Ana sayfa 158. Sayı En küçüklerin fiziği başlarken: Çift yarık deneyi

En küçüklerin fiziği başlarken: Çift yarık deneyi

210
PAYLAŞ
Young’ın kendi çizimiyle çift yarık deneyi. 1807’de ışığın dalga kuramını anlattığı ders kitabından alınan çizim, tarihteki ilk çift yarık deneyi tasviridir.

Yazı dizimizin başlangıcında, tarihteki belki de ilk bilimsel gözlemlerden olan Arşimed deneylerinden bahsetmiştik. Şimdi ise antikçağdan 18. yüzyıla, Ege’nin huzurlu kumsallarından Britanya’nın yağmurlu elma tarlaları arasında bulunan Somerset’e gidiyoruz. Öykümüz, tüccar bir ailenin 10 çocuğundan birinin doğması ile başlıyor, Einstein’ın, modern fiziğe ve kuantum kuramlarının anlaşılmazlığına gönderme yaparak “her şeyi bilen son kişi” olarak tanımladığı biliminsanı, Thomas Young.

Genç Thomas, ailesinin isteğiyle dini eğitim veren bir kasaba okuluna, oradan da Bristol’da bir yatılı okula gönderilir. Hocaları Thomas’ı kısa sürede üstün zekâlılar için özel bir okula yönlendirirler. Bu okulda ders dışındaki tüm zamanlarını çalışma ve okumaya verir. 1786’da, daha 14 yaşındayken, Arapça, Farsça, Osmanlıca, Yunanca, Fransızca, İtalyanca ve İbranice dillerinde akıcı bir şekilde konuşabilmektedir. Kendisini matematik ve fizik konusunda eğitmeye başlayan genç dahi, Öklid’in Elementler ve Newton’un Principia Mathematica’sını okur. Üniversite çağına eriştiğinde, herkesin övgüyle bahsettiği gerçek bir entelektüel haline gelmiştir.

Tıp okumak ister. Özellikle gözün yapısı ya da insan vücudunun fiziksel olgularla ilişkisi ilgisini çekmektedir. Bu merakı onu, bu işlerin en iyi yapıldığı yerlerden birine, Göttingen’e götürür. Hekim olarak mezun olduğunda, amcasından kendisine miras kalmıştır. Bu olanak onun işin daha derinlerine inmesine izin verir. Göze ne girer? Işık… Peki ışık nedir? Thomas Young, bu sorunun cevabını elde etmek için optik ve elektrodinamik öğrenmeye başlar.

Fizikte, döneminin “modası” elektrik ve manyetizma konularıdır. Özellikle Descartes ve Newton tarafından, bir önceki yüzyılda geliştirilen ışığın parçacık olduğu hipotezi, hâlâ geniş kapsamda ışığın pek çok davranışını açıklamaktaydı. Fakat elektrik akımı keşfedildiğinde, bu tür yapıların tıpkı birer dalga gibi olduğu ortaya çıktı. Sonrasında biliminsanları bu yepyeni “malzeme” elektrikle binlerce deney yaptılar ve bu deneyler, dalgaların davranışlarını açıklayan temel matematiği yarattı. Sonuç gayet açıktı: Elektrik dalgalarının davranışı, ses dalgalarından farksız… Bu durumun matematiksel olarak fark edilmesi, dalga adını verdiğimiz “şey”lere yepyeni bir boyut kazandırarak, onları 19. yüzyılın en önemli fenomeni haline getirdi.

Young, bu bilimsel argümanlar ışığında sordu: “Işık bir dalga olabilir mi?” Kanıtı olmayan bir soruydu bu. Özellikle ışığın prizmadan geçirildiğinde renklerine ayrılması ve bu renklerin farklı enerji değerlerine sahip olması, dönemin parçacık kuramıyla açıklanamıyordu. Young, ışığın dalga olup olmadığını anlamak için kafasında bir deney düzeneği tasarlamaya girişti.

Thomas Young’ın fizik notlarından kendi çizimiyle girişim desenleri. A ve B noktalarından dalgalar yaratılmaya başlanırsa C, D, E ve F noktalarında yıkıcı girişim desenleri gözlenecektir.

