Fizik / Astrofizik Tüm Yazılar

Tek Yarık Deneyi ve Belirsizlik

Çoğumuz lisedeki fizik dersinde, tek yarık ve çift yarık deneylerini görmüştür. Görmemişse de, zaten belgesellerde ve internette her yerde bolca bahsediliyor, oradan aşinadır.

Tek yarık deneyini ele alacak olursak; bu deneye göre, eğer çok dar bir yarığa ışık demetleri gönderirseniz, bu ışık demetleri sanılanın aksine duvarda kusursuz bir nokta oluşturmayacaktır. Aksine ışık, duvarda yayılmaya başlar. Gönderdiğimiz ışık, duvar üzerinde girişim deseni adını verdiğimiz desenler meydana getirerek, aşağıdaki görselde görüleceği üzere aydınlık ve karanlık bölgeler oluşturur.

Fizikçiler bu desenlerin oluşum sırası ve boyutları ile ilgili birçok denklem vermektedir. Ama bizim konumuz şu anda bu değil. Kaçımız o yıllarda veya daha sonrasında hocalarına, ışığın neden bu şekilde davrandığını sordu? Eminim büyük çoğunluğumuz sormadı bile. Şimdi bu konuya değinme zamanı geldi.

girişim

Tek bir yarıktan geçen ışığın oluşturduğu girişim deseni.

Işığın böyle bir davranış sergilemesinin nedeni, dalga özelliği göstermesidir. “Nasıl yani?” dediğinizi duyar gibiyiz. Şöyle; size başta bahsettiğimiz tek yarık deneyinde elimize ışık yerine bir kova suyu alalım. Şimdi yarığı, bu suyun içine dik duracak şekilde ve yarığın bir kısmı suya batmayacak şekilde yerleştirelim.

Yarığın arkasında da bir duvar olduğunu farz edelim. Bildiğiniz gibi suya ufak bir taş bile atsanız su dalgaları oluşturabilirsiniz. Şimdi, yarığa yakın bir noktadan bir su dalgası yaymaya başlayın. Geldik en can alıcı noktaya, bu su dalgaları kendinden emin bir şekilde ilerlerken yarığa denk gelecek ve mecburen yarıktan geçmek zorunda kalacak. Yarıktan geçerken de küçük bir değişikliğe uğrayacak. İşte bu değişiklik bize, neden ışık kullandığımız zaman aydınlık ve karanlık bölgeler oluştuğunu açıklar.

Düz bir şekilde gelen dalgalar, bu yarıktan geçtikten sonra kırınıma uğrar ve birbirleri üstüne binerek güçlendirir veya birbirlerini yok ederler. Birbirlerini güçlendirdikleri noktalarda aydınlık, yok ettikleri noktalarda karanlık bölgeler görülür. Bu deneyde su dalgaları ve ışık aynı davranışı sergilediği için durumu su dalgaları kullanarak açıkladık.

Gördüğünüz gibi ışık parçacık özelliğinin yanı sıra dalga özelliği de göstermekte. Şimdi biraz daha derine inme zamanı.

Peki, ışık dalga özelliği gösteriyorda, neden yarık genişken değil de, darken bu özelliği gösteriyor?

İşte burada da Heisenberg’in belirsizlik ilkesi devreye giriyor. Heisenberg’in belirsizlik ilkesine göre, bir parçacığın momentumu ve konumu aynı anda tam doğrulukla ölçülemez. Bunu ışıkla gerçekleştirdiğimiz tek yarık deneyimize uygulayacak olursak; parçacık olarak ışık fotonlarını ele almamız gerekir. Şimdi, Heisenberg’in belirsizlik ilkesini inceleyelim ve daha sonra tek yarık deneyimize uygulayalım.

Heisenberg’in belirsizlik ilkesi;

denklem

Bu denklem parçacığın konumu ve momentumu ile ilgilidir. Denklemde;

x:    Parçacığın konumu

p:    Parçacığın momentumu

Δx:  Parçacığın konumundaki belirsizlik

Δp:  Parçacığın momentumundaki belirsizlik

Planck sabitini (çok küçük bir sayı) ifade eder.

Denkleme göre, Δx ve Δp çarpımı her zaman denklemin sağ tarafından büyük ya da eşit olmak zorundadır. Burada parçacığın konumundaki belirsizliği, yarığın genişliği belirlediği için Δx ‘i yarığın genişliği olarak alacağız.

parçacıklar

Şimdi tekrar deneyimize gelelim. Deneyimizde yarık genişliği (Δx) başta fazlaydı ve dolayısıyla enteresan bir şeyle karşılaşmamıştık. Şimdi ise yarık genişliğini yavaş yavaş daralttığımızı farz edelim.

Yarığın genişliğini daralttıkça, parçacık olarak ele aldığımız fotonların geçeceği noktalardan daha emin hale geliyoruz. Daraltmaya devam ettikçe, artık öyle bir noktaya geliyoruz ki, bu bizim için limit anlamına geliyor. Yani o noktadan sonra daha da küçültecek olursak;

denklem 2

Denklemindeki ilişkiyi bozmaya başlarız.

İşte bu durumda sistem, ilişkiyi bozmamak adına, olması gerektiği gibi momentumdaki belirsizliği (Δp) artırır.

denklem 3

Dolayısıyla, momentumdaki belirsizlik artmadan önce fotonlar dümdüz gidiyorlardı ve herhangi bir haylazlık yapmıyorlardı. Ancak şimdi momentumdaki belirsizliğin artması ile beraber sağa sola sapmaya başladılar.

parçacık 2

Fotonlar bu sayede sağa sola saparak belirsizlik ilkesini ihlal etmemiş oldular. Dolayısıyla, siz yarığı ne kadar küçültürseniz, momentumdaki belirsizlik o kadar artmak zorundadır. İşte bu nedenle, fotonlar sağa sola sola saptığı için duvara düşen ışın çok daha geniş olur.

Günlük yaşantımızda bu belirsizlik ilkesini aşan durumlarla asla karşılaşmayız. Çünkü etrafımızdaki her şey Planck Sabiti‘nden (en küçük etki birimi) çok daha büyüktür.

Sağduyumuza tamamen aykırı; ama Dünya bu şekilde çalışıyor.

Umut Aktepe

Kaynak ve deneyi izlemek için: https://www.youtube.com/watch?v=a8FTr2qMutA

Hep daha fazla okumak gerekir...