olduğu ve bunun tersinin de geçerli olduğu “tamamlayıcılık” kavramını savundu. Bunun gerçekten geçerli olup olmadığı konusundaki tartışmalarda Einstein, normal çiftin önüne yaylarla donatılmış ek bir yarık yerleştirmeyi, böylece foton içine girdiğinde geri tepmeyi hayal etti. Yayların hareketine dayanarak fizikçiler fotonun üst yarıktan mı yoksa alt yarıktan mı geçtiğini belirleyebildiler. Einstein’a göre bu, fotonun parçacık davranışını (küçük bir top gibi belirli bir yarıktan geçerken) ve girişim deseninin kanıtladığı gibi dalga davranışını eş zamanlı olarak tanımlayabilmek anlamına gelir ki bu da tamamlayıcılıkla çelişir.
Lu, ekibinin bu cihazı “nihai kuantum sınırında” inşa etmek istediğini, bu nedenle bir yarığa tek bir fotonu değil, aynı şekilde geri tepebilecek bir atomu vurduklarını söylüyor. Ek olarak, atoma çarpmak, fotonu atomdan sola ve sağa doğru uzaklaşma karışımına eşdeğer bir kuantum durumuna soktu; bu da bir dedektöre çarptığında bir girişim deseni oluşturdu. Bir atomu bu şekilde kullanmak için araştırmacılar onu inanılmaz derecede soğuk hale getirmek için lazerler ve elektromanyetik kuvvetler kullandılar, bu da onun kuantum özelliklerinin son derece hassas bir şekilde kontrol edilmesini mümkün kıldı. Bohr’un Einstein’a cevabını test etmek için bu çok önemliydi: Eğer yarığın momentumunda geri tepmeden kaynaklanan değişim çok iyi bilinirse konumunun çok belirsiz hale geleceğini ve tersinin de girişim desenini yok edebileceğini söyleyen Heisenberg belirsizlik ilkesini savundu.
Lu, “Bohr’un karşı argümanı muhteşemdi. Ancak düşünce deneyi neredeyse bir yüzyıl boyunca teorik olarak kaldı” diyor.
Lu ve meslektaşları, lazerleri ayarlayarak yarık halindeki atomun momentumundaki belirsizliği kontrol edebildiler. Bunu yaparak, Bohr’un iddiasının doğru olduğunu ve girişim deseninin momentumunun belirsizliğini ayarlayarak onu silebileceklerini buldular. Çarpıcı bir şekilde, araştırmacılar bu ayarlanabilirliği, bazı geri tepme bilgilerini ölçebilecekleri ve girişim modelinin bulanık bir versiyonunu görebilecekleri daha orta bir rejime erişmek için de kullandılar. Lu, burada fotonun hem dalga hem de parçacık özelliklerini aynı anda etkili bir şekilde sergilediğini söylüyor.
Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden Wolfgang Ketterle, “Asıl ilgi bu ikisinin arasında” diyor. Bu yılın başlarında kendisi ve meslektaşları Einstein’ın deneyinin bir varyasyonunu gerçekleştirdiler. Einstein’ın deneyinin bir çift yarık hareket edebilen bir versiyonunu uygulamak için lazerler tarafından kontrol edilen ultra soğuk atomları kullandılar. Lu ve meslektaşları ışığı iki yöne dağıtmak için tek bir atom kullanırken, burada iki atom ışığı aynı yönde saçıyordu ve her atoma çarpan fotonun etkisi, kuantum durumlarındaki değişikliklerden tespit edilebiliyordu. Ketterle, bunun dalga-parçacık ikiliğini araştırmak için kavramsal olarak farklı bir yol olduğunu ve fotonun ne yaptığını daha net bir şekilde kaydettiğini çünkü bu “hangi yönde” bilgisinin iki ayrı atomdan birinde depolandığını, ancak bunun Einstein’ın orijinal fikrinden biraz farklı olduğunu söylüyor.
Kendisi ve meslektaşları ayrıca lazerlerini aniden kapatmayı (hareketli yarıklardan yayları çıkarmaya eşdeğer) ve ardından atomlara foton göndermeyi denediler. Bohr’un vardığı sonuç, atomlar ve foton arasındaki momentum alışverişi artı belirsizlik ilkesinin girişim deseninin şeritlerini hâlâ “silindirebileceği” yönündeydi. Ketterle, Einstein’ın fikrinin bu yaysız versiyonunun daha önce test edilmediğini söylüyor. “Atom fiziğinde, soğuk atomlar ve lazerlerle, kuantum mekaniğini daha önce mümkün olmayan bir netlikle sergilemek için gerçek fırsatlara sahibiz.”
İsviçre’deki Basel Üniversitesi’nden Philipp Treutlein, iki deneyin kuantum mekaniğinin bazı temellerini güçlü bir şekilde ortaya koyduğunu söylüyor. “Modern anlayışımızla, kuantum mekaniğinin mikroskobik ölçekte nasıl çalıştığının cevabını biliyoruz. Ancak bunu gerçekten görmeniz, tabiri caizse, birisinin bu deneyi gerçekten yapması her zaman bir fark yaratır.” Lu ve ekibinin yaptığı deney, kavramsal olarak Bohr ile Einstein arasındaki tartışmaların tarihsel kaydında kalan çizimlerle eşleşiyor ve tam olarak kuantum mekaniğinin öngördüğü şekilde davrandığını söylüyor.
Lu’ya göre, yarığın kuantum durumunun daha ayrıntılı olarak sınıflandırılması ve kütlesinin arttırılması gibi keşfedilecek daha çok şey var. Ancak deney aynı zamanda muazzam bir eğitimsel değere de sahip. “Her şeyden önce kuantum mekaniğinin saf güzelliğini aktardığını umuyorum” diyor. “Birkaç genç daha girişim deseninin gerçek zamanlı olarak ortaya çıkmasını veya kaybolmasını izleyip “Vay canına, doğa gerçekten böyle çalışıyor” derse, deney zaten başarılı olmuş demektir.”