Su dalgalarıyla Rönesans’tan bu yana yapılan araştırmalardan elde edilen bir sonuç vardı. İki kaynaktan çıkan dalgalar karşı karşıya geldiklerinde birleşirler; buna süperpozisyon adı verilir. Birinin tepe noktası ötekinin alt noktasına gelirse birbirlerini sıfırlarlar, bu duruma da “girişim” adı verilir. Girişimler (interference), yapıcı (constructive) ya da yıkıcı (destructive) olarak ikiye ayrılır. Aynı eksen üzerinden birbirinden belirli bir uzaklıktaki iki delikten dalga yarattığımızı farz edelim. Yaratacağımız dalgalar birbirleriyle yüzlerce yıkıcı ve yapıcı girişim yapacaktır. Havuzun tam tepesinden yaşanan “karmaşa”yı çizmeye kalkarsak, optikte “girişim deseni” adı verdiğimiz yapıyı görmüş oluruz.

Young, 1800’de ışığın dalga olabileceğini iddia eden bir makale yazmıştı ve iki sebepten ötürü kendisini baskı altında hissediyordu. İlki, kendisi deney yapamadan birisi daha bunu düşünebilirdi. İkincisi, akademik ortamda, ortaya bir şeyler söyleyip kaçan kişi olmak değil, kafasında yarattığı modeli kanıtlayan kişi olmak istiyordu. Bir deney düzeneği planlamaya başladı. 1803’te artık hazırdı.

Britanya Kraliyet Bilim Topluluğu, tıp eğitimi almış birinin iddiasına şüpheyle yaklaşmıştı. Young’dan, topluluğun gözü önünde kanıt sunması talep edildi. Toplantı salonuna önce kocaman bir leğenle çıktı Thomas Young. Leğene, iki yerine delik açılmış bir tahta yerleştirdi ve dikdörtgen leğenin bir yanından dalgalar yaratmaya başladı. Girişim desenlerini göstermesinin ardından, tüm salonun siyah perdelerle hiç ışık almayacak şekilde kapatılmasını istedi. Perdelerden birine toplu iğneyle iki tane yarık açtı. Bundan yarım metre içeriye de başka bir perde yerleştirdi. Herkesin görmeyi beklediği şey iki kocaman çizgiyken, beklenmeyen bir şey oldu. İç kısımdaki perde üzerinde, aynı su veya ses dalgalarında olduğu gibi girişim desenleri görülmekteydi. Salonda, Newtoncu gelenekten gelen onca “önemli” isim sessizliğini korumaktaydı. Hayatlarını adadıkları bilim modelinin, yaşam için en önemli şey olan, her gün her yerde dolanan ışığı açıklamakta zayıf kalmasının şokunu atlatmaları, yaklaşık yüzyıl alacaktı.

Deneyin başarıyla gerçekleştirilmesinden hemen sonra, dönemin akademik dergilerinden Edinburgh Review’da anonim bir biliminsanı, deneyin tümüyle kurmaca olduğunu, ışığın hâlâ parçacık gibi davrandığını ve Thomas Young’ın başarısız bir doktor olduğu için böyle bir şarlatanlık işine giriştiğini yazdı. Benzer yazılar, dönemin “akademik muhafazakârları” diyebileceğimiz, değişime karşı fizikçiler tarafından da kaleme alındı. Fakat bu insanlara ne Young, ne de dünya akademik camiası aldırış etti. Bilim, kanıtlara dayalı olarak ilerlemesini sürdürdü. Fiziğin “pandora kutusu” diyebileceğimiz kuantum fiziğinin çağı başlamıştı, kutu açılmıştı bir kere.

Young, ışığın dalga modeli hakkındaki teorik arka planı oluşturdu. Kurduğu deney düzeneği tüm dünyada konuşulmakta ve tekrarlanmaktaydı. 1807’de ışığın dalga modelini açıklayan bir ders kitabı yayımlayan Young, fizik alanında çalışmayı bırakarak göz hekimliğine geri döndü. Şimdi sırada, ışık modelleri hakkında geliştirdiği bu fenomeni tıp alanına sokmak vardı. Dönemin önde gelen fizikçilerinden Jean Fresnel ve Christiaan Huygens’in beraber çalışma isteklerini kibarca reddedip muayenehanesini açtı. Huygens ve Fresnel, sonrasında optik alanında Huygens-Fresnel prensibi olarak bilinecek olan ve Young deneyini tüm dalgalar için genelleştiren bir formülasyon geliştirdiler. Yarattıkları prensip hem ışıkta, hem seste, hem suda, hem elektrikte, hem de manyetizmada kullanılabiliyordu.

