Kuantum Çift Yarık Deneyi Gerçeklik Nasıl Bükülür ?

Kuantum bilgisayar, kuantum iletişim gibi kuantum teknolojilerini anlayabilmek için kuantum süperpozisyonun kabaca ne olduğunu, klasik olasılık problemlerinden farkının ne olduğunu bilmek şart.
Süperpozisyon foton, fonon, elektron vs. gibi parçacıklar için geçerli olan bir duruma verilen isim. Bir parçacığın kuantum durumunun aynı anda farklı durumlarda olabilmesi anlamına geliyor. Klasik durumda (mesela bir bit) sadece iki durumdan birini (0 veya 1, açık veya kapalı) alabilirken, kuantum bit (kubit) aynı anda hem 0 hem de 1 durumunda olabiliyor.

Kuantum süperpozisyonu anlamak için çift yarık deneyi çok güzel bir örnek. Bu deney ayrıca modern fiziğin temel taşlarından olan dalga/parçacık ikiliğini de çok güzel bir şekilde ortaya koyuyor. Deney için bir parçacık (elektron) kaynağı, üstünde çok ufak yarıklar oluşturacağımız bir perde ve parçacıkların çarptıkları zaman aydınlık bir iz bırakacağı bir ekran gerekiyor. Önce perdenin tam ortasına attığımız tek yarık ile başlıyoruz. Elektronlar yarıktan geçip ekranın üstünde tam yarığın karşısında olacak şekilde iz bırakıyorlar. Bu iz kırınım etkilerinden dolayı yarıktan biraz daha geniş. Beklendiği gibi bir sonuç, bir sıkıntı yok. Çift yarıklı bir perdede deneyi tekrarladığımız zaman elektronların parçacık olmalarından ötürü bir değil iki tepeli bir desen görmeyi bekliyoruz. Fakat böyle olmuyor.
Orijinal çift yarık deneyini yapan Thomas Young, tek ışık kaynağı olarak, iğne deliğinden geçen Güneş ışığını kullanmıştır. Günümüze kadar bu deneyin sayısız versiyonu üretilmiş, konunun birçok yeni açısı keşfedilmiştir.
Young’ın orijinal deneyinde iğne deliğinden yayılan ışık, üzerinde birbirine yakın iki iğne deliği bulunan ve deliklerin ilk kaynağa uzaklıkları eşit olacak şekilde yerleştirilen saydam olmayan bir engele düşürülür. Birinci iğne deliğinden herhangi bir anda çıkan ışık diğer iki iğne deliğinden aynı anda geçeceği için iki iğne deliğinden çıkan ışık o anda aynı fazda olur ve ekranda girişim çizgilerinin yeri değişmez; girişim saçakları gözlemlenir.

