ÇİFT YARIK DENEYİ
Young deneyi olarak da bilinen çift-yarık deneyi, ışığın dalga özelliği sergilediğini gösterir. Fotoelektrik etkisi ışığın dalga özelliğinin yanı sıra parçacık özelliği de sergilediğini gösterir. Deneyin basit versiyonunda lazer ışını gibi bağdaşık (eş fazlı) bir ışık kaynağı, iki paralel yarık açılmış ince bir levhayı aydınlatır, ve yarıktan geçen ışık levhanın arkasındaki bir ekranda gözlemlenir. Işığın dalga doğası ışık dalgalarının iki yarıktan da geçerek girişim yapmasını, ve ekranda aydınlık ile karanlık bantlar oluşturmasını sağlar, ki bu sonuç ışık tamamen parçacıklı yapıda olsa beklenemez. Fakat, parçacıklardan veya fotonlardan oluşuyormuş gibi, ekranda her zaman ışığın soğurulduğu görülür.[1] [2] Bu durum dalga-parçacık ikiliği olarak bilinen prensibi ortaya koyar.
Eğer ışık tamamen sıradan parçacıklardan oluşsaydı ve bu parçacıklar bir yarıktan geçirilip ekrana çarptırılsaydı, yarığın büyüklüğüne ve şekline bağlı bir desen görürdük. Hâlbuki, tek yarık deneyi gerçekleştirildiğinde, ekrandaki desen bir dağılma desenidir, ortada dar bir merkezi bant ve ona paralel olarak dizilmiş daha karanlık bantlar olarak görünür.
Benzer şekilde, ışık sadece parçacıklardan oluşsaydı ve iki paralel yarıktan geçirilseydi, ekrandaki desen basitçe iki adet tek yarığın oluşturduğu desenlerin toplamı olurdu. Fakat gerçekte, desen daha geniş ve daha detaylı hale gelir, bir dizi aydınlık ve karanlık bant içerir. Thomas young bu olguyu ilk defa ispatladığında, ışığın dalgalardan oluştuğuna işaret ediyordu, ki aydınlık bölgelerin dağılımı dalga cephelerinin girişimiyle açıklanabilir.[3] Young deneyi, Isaac Newton tarafından öne sürülen ve 17. ve 18. yüzyılda ışığın yayılma modeli olarak kabul edilen ışığın parçacık teorisini mağlup ederek, 1800'lerin başında ışığın dalga teorisinin kabul edilmesinde çok önemli bir rol oynadı. Yine de, fotoelektrik etkisinin daha sonraki keşfi, farklı şartlar altında ışığın parçacıklardan oluşuyormuş gibi davranabileceğini gösterdi. Birbiriyle çelişiyormuş gibi görüen bu keşifler klasik fiziğin ötesine geçerek ışığın kuantum doğasını hesaba katmayı gerekli hale getirdi.
Çift-yarık deneyi ışıktan başka bir şey ile denenmemişti, ta ki1961 yılında Tübingen Üniversitesi’nden Clauss Jönsson bunu elektronlarla deneyene kadar.[4][5] 2002 yılında, Physics World okuyucuları tarafından Jönsson’un çift-yarık deneyi ’en güzel deney’ olarak seçildi.[6]
Çift-yarık deneyi (ve varyasyonları) kuantum mekaniğinin temel bilmecesini açıkça ortaya koyabildiği için klasik bir düşünce deneyi haline geldi. Richard Feynman, bu tek deney üzerinde dikkatlice düşünerek tüm kuantum mekaniğinin derlenebileceğini söylemiştir.[9]
Thomas Young 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 çizgilerinin yeri değişmez; girişim saçakları gözlemlenir.
Şekil A, girişimi meydana getiren dalgaların çizgi halindeki kaynağa ve yarıklara üstten bakılmış halini gösterir. İmgede düğüm çizgileri açıkça seçilmektedir. Bunlar dalga hareketinin ve bu nedenle ışığın bulunmadığı alanlardır; perdeyle ara kesitleri siyah olarak çizilmiştir. Perdede bir parlak bir karanlık olarak sıralanan renklerde girişim çizgileri görülmektedir. Tıpkı ışığın dalga modelinde kestirildiği gibi, ortadaki parlaktır ve bu çizgiler yarıklara paraleldir.[10]
Bu deneyin önemli bir versiyonu tek parçacıklardır(veya dalgalar, burada tutarlılık adına parçacık diyeceğiz). Çift-yarıktan tek seferde parçacıklar yollamak, bekleneceği gibi ekranda tek tek parçacıklar görmemize neden olur. Hâlbuki, bu parçacıklar teker teker gönderilirse bir girişim deseni oluşur. Örneğin, her seferinde çift-yarıktan bir elektron gönderebilen bir laboratuvar aleti yapıldığında[11] oluşan girişim deseni, her elektronun kendisi ile girişim yaptığını ve bu yüzden iki yarıktan birden geçmesi gerektiğini[12] gösterir-ki bu fikir ayrı objelerle olan günlük deneyimlerimizle çakışır. Bu olgunun, buckyball molekülleri gibi moleküller veya atomlar ile de gerçekleştiği gösterilmiştir.[7][13][14] Böylece, elektronlarla yapılan deneyler Dirac’ın, elektron, proton, nötron ve hatta daha büyük varlıkların kendi dalga doğaları olduğu ve hatta kendi özel frekansları olduğu görüşünü teyit eder.