Genel bir Young deneyi tasviri. Bu deney tasarım şeması, dünyadaki hemen tüm fizik bölümlerinde standart olarak kullanılır. Kaynak: ODTÜ Optik Deneyleri Dersi Rapor Kitabı.

Young’dan sonra farklı deney düzenekleri

Işığın dalga modeline karşı çıkan “zihniyet”in kendini toparlamasının bir yüzyıl kadar aldığını söylemiştik. 1829’da yaşama veda eden Young’ın ölümünden yaklaşık 80 yıl sonra, çift yarık deneyiyle ilgili şüpheci yaklaşımlar ortaya çıktı. Deneye itirazlar iki temel kapsamda yapılmaktaydı. Birinci yorum, ışığın o zamana kadar hep bir bütün halinde gönderildiği, bundan dolayı da parçacık olan ışığın, daha yarığa girmeden kendi kendine çarpışıp bu yarıkları oluşturabileceği üzerine kuruluydu. Bu yaklaşım, 2012’de yapılan bir deneyle yanlışlandı. Birer birer yollanan elektronlar ve elektronların taşıdığı foton taneleriyle yapılan deneyde, uzun süren saatler sonra yine girişim deseni elde edildi.

İkinci yorum ise, hâlâ yanıt bulamamış açık bir soru olarak gizemini korumaktadır. Dalga modeline itiraz eden fizikçiler 20. yüzyıl başlarında şunu söylediler: “Çift yarığın hemen girişine bir dedektör koyalım, ışığa tam yarıktan geçtiği anda ne oluyor bakalım.” 2004’de Harvard Üniv. Fizik Profesörü Şahriyar Afşar (Shahriar Afshar), gelişen teknolojik aletler sayesinde ikinci yorumun deneyini yapmayı başardı. “Kuantum Fiziğinde Afşar Deneyi” olarak geçen deney,  basitçe, çift yarığın tam üst noktasına bir dedektörün konmasıyla oluşturuldu. Dedektör, geçen her fotonun konum bilgisini bilgisayara kaydetti. Fakat olağanüstü bir durum meydana geldi: Işık sanki gözlemlendiğini biliyordu ve parçacık gibi davranmaya başladı. Ekranda iki adet uzun çizgi meydana gelmişti. Dedektör kapandığında ise yeniden dalga gibi bir girişim deseni oluştu. Yani ışık, yakından izlendiğinde bir parçacık, izlenmediğinde bir dalga gibi davranmakta… Bu gözlenen durumun arkasındaki matematiksel yapı hâlâ kurulabilmiş değil ve halen kuantum mekaniğinin zayıf halkalarından biri olarak görülmekte. Kim bilir, belki bu yazıyı okuyan okurlarımızdan biri böyle bir modeli geliştirmeyi başarır.

Sonuç olarak insanlık, halen ışığın gizemini çözebilmiş değil ve önümüzde aşacağımız çok yol var gibi gözüküyor. Fakat bildiğimiz bir şey var. İşler gitgide tuhaflaşıyor ve artık fizikçiler eskisi gibi genel önermelerde bulunamıyorlar. Eskiden bu durumun elimizdeki teknolojinin eksikliğinden yahut teorimizin zayıflığından olduğunu düşünürdük. Fakat bunlardan daha ziyade, fiziksel dünyanın en temelinde kesin olmayan, olasılıklara bağlı bir düzenin yattığını görüyoruz. İncelediğimiz parçacıkların varoluşunun temel özelliği, her özelliklerinin kesin olarak tahmin edilememesi gibi görünüyor. Genel sanımıza çok ters bir durumdan bahsettiğimi biliyorum. İşte bu yüzden fiziğin gizemlerinin oluşturduğu büyük dağı aşmanın yolu, gerçek dünyanın bizde yarattığı sağduyudan kurtulup hayal gücümüzün izinden gitmek… Bilim tarihinin ve “her şeyi bilen son insan”ın bize öğrettiği budur, hayal gücünün götürdüğü yere git.

Kaynaklar

– http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Biographies/Young_Thomas.html

– Thomas Young, “On The Theory of Light and Colours”, 1807.

– https://arxiv.org/pdf/1210.6243.pdf (2012’de elektronlarla yapılan çift yarık deneyi)

– http://irims.org/blog/index.php (Prof. Afşar’a ait web sayfası, konuyla ilgili wikipedia sayfası da kendisi tarafından oluşturulmuş)