Çift Yarıkta Girişim (Young Deneyi)

Thomas Young, 13 Haziran 1773’te İngiltere’nin Somerset bölgesindeki Milverton kasabasında doğmuş İngiliz bir hekim ve fizikçiydi. On çocuklu bir ailenin en büyük çocuğuydu ve zekasıyla küçük yaşta bile oldukça dikkat çekti. 16 yaşına geldiğinde Latince ve Yunanca öğrenmiş Fransızca, İtalyanca, İbranice, Almanca, Keldanice, Süryanice, Sümerce, Arapça, Farsça, Türkçe ve diğer dillerle ilgilenmişti. Tıp okumak üzere 1792’de Londra’ya, 1794’te Edinburg’a gitti. 1795’te Almanya’da Göttingen Üniversitesine başladı ve bir yıl sonra fizik doktoru derecesini elde etti. 1797 yılında Cambridge Üniversitesine bağlı Emmanuel College’da çalışmaya başladı. Tıp alanına oldukça meraklıydı ama en çok merak ettiği şeylerden biri görmekti, görmenin nasıl gerçekleştiğiydi. Bu merakı üzerine göz ve görmek üzerine çalışmalar yapmaya başladı ve bir süre sonra optik ve elektrodinamik üzerine de çalışmalar yapmaya başladı. 1800’de yayınladığı makalesinde ışığın yalnızca parçacıklı değil, dalgalı bir yapısı olduğunu da iddia etti. 1801 yılında astigmatı tanımlayan ilk kişi oldu. Aynı zamanda gözün çalışma mekanizması, renkli görme, Mısır hiyeroglifleri, müzikal armoni, dilbilim gibi pek çok alanda da çalışmalar yaptı.

Çift yarıkta girişim deneyi de ilk kez 1801 yılında Thomas Young tarafından gerçekleştirildi. Bu deney hem klasik optik hem de kuantum mekaniği açısından büyük bilgiler ve ayrıntılar içerir. Işığın ve maddenin dalga doğasını kanıtlayan ve fizik dünyasının en temel deneylerinden biridir. Işığın doğası üzerine Newton “parçacık”, Huygens ise “dalga” modelini savunmuştur. Thomas Young bir iğne deliğinden geçen güneş ışığını kullanarak yaptığı deneyle ışığın girişim yaptığını kanıtlamış ve dalga modelinin üstünlüğünü ortaya koymuştur.

Işık, dalga yapısı nedeniyle birbiriyle karşılaştığında etkileşime girer. Bu etkileşimi yani girişim olayını net bir şeklide gözlemleyebilmek için “aynı fazlı” ve “tek renkli” iki ışık kaynağına ihtiyaç vardır. Deney tek bir ışık kaynağı, üzerinde birbirine çok yakın iki dar yarık bulunan bir engel ve ışığın üzerine düşeceği bir perdeyle gözlemlenebilir. Işık kaynağından çıkan ışınlar engel üzerine gönderilir ve bu iki yarık Huygens ilkesine göre aynı fazda çalışan iki yeni kaynak olarak davranır. Yarıkların arkasındaki ekranda ışığın dalgalar halinde yayılıp birbiriyle girişmesi sonucu aydınlık ve karanlık şeritler oluşur. Ekranda oluşan bu desen, dalgaların üst üste binmesi (süperpozisyon) ilkesine dayanır. İki kaynaktan gelen dalgaların tepe noktaları veya çukur noktaları aynı noktada buluştuğunda birbirlerini güçlendirirler ve bu noktalarda aydınlık saçaklar (yapıcı girişim) oluşur. Bir dalganın tepesi ile bir diğerinin çukuru karşılaştığında dalgalar birbirlerini sönümler ve bu noktalarda karanlık saçaklar (yıkıcı girişim) oluşur.

