Thomas Young’un Çift Yarık Deneyi – Işık Bir Dalga Mı?

Fizik alanında ışığın dalga mı yoksa parçacık mı olduğu konusu yüzyıllar öncesine kadar dayanmaktadır. Bu konuda net bir görüş ortaya koyup, deneylerle görüşünü ispatlamaya çalışan kişilerden biri de 17.yüzyılda yaşamış büyük doğa filozofu Isaac Newton‘dur.

Isaac Newton, ışık ve renk fenomenlerinin doğasına ilişkin yaptığı prizma deneyinden hareketle ışığın bir parçacıklardan oluştuğu sonucuna varmıştı. Bir diğer ifadeyle ışık, parçacık özelliği göstermekteydi. Newton’un bu teorisi, Işığın Parçacık Teorisi adıyla bilinmektedir.

Newton’un, Evrensel Kütleçekimi Yasası’nı keşfetmesiyle birlikte bilim dünyasında sahip olduğu prestij sayesinde, ortaya attığı fikirler ve hipotezlere çok önem veriliyor ve geniş bir destek buluyordu.

Görsel: Newton, prizma kullanarak beyaz ışığı gökkuşağı renklerine ayırdığı ünlü deneyinden yola çıkarak, ışığın parçacık özelliği gösterdiğini iddia etmiştir.

Ancak Christiaan Huygens gibi bir avuç bilim insanı Newton’un, ışığın parcacıktan oluştuğunu söyleyen teorisine inanmıyordu. Bunun yerine bu bilim insanları ışığın, tıpkı bir su dalgası ya da ses dalgası gibi bir dalga olduğunu düşünüyordu.

Sonuç olarak ışığın doğasına yönelik doğa filozofları iki kampa bölünmüştü: Birincisi, Newton ve destekçilerinin oluşturduğu, ışığın parçacıklardan meydana geldiğini söyleyenler ve diğer tarafta Huygens’in başını çektiği, ışığın bir dalga özelliği gösterdiğini savunanlar.

Her iki tarafında savunduğu teori için birtakım kanıtların olduğunu söyleyebiliriz. Örneğin bir dalga olduğu bilinen ses, zikzak şeklindeki boruların içinde yol alabiliyorken ışık, yol alamıyordu. Bu olgu, ışığın dalga değil de bir parçacık olduğu şeklinde yorumlanabilirdi.

Fakat “ışığın kırılması” olgusunu parçacık teorisiyle açıklamak da zordu. Kırılma olgusu, ancak ışığın bir dalga oldyğu kabul edilirse açıklanabiliyordu.

Bunun üzerine Newton, ışığın su gibi yoğun bir ortamın içinde hızının azaldığı gerçeğini açıklamak üzere bir takım kuvvetlerin var olduğunu iddia etmek zorunda kalmıştı.

Teorisinin düştüğü bu gibi zor durumlara rağmen Newton, bir bilim insanı olarak o kadar saygı görüyordu ki onun fikirlerine karşı gelmek o dönemde neredeyse imkansızdı. Ancak 1801 yılında genç bir İngiliz bilim insanı Thomas Young, ışığın doğasına ilişkin Newton’un fikirlerine meydan okuyacaktı.

Görsel: 17. ve 18. yüzyıllarda ışığın doğasına ilişkin ortaya konan iki görüşün baş savunucuları Christiaan Huygens ve Isaac Newton.

Çok Yönlü Bir Bilim İnsanı : Thomas Young

Thomas Young, 1773 yılında İngiltere’nin güneybatısındaki Milverton kentinde dünyaya gelmişti. Daha çocuk yaşta dehası ortaya çıkan Young, iki yaşında okumayı öğrenmişti.

1792 yılında tıp öğrenimine başladığı yıllarda, öğrenim hayatında bir öküzün gözünü ikiye ayırıp inceleme gibi çalışmalarda bulunmuştu. Amacı gözün, farklı mesafelerdeki cisimlere nasıl odaklandığını anlayabilmekti.

Tıp alanının yanı sıra Young, dil konusuyla da çok ilgiliydi. Işık ve ses dalgalarına ilişkin duyacağı ilginin temelinin, dil ve göz üzerine yaptığı çalışmalardan geldiğini söyleyebiliriz.

Thomas Young, Newton’un ışık ile ilgili görüşlerine yer verdiği ünlü Optik adlı eserini 17 yaşında okumuştu. Esere ilk baş hayran kalan Young, zamanla Newton’un parçacık teorisinde bazı problemler fark etmeye başladı.

