Ünlü Çift Yarık Deneyi’ndeki Yenilik, Einstein’in Kuantum Şüphelerine Darbe!

Albert Einstein, fiziksel objeler dahil ışığın hem parçacık hem de dalga olarak var olduğu ve bu ikili durumun aynı anda gözlemlenemediği anlayışını benimsemeyen kuantum teorisini pek sevmezdi. Ancak yakın zamanda yapılan ve kuantumun temel bir deneyini yeniden ele alan basit bir deney, Einstein’ın yanlış olabileceğini kanıtlayan en doğrudan ve net kanıtlardan birini sundu.

MIT bilim insanları, Physical Review Letters dergisinde yayınlanan bir makalede, çift yarık deneyini atom ölçeğinde yeniden gerçekleştirmeyi başardılar, bu da deneyin daha önce görülmemiş bir doğruluk seviyesinde yapılmasını sağladı. Süper soğuk atomları, ışığın geçmesi için “yarıklar” olarak kullanarak, ışığın dalga-parçacık ikiliğinin, tüm o çelişkili özellikleriyle birlikte, en temel kuantum seviyelerinde bile geçerli olduğunu kanıtladılar.

İlk olarak 1801 yılında İngiliz fizikçi Thomas Young tarafından gerçekleştirilen çift yarık deneyi, kuantum dünyasında ışığın ikili doğasını gösterir. Bir ışık demeti—doğrudan bir yolu izleyen foton “parçacıkları”—iki paralel yarıktan bir ekrandan geçirildiğinde, çıkış tarafında iki göze hitap eden bir girişim modeli, sanki “dalga” gibi gözüken bir birleşim görülür. Ancak bu gizemli geçişi yakalamak için deliğe bakmayı denediğinizde, girişim modeli kaybolur.

Einstein’ın temel rakibi Niels Bohr, sonuçları  tamamlayıcılık olarak tanımlamıştır; kuantum sisteminin tamamlayıcı özelliklerinin aynı anda ölçülemeyeceği fikri. Ancak Einstein, bir yay ile tutturulmuş ince bir yarığa ışık çarptığında, bireysel fotonların yayı parçacık benzeri bir şekilde titreteceğini öngörmüştü. Bu şekilde ışığın ikili doğasını izleyebilmeliyiz diye düşündü.

Bu hipotezi test etmek için, MIT ekibi deney düzeneklerini tek atom seviyesine indirgedi ve bu atomları mikrokelvin sıcaklıklarına kadar soğuttular (bir kelvinin -460 Fahrenheit veya -272 Santigrad derecesine eşdeğer olduğunu belirtmek gerekir). Lazerleri kullanarak, >10,000 atomu düzenli, kristal benzeri bir dizilimde yerleştirdiler. Bu son derece kontrollü ortam, araştırmacıların her bir atomun “bulanıklık” seviyesini, yani yerlerinin belirli olma seviyelerini ayarlamalarını sağladı. Daha bulanık bir atom, bir fotonun geçişi sırasında parçacık benzeri davranış sergileme olasılığını artırır.

“Bu tekil atomlar, mümkün olan en küçük yarıklar gibidir,” dedi Wolfgang Ketterle, çalışmanın kıdemli yazarı, MIT News’e. Atomik “yarıklar” üzerine tekrar tekrar foton bombardımanı yaparak, 2001 Nobel ödüllü Ketterle ve ekibi, atomik yarıklardan saçılan fotonların kırınım desenlerini kaydedebildi.

Beklendiği gibi, buldukları şey, Bohr’un doğru olduğuydu. Bir bireysel fotonun yoluna daha fazla yakınlaştıkça, kırınım deseni zayıfladı, ışığı hem dalga hem de parçacık olarak aynı anda gözlemleyemeyeceğimizi teyit etti. Atomları yerinde tutan lazerleri kapatmayı da denediler—düzeneklerindeki “yay”dı bu. Yine de, bir fotonun yolunu, dalga benzeri girişim desenini bozmadan izlemek imkansızdı.

“Birçok tarife göre, yaylar önemli bir rol oynar. Ama biz gösterdik ki, hayır, burada yaylar önemli değil; önemli olan sadece atomların bulanıklığıdır,” diyerek açıkladı Vitaly Fedoseev, çalışmanın başyazarı, yine MIT News’e. “Bu nedenle, fotonlar ve atomlar arasındaki kuantum korelasyonlarını kullanan daha derin bir açıklamaya [Bohr’un tamamlayıcılığı gibi] ihtiyaç vardır.”

Einstein bazen kuantum fiziğinden nefret etmekle suçlanır. Bu pek de doğru değil. Einstein, özellikle rastlantısallığa olan aşırı bağımlılığı konusunda kuantum teorisinin daha fazla çalışılması gerektiğine inanıyordu—ama asla geçerliliğini tamamen reddetmedi. Fizikçi Max Born’a yazdığı ünlü bir mektupta belirttiği gibi, kuantum mekaniği “kesinlikle etkileyicidir,” fakat içgüdüleri bunun “henüz gerçek şey olmadığını…[Tanrı’nın] zar atmadığını” söyler.

Einstein’ın kuantum mekaniği hakkında birçok sorusu vardı ve birçoğu hala yanıtlanamamış durumda. Einstein-Bohr tartışması ve yeni MIT bulgusu gösteriyor ki, onun fizikçilerin kanıksadıkları şeylere dair titiz, kışkırtıcı itirazları, kuantum mekaniğinin tuhaf, paradoksal dünyasına dair anlayışımızı ilerletmeye devam ediyor.