Bir yazar okuyucusuna karşı dürüst olmalı. Ben de bu yazıya bir itiraf ile başlamak istiyorum. Geçen iki hafta içinde okuyucuya sunacak güzel bir hikaye ya da ilginç bir konu üzerine derinlemesine bir araştırma yapacak ne vakit ne de enerji bulabildim. Yine de bir yazarı başarılı kılan her zaman dikkatli yaşayıp, okuduklarından, dinlediklerinden, gördüklerinden tutarlı çıkarımlar yapıp, okuyucusuna onun yazısını okumadan asla öğrenemeyeceği bir bilgi sunabilmektir. Bu bağlamda son 2 haftamı tam anlamıyla domine eden, kendi disiplinimin en temel konularından birini anlatmaya karar verdim. Bir fizik öğrencisi olarak, her zaman fizik anlatmak ürkmüşümdür çünkü fiziği anlamak ile aktarmak arasında çok ciddi bir fark vardır. Fiziğin temel kavramlarını ve dilini (matematik) bilmeyen bir insana doğanın yasalarını anlatmak için çok ince bir dil geliştirmek gerekir. Bu yazı, biraz tereddüt ile başlamış olsam da, benim için bir ilk deneme olacak fakat yine de yazının sonunda size klasik fizikten modern fiziğe geçiş sürecinin en önemli tartışmalarından birini aklınız ile çelişmeden aktarabileceğimi umuyorum. Işık ve madde fiziğin en temel kavramları olarak özlerinde parçacık mıdır yoksa dalga mı…
Yazının özüne geçmeden önce fizikte dalga kavramını incelerken kullanılan bazı kavramları açıklamak zorundayım. Öncelikle dalga dediğimiz kavramın ne olduğu üzerinde düşünelim. En basitten başlarsak bir sahile vuran deniz dalgalarını düşünün. Sahil kenarında ayaklarınızı suya soktunuz ve size doğru gelen dalgaları gözlemliyorsunuz. Size doğru hareket eden ve sonunda ayağınıza çarparak sona eren bir olgu ile karşı karşıyasınız. Fakat daha dikkatli bakarsanız aslında bu dalgayı oluşturan ortamın (maddenin) aslında size doğru hareket etmediğini fark edeceksiniz. Bu dalganın kaynağı olan denizde ki parçacıklar küçük devinimleri saymazsak aslında sadece yukarı ve aşağı hareket ediyorlar fakat size doğru hareket etmiyorlar. Daha anlaşılır bir örnek vermek gerekirse, dünya kupası final maçında taraftarların yaptığı Meksika dalgasını düşünün. Dışarıdan baktığınızda bütün stadı turlayan bir dalga görürsünüz ama aslında hiçbir taraftar dalganın yönünde hareket etmez. Aksine sadece ayağa kalkarak yukarı ve aşağı hareket ederler. Yazının bu noktasından sonra dalganın hareket yönünü belirtirken buna x-ekseni ve yukarı-aşağı olarak tanımladığım parçaların (taraftarlar ya da denizde ki parçacıklar) yönünü y-ekseni olarak ifade edeceğim. Öyleyse biz bir dalgayı tarif ederken parçacıkların y-ekseninde ki hareketini onu açıklayacak denklemimize koymak zorundayız çünkü her bir parçacığın y-eksininde ki konumuna göre dalga farklı bir şekil alacaktır. Şimdi de sizden Meksika dalgasını seyrederken televizyonun stop tuşuna basıp zamanı durdurmanızı isteyeceğim. Oldukça düzgün bir dalga figürü gördünüz değil mi? Şimdi görüntüyü hızlı bir şekilde başlatıp sonra tekrar durdurun. Karşınıza yeni bir dalga figürü gözükecek. Bu yaptığımız işlemde dalgayı tanımlayan ikinci bir değişken ile karşılaşıyor ki bu değişken zaman. Öyleyse şu sonuca varabilir ki, bir dalgayı tanımlayan iki değişkenimiz var. Bunlar parçacıkların y-ekseninde ki hareketi ve zaman. Bu çıkarımı bir fonksiyona dönüştürsek, F(y,t) şeklinde gösterebiliriz. Burada y, y-ekseninde ki hareketi, t de zamanı temsil etmekte. Dalgaların doğası ile ilgili vermem gereken son bilgi ise, dalgalar birbirlerini güçlendirebilir ya da söndürebilir. Gergin bir ipin üzerinde giden iki dalga düşünün eğer iki dalga birbirleriyle doğru zamanda karşılaşırlarsa, ikisinin toplamı büyüklüğünde bir dalga oluşur ve eğer ters zamanlarda karşılaşırlarsa birbirlerini söndürüp yok olabilirler.
Bu uzun girişin ardından ilerleyen zamanlarda çok işimize yarayacak dalga boyu kavramını da tanıtmak isterim. Bir dalganın dalga boyu, iki tepe noktası ya da iki çukur noktası arasında ki mesafe ölçülerek bulunmaktadır. Başka önemli bir kavram olan frekans ise bir dalganın bir saniyede kaç defa salınım yaptığının fizikte ki karşılığıdır. Şimdi fizikte devrim niteliğinde ki bir çalışmadan bahsedeceğim. İskoç bilim insanı James Clerk Maxwell 1800’lerin ortalarında 4 denklemini yazarak ışığın elektrik alan ve manyetik alanın birbirlerine dik eksenlerde ki salınımlarıyla oluşan bir dalga olduğunu gösterdi. Bunu birbirleriyle iç içe geçmiş 2 dalga olarak hayal edebilirsiniz. Maxwell’in ispatladığı ikinci önemli bir sonuç ise ışık hızının boşlukta her zaman sabit bir hızla hareket edeceğiydi. Maxwell’in denklemleri ışığın doğal olarak bir dalga olduğu yönünde bir çıkarım yapmıştı.