Bu girişim desenini belirleyen temel unsur iki yarıktan çıkan ışınların ekrandaki bir noktaya ulaşırken katettikleri yol farkıdır (Δs).  Bir yerde aydınlık saçak oluşması için o noktada yol farkının ışığın dalga boyunun tam katlarına eşit olması Δs=n⋅λ (n=0,1,2...) gerekirken karanlık saçak için yol farkının dalga boyunun yarım katlarına eşit olması Δs=(n−1/2)⋅λ gerekmektedir. Saçak genişliği ise ardışık iki aydınlık veya iki karanlık saçak arasındaki mesafedir. Formülü Δx=d⋅n/λ⋅L   ‘dir   (λ: Işığın dalga boyu. L: Yarıklar düzlemi ile ekran arasındaki mesafe. d: İki yarık arasındaki mesafe n: Ortamın kırıcılık indisi).  Herhangi bir aydınlık saçağın merkez doğrusuna uzaklığı xn=n⋅Δx formülüyle hesaplanır. Aydınlık saçaklar merkezi saçağın her iki yanında simetrik olarak yer alır. 1. aydınlık saçağın merkeze uzaklığı 1Δx, 2. aydınlık saçağın merkeze uzaklığı ise 2Δx kadardır ve aralarındaki fark tam olarak bir saçak genişliği (1Δx) olur. Ancak bu iki saçak merkezi aydınlık saçağın zıt taraflarda yer alması durumunda aralarındaki toplam mesafe merkeze olan bireysel uzaklıklarının toplamı (1Δx+2Δx) sonucunda saçak genişliğinin 3 katına (3Δx) karşılık gelir.

Bu formüllerin dışında girişimin desenini etkileyen ve değiştiren bazı etkenler ve değişkenler de vardır. Işığın rengi yani örneğin kırmızı ışığın dalga boyunun büyük olduğu için saçakları genişken mor ışığın dalga boyu küçük olduğu için saçakları daha dardır. Yarıklar arası mesafe azaldıkça saçak genişlikleri artar ve girişim desenleri yayılır. Ortamın değişmesi yani yarıklar ile ekran arasına su gibi kırıcılığı yüksek bir maddenin girmesi ışığın dalga boyunu küçülteceği için saçakları da daraltır. Yarıklardan birinin önüne ince bir saydam madde konulduğunda ise o koldaki ışık gecikir ve merkezi aydınlık saçağı geciken kaynak önüne kayar. Bunlar girişim desenini etkileyen faktörler olarak söylenebilir.

Işığın çift yarık girişiminde frekans ve renk ekranda oluşan girişim deseninin genişliğini ve dizilimini belirlemede oldukça önemli unsurlardır. Renk ışığın frekansı ve dalga boyu ile doğrudan ilişkilidir. Girişim deseninde saçak genişliği ışığın dalga boyuyla doğrudan orantılıdır. Işığın rengi değiştikçe dalga boyu da değişir ve bu değişim saçakların ekranda ne kadar yayılacağını belirler. Örneğin kırmızı ışık düşük frekansa ve en uzun dalga boyuna sahiptir, bundan dolayı kırmızı ışıkla yapılan deneyde saçak genişliği en büyüktür. Buna karşıt olarak ise mor ışık en yüksek frekansa ve en kısa dalga boyuna sahiptir, bu yüzden mor ışıkta saçaklar birbirine daha yakın ve daha dar olur. Bu şekilde farklı renkler kullanıldığında merkezi aydınlık saçağının yeri hiçbir zaman değişmez çünkü bu noktada yol farkı her zaman sıfırdır. Merkezi saçak dışındaki tüm aydınlık ve karanlık saçakların yerleri kullanılan ışığın frekansına (dalga boyu) bağlı olarak değişir. Dalga boyu arttıkça saçaklar merkezden dışarı doğru açılır. Eğerki deney beyaz ışıkla yapılırsa girişimin deseni renkli görünür. Bunun sebebi beyaz ışığın tüm görünür renklerin karışımı olmasıdır. Merkezi saçak tüm renklerin tepe noktalarının üst üste binmesiyle yine beyaz kalırken merkezin sağında ve solunda her rengin kendi dalga boyuna göre oluşturduğu farklı genişlikteki saçaklar birleşerek gökkuşağına benzer renkli bir desen oluşturur. Bu deneyde girişim desenini en net gözlemlememizi sağlayacak ışık kaynakları lazerlerdir diyebiliriz. Çünkü çok dar bir frekans aralığına sahip nerdeyse mükemmel tek renkli ışık üretirler. Örneğin He-Ne lazeri sabit dalga boyuyla oldukça net ve belirgin saçaklar oluşturur.