Örneğin ışığın kırılması ya da yansıması gibi fenomenleri parçacık teorisi kolay bir şekilde açıklayamıyordu. Ayrıca ışığın farklı renklerinin neden farklı derecelerde kırıldığını açıklama hususunda da Newton’un parçacık teorisi zorluk çekmekteydi.

Görsel: Thomas Young (1773-1829).

Işık Gerçekten Dalga Özelliği mi Gösteriyor?

Thomas Young, ışığın doğasına yönelik daha ciddi bir biçimde düşünmeye başlamıştı. Ses, havada yayılan bir dalga ise ışığın da bu şekilde bir dalga olabileceğine inanıyordu.

Ses ile ilgili düşüncelerine devam ederken şunu fark etmişti: İki ses dalgası birbirinin içinden geçtiği zaman, birbiriyle karışıyor; bir “girişim” örneği meydana geliyordu. Bunun sonucu olarak da ritim dediğimiz bir uyum ortaya çıkıyordu.

Young, ritmin ışık dalgasındaki karşılığını bilmese de ışığın da ses dalgalarına benzer bir girişim örneği sergileyebileceğini fark etmişti. Çünkü ışığın bir dalga olduğuna inanıyor ve iki ışık dalgası da birleştiği zaman aynı örneğin meydana geleceğine inanıyordu.

Çift Yarık Deneyi

1801 yılının Mayıs ayında, Newton’un deneylerine kafa yorduğu sırada Thomas Young, ışık dalgasının “girişim” örneğini göstermek adına, ünlü çift yarık deneyinin temeli sayılan bir deney gerçekleştirecekti. Deney, ışığın parçacık değil de bir dalga özelliğine sahip olduğunu göstermesiyle sonradan büyük bir ün kazanacaktır.

Young, deneyde şunu kanıtlamak istiyordu: Eğer ışık gerçekten dalga benzeri bir yapıya sahipse o zaman sudaki dalgalara benzer bir şekilde davranmalıdır. Örneğin iki dalga üst üste geldiği zaman, ya birbirini destekleyip büyüyecek ya da birbirini yok edecektir.

Eğer iki dalga birbiriyle uyumlu olursa o zaman daha büyük bir dalga oluşturmak üzere birleşmelidirler. Tersine, uyumlu olmadıkları zaman birbirlerini etkisiz kılarlar ve bir dalga oluşmaz.

Işığın dalga olduğu hipotezini test etmek adına Young’un tasarladığı deney şu şekildeydi: Bir ışık kaynağı olarak Güneş ışığını kullanan Young, ilk olarak ışınların küçük bir yarıktan geçmesini sağlamıştı. Sonra yarıktan geçen ışınları, yan yana yerleştirilmiş çift yarıktan oluşan bir ekrana yönlendirdi.

Çift yarıktan geçen ışınların ise en sonunda bir ekrana yansımasını sağladı. Önceden inanıldığı gibi eğer ışık “parçacıklardan” oluşuyorsa ve yarığın içinden geçecek şekilde gönderildiği zaman, karşı taraftaki duvarda yarığın boyu ve şekline karşılık gelen bir ışık örneği görülmesi gerekiyordu.

Işık Dalga Özelliği Gösteriyor

Ancak Thomas Young’un deney sonunda gördüğü şey tam olarak ışığın dalga özelliğinden beklediği gibiydi: Duvara yansıyan ışık, yan yana olmak üzere karanlık ve aydınlık şeritlerden oluşan bir örnek oluşturmuştu.

Bunun üzerine Young, ışık ancak dalga özelliği gösteriyorsa bu karanlık ve ışık şeritlerin oluşabileceği çıkarımını yapmıştı. Aydınlık ve karanlık şeritleri tanımlamak için de “girişim örneği” ifadesini kullanmayı seçmişti.

Çift Yarık Deneyi olarak adlandırılan bu deney, aşağıdaki görselde daha kolay anlaşılabilir. Güneş ışığı ilk olarak “uyumlu bir hal” almak üzere tek bir yarıktan geçiyor. Bu yarıktan çıkan ışık dalgaları, hemen önlerindeki iki yarıklı bir duvardan geçiyor. En sonda ise, çift yarıktan geçen ışınları yakalamak üzere bir ekran bulunuyor.