Olasılık dalgası veya de Broglie dalgası, ne elektromanyetik ne de mekanik bir dalgadır. Parçacığın belirli bir anda, bir konumda bulunma olasılığını veren dalgadır. Parçacığa eşlik eden dalga paketleri olarak yayılırlar ve grup hızı ile hareket ederler. Bir elektron, tek bir noktada değil de değişik noktalarda, aynı anda bulunabilir.
Max Born, Broglie dalgalarının fiziksel bir dalga değil de olasılık dalgaları olarak yorumlanması gerektiği düşüncesini ortaya atmıştı. Born’un yorumuna göre, parçacıklar, Broglie dalgalarının bulunduğu her yerde bulunur. Dalgaların güçlü olduğu yerde yüksek olasılıkla, zayıf bulunduğu yerlerde ise düşük olasılıkla bulunur. Böylece parçacığın konumu da doğal bir belirsizlik taşır. Yani, bir fiziksel sistem için Schrödinger dalga denkleminin birden fazla çözümü olabilir ve her bir çözümün lineer toplamı da yine bir çözümdür. Biz bunu, “üst üste binme” yada “süperpozisyon” ilkesinin matematiksel anlatımı olarak değerlendirmeliyiz.
Belirtildiği gibi, Born yorumu işe olasılıkları katar. Bu yorumlara göre bir fiziksel sistemin tüm olası durumları bir genlikle, daha doğrusu bir dalga ile temsil edilebilir. Sistem hakkında tüm bilgileri veren dalga fonksiyonu ise tüm olası durumları temsil eden dalgaların üst üste binme halidir. Sistemle ilgili bilgi edinmek için tek yapılması gereken şey, bir ölçüm ya da gözlemdir. Ancak yapılacak bir ölçüm sistemi geri dönülmez şekilde değiştirir. Ölçüm sonucu elimize bir değer geçer; ama bu olası değerlerden sadece biridir ve hangi olası sonucu elde edeceğimizi de kesinlikle belirleyemeyiz. Kısaca, yapılan ölçüm, sistemin bilgisini tek bir değere indirgemiştir ve diğer tüm bilgiler silinmiştir. Üstelik aynı sistem üzerinde tekrar bir ölçme şansı yoktur; çünkü artık sistem değişmiştir, yani sistem aynı sistem değildir. Bu duruma dalga fonksiyonunun “çöküşü” yada “indirgenmesi” deriz. Bu durum, bir ”gözlenebilir”e karşılık gelen işlemcinin, dalga fonksiyonuna etki edip, onu başka bir fonksiyona taşımasının felsefi yorumudur.
Yorum katacağımız noktaya gelirsek: Parçacıklar tek tek atılırken, “yarıkların ikisinden de geçmeleri” gibi oldukça kesin bir ifadeyi kullanıyoruz; ancak kullandığımız araçlar ne kadar hassas; parçacıkların olağanüstü hızlarıyla beraber, hareketlerini tam olarak algılayabilir mi; tartışılır; tartışılmalıdır da.

Maddenin doğası ile ilgili ikilik fikri ilk olarak 17. yüzyıldaki ışık ve maddenin doğası tartışmalarına dayanır (Huygens&Newton). 1803’de ise fizikçi Thomas Young tarafından gerçekleştirilen “Çift Yarık”, diğer bir adıyla “Çift Delik” deneyi, maddenin doğasında yer alan bu ikiliği ortaya koymak için yapılan başlangıç çalışmalarından biridir. Young, deney düzeneğinde tek ışık kaynağı olarak, iğne deliğinden geçen güneş ışığını kullanmıştır. İğne deliğinden yayılan ışık, üzerinde birbirine yakın iki iğne deliği bulunan ve deliklerin ilk kaynağa uzaklıkları eşit olacak şekilde yerleştirilen saydam olmayan bir engele düşürülür. Birinci iğne deliğinden herhangi bir anda çıkan ışık, diğer iki iğne deliğinden aynı anda geçeceği için, iki iğne deliğinden çıkan ışık o anda aynı fazda olur ve ekranda girişim saçakları (deseni) gözlemlenir (şekil 1). Young’ın çift yarık deneyinde sadece ışık üzerine denemeler yapılmıştır. Ta ki, 1961’de Clauss Jönsson bunu o zamana kadar parçacık tanımına uyan elektronlarla deneyene kadar.