Çift yarık deneyi sadece ışıkla değil, elektronlar gibi parçacıklarla da aynı sonucu verir. Elektronlar tek tek fırlatıldığında bile zamanla ekranda bir girişim deseni oluştururlar. Bu durum tek bir elektronun bile dalga gibi davranarak her iki yarıktan aynı anda geçtiğini ve kendi kendisiyle girişim yaptığını gösterir. Eğer bilim insanları elektronun hangi yarıktan geçtiğini anlamak için yarıklara bir dedektör yerleştirirse girişim deseni aniden yok olur. Elektronlar artık dalga gibi değil parçacık gibi davranarak ekranda sadece iki düz çizgi oluşturur. Sadece bakmak veya ölçmek kuantum olasılık dalgasını çökerterek sistemi tek bir fiziksel gerçekliğe zorlar. Bu durum kuantum fiziğinde ölçüm problemi olarak bilinir. Güncel fizik yorumları, gözlemcinin bilincinden ziyade elektronun çevreyle etkileşime girmesinin bu dalga özelliğini bozduğunu ve parçacık davranışına yol açtığı savunur. Richard Feynman ise parçacığın a dan b ye giderken aslında mümkün olan tüm yolları aynanda izlediğini ileri sürmüştür.

17. yüzyılda ışığın doğası üzerine iki baskın görüş vardı. Isaac Newton ışığın küçük toplar gibi hareket eden parçacıklardan oluştuğunu savunuyordu, bu modelleme ışığın doğrusal yayılmasını ve yansımayı açıklayabiliyordu. Buna karşıt olarak Christiaan Huygens ise ışığın tıpkı su dalgaları gibi yayılan bir dalga olduğunu söyledi, Huygens’e göre ışık uzayı dolduran eter adlı ortamda titreşerek ilerliyordu. Newton’un bilimsel otoritesi nedeniyle tanecik modeli uzun süre kabul görse de 1802 yılında Thomas Young tarafından yapılan çift yarık deneyi dalga modelinin doğru olduğunu kanıtlamış oldu. Young eğer ışık bir dalga ise iki kaynaktan gelen dalgaların birbirini ya güçlendirmesi ya da sömürmesi gerektiğini biliyordu. Young tek bir ışık kaynağını iki ince yarıktan geçirdiğinde ekranda Newton’un öngördüğü üzere iki düz çizgi görmek yerine birbirini izleyen karanlık ve aydınlık şeritler gördü. Bu girişim deseni sadece ışığın dalgalar halinde üst üste binmesi ile açıklanabilirdi ve bu sayede ışığın dalgasal olması netleşmiş oldu. Young bu deneyi sadece modelin doğruluğunu kanıtlamakla kalmadı, aynı zamanda ışığın dalga boyunun ilk kez ölçülmesini sağladı. Dalga modeli 19. Yüzyıl boyunca hakimiyetini sürdürdü fakat 20. Yüzyılın başlarında olaylar daha karmaşık bir hal aldı. 1905’te Einstein ışığın foton adı verilen enerji paketçiklerinden oluştuğunu ileri sürerek parçacık fikrini geri getirdi. Louis de Broglie ise 1924’te sadece ışığın değil elektronlar gibi bütün maddelerinde dalga özelliğine sahip olması gerektiğini ileri sürdü. Bu durum elektronların da çift yarıkta girişim deseni oluşturmasını başarıyla açıkladı. Sonuç olarak evrenin ya o ya bu değil de hem o hem bu olduğu anlaşılmış oldu. Çünkü ışık bazı deneylerde dalga gibi davranıyorken bazı deneylerde parçacık gibi davranıyordu.