Fakat 1900’lerde yapılan deneyler birbirleriyle tutarsız sonuçlar doğuruyordu. Yapılan bazı deneylerde ışık parçacık gibi davranıyor, bazı deneylerde ise dalga gibi davranıyordu. Örneğin Einstein’ın keşfettiği fotoelektrik etkinin bulunduğu deney düzeneğinde ışık parçacık gibi davranıyordu. Bununla birlikte Young’ın çift yarıkta girişim deneyinde ise dalga özelliği gösteriyordu. Bu durum yıllarca bilim insanlarını fazlasıyla rahatsız etti.
Şimdi bu noktada yazıyı fazla uzatmamak için yapılan deneylerin detayına fazla girmeden sadece Young deneyini anlatarak aslında ne olduğunu açıklamaya çalışacağım (diğer deneylere başka yazılar da değinebilirim.). Young’ın çift yarık deneyi oldukça basit bir deneysel tasarıya sahip. Yapılması gereken bir levhaya 2 tane çok ince ve birbirlerine mümkün olduğunca yakın yarıklar açmak ve bu levhayı bir ekranın önüne yerleştirmek. Şimdi tek yapmanız gereken yarıklara ışık tutmak. Ekranınızda bazı belirgin bölgelerde ışığın çok yoğun, bazı bölgelerde ise hiç var olmadığını göreceksiniz. Ekranın periyodik olarak bir bölümü aydınlık bir bölümü ise karanlık olacaktır. Tam olarak bir dalga gibi gözüküyor. Şimdi deneyimizi biraz değiştirelim ve açtığımız 2 yarığın aralarında ki mesafeyi arttıralım. Deneyi bu şekilde tekrarladığımızda bu sefer az önce karşılaştığımız resmi göremeyeceğiz. Işık bütün ekranı aydınlatacak. İşte tuhaflık burada başlıyor. İlk durumda ışık dalga gibi davrandı, ikinci durumdaysa parçacık gibi davrandı. Nasıl?
Çift yarık deneyi
Konunun aslında oldukça basit ve akılla da çelişmeyen bir açıklaması var. Öncelikle basit bir analoji yapalım. Bir kayığa bindiğinizi ve denizde yolculuk yaptığınızı düşünün. Size doğru yaklaşan bir dalga gördünüz. Eğer kayığınızın uzunluğu dalganın dalga boyuna yakınsa, onu bir dalga olarak algılayacaksınız. Fakat eğer kayığınızın uzunluğu dalganın dalga boyuna göre çok uzunsa bize bir parçacık çarptı diyebilirsiniz. Bu benzetmeden anlıyoruz ki, aslında bütün fark bizim yaptığımız deneyde ki ekipman ile ilgili. Görünür ışığın dalga boyu (400-700 nm) çok kısadır. Bu bağlamda eğer dalga özelliğini görmek istiyorsak bizim kullandığımız deneysel ekipman da ışığın dalga boyuna yakın olacak şekilde küçük olmalıdır.
Peki dalga özelliği gösteren ne? Deneysel ekipmanlarımızı ışığın dalga boyuna yaklaştırdığımızda neden ekranda ki bazı bölümlere hiç ışık düşmüyor? Bunu açıklamadan önce ışığın foton adı verilen enerji paketleri halinde hareket ettiğini belirtmem gerekir. Şimdi eğer ekrana sadece bir foton gönderirsem, ekranda herhangi bir yere düşecektir ve ben bu fotonun nereye düşeceğini asla bilemeyeceğim. Sonra 10 foton daha gönderelim. 100 foton 1000 foton diye devam edelim. 10.000 foton gönderdiğimizde tam olarak deneyi yaptığımız şekli görmüş olacağız. Gerçekten de fotonlar bazı bölümlere hiç düşmediler. Öyleyse şunu söyleyebiliriz ki, aslında dalga olarak nitelendirdiğimiz kavram fotonun ekran üzerinde herhangi bir yere düşme olasılığı. Bu olasılık bir dalga özelliği gösteriyor. İki kaynaktan çıkan olasılık dalgaları ise bazı bölümlerde birbirlerini güçlendiriyor, bazılarında ise birbirlerini söndürüyor. Bu yüzden bu bölümlere foton düşme olasılığı sıfır oluyor.
Şimdi bu yazıyı noktalarken son ve daha ilginç bir soru sorarak kafanızı biraz daha karıştırayım. Eğer dalgalar belli deneysel düzeneklerde parçacık özelliği gösteriyorsa, parçacıklar da belli deneysel düzeneklerde dalga özelliği gösteriyor olabilir mi? Acaba biz dalga mıyız yoksa parçacık mı? Bir sonra ki yazıda görüşmek üzere.
Görsel kaynakça:
