Işık dalga mı, parçacık mı?

Kanca

Karanlık bir odada, üzerinde birbirine çok yakın iki ince yarık açılmış bir kartona lazer ışığı tut. Arkadaki duvarda iki parlak çizgi bekleyebilirsin. Oysa duvarda, aydınlık ve karanlık şeritlerin sırayla dizildiği uzun bir desen belirir.

Şimdi aynı deneyi ışığı o kadar zayıflatarak yap ki yarıklardan her seferinde tek bir ışık parçası geçsin. Duvara yerleştirdiğin hassas bir algılayıcıda tek tek noktalar belirir, tıpkı atılan bilyelerin bıraktığı izler gibi. Ama yeterince bekleyince bu noktalar yine aynı şeritli deseni oluşturur. Işık bazen dalga, bazen parçacık gibi davranıyor.

Merkezi soru

Işık hangi deneylerde dalga gibi, hangilerinde parçacık gibi davranır ve bu iki davranış aynı şeyde nasıl bir arada bulunabilir?

Anlatım

İki eski fikir

On yedinci yüzyılın sonunda ışığın ne olduğu üzerine iki fikir yarışıyordu. Isaac Newton, ışığın kaynaktan fırlayan çok küçük parçacıklardan oluştuğunu savundu. Işığın düz çizgiler boyunca ilerlemesi ve keskin gölgeler oluşturması bu fikre uyuyordu. Hollandalı bilim insanı Christiaan Huygens (okunuşu "Kristiyan Hoyhens") ise ışığın bir dalga olduğunu, tıpkı suda yayılan kıpırtılar gibi ilerlediğini düşündü.

Newton'un ünü o kadar büyüktü ki parçacık fikri yüz yıldan uzun süre üstün geldi. Yeni bir deney bu dengeyi bozana kadar.

Young'ın iki yarığı

1801 ile 1803 arasında Londra'da ders veren İngiliz hekim ve bilim insanı Thomas Young (okunuşu "Tamıs Yang"), ışığı birbirine yakın iki aralıktan geçirdi. Arkadaki perdede iki aydınlık çizgi yerine, aydınlık ve karanlık şeritlerden oluşan bir desen gördü.

Bu desenin anlamını anlamak için bir limanı düşün. Denizden gelen dalgalar, liman duvarındaki iki dar aralıktan içeri girer. Her aralık, içeride yarım daireler hâlinde yayılan yeni bir dalga kaynağı gibi davranır. İki dalga dizisi karşılaştığı yerlerde, bir dalganın tepesi öbürünün tepesiyle buluşunca su daha çok kabarır. Bir dalganın tepesi öbürünün çukuruyla buluşunca ikisi birbirini söndürür ve su durgun kalır. Limanın iç kıyısında, kabaran ve durgun bölgeler sırayla dizilir.

Dalgaların birbirini güçlendirip söndürmesine girişim (interference) denir. Young'ın perdesindeki aydınlık şeritler dalgaların birbirini güçlendirdiği, karanlık şeritler söndürdüğü yerlerdi. Parçacıklar böyle bir desen oluşturamazdı: iki aralıktan atılan kum taneleri, perdede yalnızca aralıkların karşısında iki yığın bırakırdı.

Young'ın çalışması başta ilgi görmedi; Newton'a karşı çıktığı için sert eleştirildi. Ancak on yıldan uzun bir süre sonra Fransız fizikçi Augustin Fresnel (okunuşu "Ogüsten Frenel") ışığın engellerin kenarından nasıl büküldüğünü dalga kuramıyla açıklayınca, dalga fikri güç kazandı. On dokuzuncu yüzyılın ortasında İskoç fizikçi James Clerk Maxwell, ışığın elektrik ve manyetizmanın birlikte yayılan bir dalgası olduğunu gösterdi. Tartışma bitmiş görünüyordu.

Metalden fırlayan elektronlar

Yüzyılın sonunda bir bulmaca ortaya çıktı. Bir metal yüzeye ışık düşünce yüzeyden elektronlar fırlayabiliyordu; buna fotoelektrik etki denir. Işık yalnızca bir dalga olsaydı, daha parlak ışığın her zaman daha çok elektron koparması beklenirdi. Oysa belli bir renkten daha kırmızı ışık, ne kadar parlak olursa olsun, tek bir elektron bile koparamıyordu. Daha mavi ışık ise çok sönük olsa bile elektronları hemen koparıyordu.

Albert Einstein 1905'te bu bulmacayı çözdü. Işığın enerjisi belli büyüklükte paketler hâlinde taşınıyordu. Her paketin enerjisi ışığın rengine bağlıydı: mavi ışığın paketleri kırmızı ışığınkilerden daha enerjiliydi. Bir elektronu koparmak için tek bir paketin yeterli enerjiyi taşıması gerekiyordu. Kırmızı ışığın paketleri çok sayıda da olsa bu eşiği aşamıyordu. Bugün bu ışık paketlerine foton (photon) diyoruz. Einstein 1921 Nobel Fizik Ödülü'nü görelilik kuramı için değil, fotoelektrik etkinin yasasını bulduğu için aldı.

İkisi birden

Böylece ışık iki ayrı deneyde iki ayrı yüzünü gösterdi. İki yarıkta dalga gibi girişim yapıyor, metal yüzeyde parçacık gibi enerjisini tek tek paketler hâlinde bırakıyordu. Kancadaki deney, bu iki yüzün aynı anda göründüğü yerdir.

Fotonlar yarıklara birer birer gönderildiğinde her biri algılayıcıda tek bir noktaya düşer; hiçbir foton ikiye bölünmez. Tek bir fotonun nereye düşeceğini önceden söylemek mümkün değildir. Ama binlerce foton biriktikçe noktalar Young'ın şeritli desenini oluşturur. Her foton, tek başına gelmesine rağmen, iki yarıktan birden geçen bir dalganın izlediği kurala uyar. Işığın nereye düşme olasılığı dalga gibi yayılır; ışık bir yere ulaştığında ise parçacık gibi tek bir noktada yakalanır. Bu davranışa ışığın ikili doğası denir ve kuantum fiziğinin temel taşlarından biridir.

Gökbilimde iki yüz

Gökbilimciler ışığın iki yüzünü her gün kullanır. Teleskobun ne kadar ince ayrıntı gösterebileceği, ışığın dalga oluşundan gelen bir sınıra bağlıdır: ışık teleskobun açıklığından geçerken hafifçe yayılır ve bir yıldızın görüntüsü hiçbir zaman sonsuz küçük bir nokta olamaz. Bu yüzden daha büyük aynalı teleskoplar daha keskin görüntüler verebilir.

Öte yandan modern teleskopların kameraları ışığı foton foton sayar. Çok uzak ve sönük bir galaksiden saatler boyunca gelen fotonlar tek tek toplanarak bir görüntü oluşturulur. Ders 5.8'de sözünü ettiğimiz otuzuncu kadirdeki cisimler, bu sabırlı foton sayımıyla görülebilir.

Aslında…

Bu tuhaflık yalnızca ışığa özgü de değildir. Elektronlar gibi madde parçacıkları da iki yarıktan birer birer gönderildiğinde benzer bir girişim deseni oluşturur.

Büyük resim

Işık, evrenden bize ulaşan en önemli habercidir. Yıldızların, galaksilerin ve uzak gaz bulutlarının hemen hepsini, bize gönderdikleri ışıkla tanırız. Işığın ne olduğunu anlamak, bu haberciyi okuyabilmenin ilk adımıdır.

Işığın ikili doğası, bilimin nasıl ilerlediğinin de bir örneğidir. Newton ile Huygens arasındaki tartışma iki yüzyıl sürdü ve sonunda iki taraf da kısmen haklı çıktı. Doğa, bizim gündelik kavramlarımızdan daha zengindir; bilim insanları bu kavramları doğaya uydurmak yerine, deneylerin gösterdiğine göre yeni kavramlar geliştirir.

Özet

1. Young'ın iki yarık deneyi, ışığın girişim yaptığını, yani dalgalar gibi birbirini güçlendirip söndürebildiğini gösterdi.
2. Einstein 1905'te fotoelektrik etkiyi açıkladı: ışık enerjisini, gücü rengine bağlı paketler hâlinde, yani fotonlarla taşır.
3. Işık tek bir şeydir ve iki davranışı birden taşır: yayılırken dalga gibi girişim yapar, algılandığında parçacık gibi tek bir noktada yakalanır.

Görev

Quiz

1. Newton ve Huygens ışığın ne olduğu konusunda hangi fikirleri savundu?
2. Young'ın deneyinde perdede görülen aydınlık ve karanlık şeritler neyi gösterir?
3. Fotoelektrik etkide kırmızı ışık, ne kadar parlak olursa olsun, neden elektron koparamıyordu?
4. Einstein Nobel Ödülü'nü hangi çalışması için aldı?
5. Fotonlar iki yarıktan birer birer gönderildiğinde ne olur?

Cevaplar

1. Newton ışığın küçük parçacıklardan oluştuğunu, Huygens ise ışığın suda yayılan kıpırtılar gibi bir dalga olduğunu savundu.
2. Girişimi; dalgaların birbirini güçlendirdiği yerlerde aydınlık, söndürdüğü yerlerde karanlık şeritler oluşur ve bu, ışığın dalga gibi davrandığını gösterir.
3. Çünkü ışığın enerjisi paketler hâlinde taşınır ve kırmızı ışığın her bir paketi bir elektronu koparacak kadar enerji taşımaz; paketlerin sayısını artırmak bunu değiştirmez.
4. Fotoelektrik etkinin yasasını bulduğu için.
5. Her foton algılayıcıda tek bir noktaya düşer; ama çok sayıda foton biriktikçe noktalar girişim desenini oluşturur.

Kaynaklar

Sonraki derse köprü

Bu derste ışığın rengini, fotonun taşıdığı enerjiye bağladık: mavinin paketleri kırmızınınkilerden daha güçlüydü. Ama gökkuşağındaki renkler ışığın tamamı değil. Kırmızının ötesinde ve morun ötesinde de ışık var; gözümüz onları göremiyor, ama evren o ışıklarla da konuşuyor. Gözümüz bu geniş yelpazenin ne kadarını görebiliyor?