Yeni deneyin tam olarak anlaşılabilmesi için parçacıkların nasıl davrandıklarının görülmesi gerekmektedir. Bir elektron tabancasından (Eski tip televizyonlardaki katot ışın tüpü de diyebiliriz.) gönderilen elektronlar sadece tek bir yarıktan geçirilirse gözlem plakasında çarpma sonucu oluşan noktalar en sonunda düz bir çizgi oluşturur (şekil 2). Diğer bir deyişle, yarıktan geçebilen elektronlar tek bir doğrultuda ilerler. Benzer şekilde yarığa ışık gönderildiğinde plakada yine düz bir çizgi görülür. Bu çizgi ışığın en yoğun olduğu bölgedir.
Yarık sayısı ikiye çıkartıldığı zaman ışığın dalga özelliğinden dolayı, bir girişim deseni oluşturduğu Young’ın deneyinde gösterilmişti. Bu durumda çift yarığa elektron gönderildiğinde, düz bir doğrultuda sadece iki yarığın birinden geçebilecekleri için iki sütundan oluşan bir görüntü elde edilmeliydi. Fakat elde edilen bir girişim deseniydi.Nasıl oluyor da madde parçacıkları tıpkı dalgalar gibi bir girişim deseni oluşturuyordu? İlk akla gelen elektronların toplu halde gönderildiğinde birbirlerine çarpıp doğrultu değiştirdikleriydi. Ancak elektronlar çift yarığa tek tek gönderildiğinde de sonuç değişmemişti (şekil 4). Dönemin bilim insanları elektronların nasıl bir hareket yaptığını gözlemlemek için sisteme bir dedektör eklediklerinde ise elektronlar bu kez parçacık gibi davranıp doğrultu değiştirmeyerek iki sütun oluşturdular. Deney yakından gözlendiğinde bir şeyler değişmişti.
Tüm bu elde edilen sonuçların yorumlanması gerekiyordu. Bu nedenle fizikçi Niels Bohr tarafından oluşturulan konsey Kopenhag Yorumu adı verilen kuantum mekaniğinin görüş ve ilkeler dizisini yayınladı. Deneyin sonuçları buna göre şöyle maddelenebilir:
1. Makroskopik sistemler klasik fizik kuralları, mikroskopik sistemler ise kuantum mekaniğinin ilkeleri ile değerlendirilmelidir. Yani aynı deneyi elektrondan çok çok daha büyük parçacıklar olan bilyeler ile yaparsak ekranda göreceğimiz girişim deseni değil iki adet çarma sütunudur.
2. Bir mikroskopik sistemin konum ve momentum gibi durumlarını içeren bir dalga fonksiyonu vardır. Mikroskopik bir sistem olan elektrona da bir dalga fonksiyonu eşlik etmektedir hatta kendisi bir potansiyeller dalgasıdır.
3. Dalga fonksiyonunun normalizasyonu sistemin belli bir noktada değil, bölgede olduğunu söyler. Yani elektron parçacık olarak tabancadan çıkıyor ancak aynı zamanda bir potansiyeller dalgası olduğu için yarıklara ulaştığında her ikisinden de aynı anda geçerek kendisi ile girişiyor ve ekranda girişim deseni oluşturuyor.
4. Gözlemler dalga fonksiyonunu çökertir. Bir niceliği gözlemek üzerine ışık tutmak anlamına gelir ve elektron, foton ile etkileşebilecek kadar küçüktür. Bu etkileşim sonucu dalga fonksiyonu özelliğini kaybeder ve sadece parçacık özelliği gösterir.
Sadece tek bir deneyden dahi, böylesine büyüleyici sonuçların elde edilebilmesi, madde nedir sorusunun cevabının “hem dalga-hem parçacık” olduğunu göstermektedir. Görebildiğimiz makro evren yani biz ve çevremiz, matematiksel ve fiziksel olarak daha genel bir küme olan mikro evrenin özel bir durumuyuz. Sadece maddesel dalga boyumuz çok küçük olduğu için tamamen ihmal edilebilir bir dalga özelliğimizin yanında, tamamen parçacık özelliği gösteriyoruz.

Bugün elektron, proton gibi parçacıkların bazen madde bazense dalga gibi davranması maddenin ikili doğası olarak adlandırılıyor. Örneğin elektronlar çift yarık deneylerinde dalga gibi davranmalarına rağmen tek yarık deneylerinde madde gibi davranır. Çift yarık deneylerinde bir girişim deseni oluşurken tek yarık deneylerinde oluşmaz.