Parçacık mı Dalga mı-2

Fiziğin gelişiminde önemli tartışmalardan birini incelediğim yazı dizimizin ikinci bölümünü gecikmeli de olsa yazabildim. Bu yazıya linkini paylaşacağım ilk yazıyı okumadan başlamanızı tavsiye etmem çünkü ilk yazıda bu yazıyı anlamanıza yardımcı olacak bazı temel kavramların açıklamasını yapmaya çalıştım. Nitekim fizik, birikim ile ilerleyen bir bilimdir. Temel kavramlar öğrenilmeden tutarlı bir bina inşa etmek mümkün değildir. İlk yazıda da belirttiğim gibi fizik anlatmak kolay bir iş değildir. Benim özelimde ürkütücüdür hatta. Fakat bu yazıda kafanızı karıştırmadan, dalga özelliği gösteren madde kavramını anlatabileceğimi umuyorum.

Bilim insanları, şaşırtıcı bir şekilde klasik fizikte parçacık özelliği gösteren maddenin aslında özünde dalga olduğunu ortaya çıkardılar. İlk duyulduğunda kulağa rahatsız edici gelse de dalga özelliği maddenin atomik düzeyde ki fiziksel davranışları incelemekte kilit rol oynamaktaydı. İlk yazıda fotonun dalga özelliğini gösterebilmek için Young’ın çift yarıklı girişim deneyini incelemiştik ve aslında dalga özelliği gösteren kavramın olasılık olduğundan bahsetmiştik. Şimdi bu noktada nasıl bir olgudan bahsettiğimizi anlamak için ilk yazıdaki deneyin aynısını bir kere daha, bu sefer parçacıklar için inceleyeceğiz. Ardından da doğanın olasılık temelli varoluşu üzerine tekrar düşüneceğiz.

Young deneyinin aynısını, tek bir fark ile tekrar ettiğimizi düşünelim. Yine opak bir yüzey üzerine iki tane birbirlerine mümkün olduğunca yakın yarıklar açalım ve bunu özel bir perdenin önüne yerleştirelim. Şimdi yapmamız gereken belirli bir parçacığı bu yüzeye doğru göndermek ve arkadaki perdede nereye düşeceğini tespit etmek. Bunu tespit etmek için perdeyi, elektron üzerine düştüğünde parlayacak özel bir maddeden yapabiliriz. Şimdi sırayla elektronları gönderelim. Önce 10 tane, sonra 100 tane, sonra 1000 tane, sonra 10.000 tane… Yeterli sayıda elektron gönderdiğimizde oluşacak şeklin fotonlar ile yaptığımız deneye çok benzediğine şahit olacaksınız. Belirli periyodik aralıklar ile bazı belirli bölgelerde elektronun tespit edildiğini, bazı bölgelere ise hiç düşmediğini göreceksiniz. İlginç! Neden elektronlar perde üzerinde belirli yerlere düştüler ama bazı yerlere hiç ulaşmadılar? Bu matematiksel olarak inceleyebileceğimiz bir olgu mu yoksa tamamen rastgele mi oldu? 10.000 elektron göndermemize rağmen bir tanesinin bile perdede belirli bir yere düşmemesi ve oldukça düzgün periyodik aralıklarla elektronları buluyor olmamız bize bir ipucu veriyor. İlk yazıda fotonlar için yaptığımız çıkarımı yine bu yazıda elektronlar için de yapabiliriz. Elektronun perde üzerinde düşeceği yer dalga özelliği gösteren bir olasılık fonksiyonu ile yönetiliyor.

Bu noktada eğer dalga fonksiyonu tarafından yönetilen bir olasılıktan bahsediyorsak, her parçacığın kendine göre bir dalga fonksiyonu olduğunu kabul etmeliyiz. Öyleyse parçacıkların, aslında özlerinde dalga özelliği gösterdiğini kabul etmeliyiz. Olasılık konusunu biraz daha açalım. Bir parçacığı bir yerde bulabilme olasılığı matematiksel olarak parçacığın dalga fonksiyonunun mutlak değerinin karesi ile hesaplanıyor. Çift yarık deneyinde, iki yarıktan çıkan dalga fonksiyonlarının girişimi söz konusu ve bu girişim sonucunda perdenin bazı bölümlerinde dalga fonksiyonu ters fazda iç içe geçmesiyle sıfırlanıyor. Bunun olasılık olarak düşündüğümüzde sıfırın mutlak değerinin karesi sıfır oluyor. Öyleyse o noktaya elektron düşme olasılığı sıfır olmalı. Bu bilgi ile, perde üzerinde bazı bölgelere neden hiç elektron düşmediğini anlamış oluyoruz.

Şimdi esas tartışılması gereken konu yine aynı probleme geliyor. Eğer parçacıklar, özlerinde dalga ise, doğal hayatımızda onların bu dalga özelliğini neden gözlemleyemiyoruz. Bunu anlamak için bir önceki yazıda yaptığımız çıkarımı hatırlamamız gerekiyor. Bir dalganın dalga özelliğini gözlemleyebilmek için, ölçüm yaptığımız araçların ölçülerinin, dalganın dalga boyuna yakın olması gerekir. Eğer araçlarımız çok daha büyük ise, parçacıkların dalga özelliğini gözlemleyemeyiz. Şimdi ilginç bir soru soralım. Bizim yani insanın da dalga özelliği var mıdır? Biz dalga mıyız? Cevap, evet. Bu cevap sizi rahatsız etmiş olabilir. Nasıl dalga olabiliriz… Yolda yürürken bir araba ile çarpışırsak kesinlikle parçacık özelliği gösterip, ciddi bir hasar ile karşılaşacağımız aşikar. Fakat bu noktada, dalga düşüncesini savunmak için Fransız bilim insanı Louis de Broglie’den yardım almalıyız. De Broglie’ye göre bir maddenin dalga boyu, evrensel bir sabit olan Planck sabitinin (6.62*10^-34) parçacığın momentumuna bölünmesiyle bulunuyor. O zaman, eğer 60 kg bir insanın dalga boyunu hesaplarsak bulacağımız rakam yaklaşık olarak 1.1*10^-34 gelecektir yani çok çok küçük olacaktır. Öyleyse bu insanın dalga özelliğinin gözlemlenebileceği bir deneysel araç bulmak imkansıza yakın olacaktır. Bu yüzden bizim dalga özelliğimiz günlük yaşantımızda gözlemlenemiyor. Elektronun ise kütlesi çok çok küçük olduğu için (9.1*10^-31), onun dalga özelliğinin gözlemlenebileceği bir düzenek kurmak mümkün hale geliyor. Kuantum mekaniğinde, çok küçük şeylerin fiziğini incelerken dalga fonksiyonunun kullanılması da işte bu sebepten. Büyük şeylerin (gezegenler, toplar, arabalar vb) fiziğini incelerken onların dalga özelliğine dikkat etmek zorunda değiliz ancak küçük şeylerin (elektron, pozitron vb) fiziğini incelerken, kavramların özünün parçacık değil, dalga olduklarını kabul ederek başlamamız gerekir.

• Randy Harris- Modern Physics

Görsel Kaynak

• https://en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment
• http://www.qsstudy.com/physics/de-broglies-matter-waves
• http://xn--webducation-dbb.com/wave-particle-duality/
• https://me.me/i/freeze-why-you-carry-two-identity-cards-thats-my-wave-particle-3387746