Bu deneysel gerçek tekrar türetilebilirdir ve kuantum mekaniğinin matematiği elektronun ekranda belli bir noktaya çarpma olasılığını tam olarak öngörmemizi sağlar. Fakat, elektronlar ekrana beklenen bir düzende ulaşmazlar. Diğer bir deyişle, ekranda beliren diğer tüm elektronların nerede ve hangi düzende olduğu gelecek olan elektronun nereye çarpacağı hakkında bilgi vermez, yine de belirli noktalardaki olasılıklar hesaplanabilir.[15] Bu yüzden, girişim deseninin çok düzenli ve öngörülebilir bir formülasyonu olsa da nedensiz bir seçilim olayı görürüz. Bu bazı teorikçileri, bilindikleri takdirde hedef ile her ayrı etkileşimin konumunun sebebini gösterecek olan sistemdeki ek determinantları veya ’gizli değişkenler’ i bulmaya teşvik etmiştir.[16]
1909 yılında Taylor tarafından[17], gelen ışığın seviyesini foton soğurulması ve yayılması olayları çakışmayana kadar düşürerek, bir düşük-yoğunlukta çift-yarık deneyi gerçekleştirildi. Ayrı fotonlarla oluşan girişim deseni, tek bir fotonun kendi dalga cephesi olup iki yarıktan da geçtiği ve fotonun, yarıklardan geçen iki olasılık dalgasının kesişmesi ile oluşan net olasılık değerine göre dedektör ekranda görülmesi ile açıklanabilir.[18] Dikkat edilmesi gereken bir nokta, toplanan veya birbirini yok eden değerin, ekrandaki çeşitli noktalarda görülen foton olasılığı değil genliği olmasıdır. Eğer bir noktada dalgaların birbirini yok etmesi varsa, bu fotonun yokolduğunu göstermez; sadece o noktada fotonun belirmesi olasılığının azaldığını ve başka bir noktada arttığını belirtir.
Kuantum mekaniğinde çift-yarık deneyinin matematiğine detaylı bir yaklaşım Englert-Greenberger ikiliği konusundaki makalede yer alır.
Çift-yarık düzeneği yarıklara parçacık dedektörleri yerleştirilerek değiştirilebilir. Bu deneyi yapan kişinin parçacığın ekrana çarptığında değil yarıklardan geçerkenki konumunu bulmasını sağlar- parçacığın yapacağı gibi tek bir yarıktan mı geçti, yoksa dalganın yapacağı gibi her ikisinden de mi? Sayısız deney göstermiştir ki, parçacığın hangi yarıktan geçeceğini tayin eden herhangi bir değişiklik eklenmesi ekrandaki girişim deseninin görünürlüğünü azaltır[3], ve bütünleyicilik prensibini aydınlatır: ışık (ve elektronlar, vb.) parçacık veya dalga gibi davranabilir, fakat aynı anda ikisi de olmaz.[19][20][21] 1987’de yapılan bir deney girişim desenini bozmadan bir parçacığın hangi yolu izlediği hakkında bilgi edinilebileceğini gösteren sonuçlara ulaştı.[22] Bu da parçacıklara daha düşük bir seviyede dokunmanın girişim desenini ufak bir çapta etkilediği ölçümlerin etkisini gösterir.
Geç-seçim deneyi ve kuantum silme, çift-yarık deneyinde dedektörlerin yarıklardan başka yerlere yerleştirilmiş çeşitleridir. İlki, bir parçacık yarıktan geçtikten sonra hangi yolu izlediği bilgisinin elde edilmesinin, yarıklarda daha önceki davranışını geriye dönük olarak etkileyebildiğini gösterir. İkincisi, dalga davranışının, hangi yolun izlendiği bilgisinin silinmesi ile geri kazanılabileceğini gösterir.
1972’de deneysel olarak, sadece bir yarığın her zaman açık olduğu bir çift-yarık deneyinde, yol farkı fotonun her iki yarıktan da gelebileceği gibi olduğu sürece girişimin gözleneceği ortaya konmuştur.[26][27] Bu deneysel şartlarda sistemdeki foton yoğunluğu bir birimden azdı. Deney, C60 kadar büyük parçacıklar ile gerçekleştirildi.[28]
Klasik dalga teorisi kullanılarak ışığın birçok davranışı modellenebilir. Bu modellerden biri Huygens-Fresnel prensibidir; dalga cephesindeki her noktanın ikinci bir küresel dalga yarattığını ve takip eden bir noktadaki bir bozulmanın bu noktada oluşturduğu katkıların toplanmasıyla bulunabileceğini söyler. Bu toplam ayrı dalgacıkların genlikleri kadar fazlarını da hesaba katmalıdır. Şunu da not etmek gerekir ki bir ışık alanının sadece yoğunluğu ölçülebilir- genliğin karesiyle orantılıdır.
Çift-yarık deneyinde, iki yarık tek bir lazer ışınıyla aydınlatılır. Eğer yarık genişliği yeterinde küçükse(lazer ışığının dalgaboyundan küçük), yarıklar ışığı silindirik dalgalar ayırır. Bu iki silindirik dalga cephesi ilave edilir, ve herhangi bir noktadaki genlik ile yoğunluk bu iki dalgacephesinin hem büyüklüğüne hem de fazlarına bağlıdır. iki dalga arasındaki faz farkı iki dalganın aldığı yolların farkı ile bulunur.
Görüş mesafesi yarıklar arası uzaklıktan çok fazla ise, faz farkı aşağıda gösterilen şekildeki geometri ile bulunur. θ açısı ile hareket eden iki dalga arasındaki yol farkı:
İki dalga aynı fazda ise, diğer bir deyişle yol farkı dalgaboyunun tam katları ise, toplanan genlik ve yoğunluk maksimum olur, eğer zıt fazda iseler, yani yol farkı dalgaboyunun yarısının katları ise iki dalga birbirini yok eder ve bulunan yoğunluk sıfır olur. Bu etki girişim olarak bilinir. Maksimum değerde girişim saçağı şu açılarda olur:
λ ışığın dalgaboyunun gösterir. Saçaklar arası açısal boşluk θf ise;
Yarıklardan z kadar uzaktaki saçaklar arası boşluk:
Örneğin, iki yarık 0.5mm kadar ayrı ise ve 0.6 μm lik dalgaboyunda bir lazerle aydınlatılıyorsa, 1 metre uzaktan bakıldığında saçaklar arası uzaklık 1.2m olur.
Yarık genişliği,b, dalgaboyundan büyükse Fraunhofer dağılım denklemi dağılan ışığın yoğunluğunu şöyle verir:[29]
Yukarıdaki resimde ilk desen tek yarık ile oluşan girişim desenidir,fonksiyonda sincile verilmiştir. İkinci şekil iki yarıktan girişimin toplam yoğunluğunu gösterir, cos fonksiyonu ayrıntılı yapıyı temsil eder, ve kaba yapı ise iki yarığın ayrı ayrı girişim desenlerini gösterir.
Daha yakın alan için benzer hesaplamalar Fresnel dağılım denklemi ile yapılabilir. Gözlem düzlemi yarık düzlemine yaklaştıkça, her yarık için dağılım deseni boyut olarak küçülür, böylece girişimin olduğu alan azalır ve iki dağılım deseninde üst üste binme yoksa yokolur.[30]
Burada;
: Ekran üzerinde herhangi bir noktanın merkezi aydınlık saçağa olan dik uzaklığı,
: Ekran üzerinde herhangi bir noktanın yarıklara olan uzaklıkları farkı,
: Fant ile ekran arasındaki uzaklık,
: Yarıklar arasındaki uzaklık,
: Fant ile ekran arası ortamın ışığı kırma indis'idir (birimi yok).
Not: Bu formülde Uzunluk birimleri, aynı cinsten olmalıdır.
Burada;
: Aydınlık saçağın numarası (Kaçıncı aydınlık saçak olduğunu gösterir.), birimi yok, k=0, 1, 2, 3, ...olmalıdır
: Ekran üzerinde herhangi bir noktanın yarıklara olan uzaklıkları farkı,
: Kullanılan ışığın dalga boyu'dur.
Not: Bu formülde Uzunluk birimleri, aynı cinsten olmalıdır.
Burada;
: Karanlık saçağın numarası (Kaçıncı karanlık saçak olduğunu gösterir.), birimi yok, k=1, 2, 3, 4, ...olmalıdır