Bunun üzerine ekranda kırmızı ve siyah bölgeler meydana geliyor. Kırmızı bölgeler aydınlık kısımları, siyah bölgeler ise karanlık bölgeleri temsil etmektedir. İşte ışığın ekranda meydana getirdiği aydınlık-karanlık bölgeler, girişim örneği olarak adlandırılır.

Işığın deneyin başında tek bir yarıktan geçirilmesinin sebebi, ışık dalgalarının kırılmasını sağlayarak “uyumlu” bir hal almasına neden olmaktır. Ancak bu deney, lazer gibi herhangi bir uyumlu ışık kaynağıyla da doğrudan gerçekleştirilebilir.

1801 yılının Kasım ayında Thomas Young, “Işık ve Renk Teorisi Üzerine” başlıklı makalesini Kraliyet Topluluğu’na sundu. Sunduğu makalesinde, ışık dalgasının girişim örneğini ve gerçekleştirdiği çift yarık deneyinden bahsediyordu.

Young’un bu ikna edici deneyine rağmen insanlar ilk olarak Newton’ın ışığın parçacık teorisinin yanlış olduğunu kabul etmek istemediler. Sürekli gelen eleştirilere ise Young şöyle cevap veriyordu: “Newton’a ne kadar çok saygı duysam da onun hatasız olduğuna inanmak zorunda değilim.”

Thomas Young’un ünlü Çift Yarık Deneyi, ışığın dalga teorisinin anlaşılmasında, aynı zamanda Isaac Newton tarafından öne sürülen, 17 ve 18.yüzyıllarda kabul edilen ışığın parçacık teorisinin geçersiz kılınmasında da çok önemli bir rol oynamıştır.

Yeni Bir Özellik: Dalga-Parçacık İkiliği

Ancak ışığın dalga özelliği gösterdiğine ilişkin ortaya konulan teorinin başarısı, sonradan teori ile uyum göstermeyen iki gözlem tarafından gölgede bırakılacaktı. Bu gözlemlerden birincisi, “kara cisim ışıması” olarak adlandırılan fenomendir.

Kara cisim ışıması, o zamanlar kabul edilen ışığın dalga özelliğine göre açıklanamayan bir problemdi. Bu sorun, ünlü fizikçi Max Planck’ın 1900 yılında alternatif bir teori geliştirmesine yol açmıştır. Bu teoriye göre ışık, ayrık ya da “kuantize” olmuş paketçikler halinde salınım yapıyordu. Teori böylelikle gözlemsel veriyle de uyumluydu.

İkinci problem ise “fotoelektrik etkisi” olarak adlandırılan etkiydi. Fotoelektrik etkisi, ışığın elektronları atomdan, elektronlar sadece belli bir enerji seviyesindeyse ayırabildiğini belirtmekteydi.

Albert Einstein tarafından 1905 yılında ortaya atılan fotoelektrik etkisi, Planck’ın teorisinin geliştirilmiş bir versiyonu olup radyasyonun(ışığı), kuantum paketçikleri şeklinde yayıldığını savunuyordu.

Görsel: Işığın maddeye çarparak ayırdığı elektronun kinetik enerjisi, ışığın frekansı ile doğru orantılı olup ışığın şiddetinden bağımsızdır. Fotoelektrik etkisi olarak adlandırılan bu olay, ışığın dalga teorisiyle açıklanamıyordu.

Einstein bu öngörüsüyle birlikte ışık yoğunluğunun, “fotonlar” olarak adlandırılan sabit enerjili ışık parçacıklarının oranına bağlı olduğu çıkarımını yapmıştı. Dalga teorisi ise tersine, yoğunluğun dalganın şiddetinin karesiyle orantılı olduğunu söylüyordu.

Thomas Young’un ışığın dalga teorisiyle çelişir görülen bu iki etki, sonradan klasik fiziğin ötesine geçilmesi ve ışığın kuantum doğasının hesaba katılması zorunluluğunu doğuracaktı.

Işığın kuantum doğasına ilişkin yapılacak olan deneyler, şaşırtıcı bir şekilde ışığın hem dalga hem de parçacık özelliği sergilediğini ortaya koyacaktı. Dalga-parçacık ikiliği olarak adlandırılan bu fenomenle birlikte ışığın tam olarak ne olduğu üzerine yapılan çalışmalara yönelik 20.yüzyılda fizik alanında yepyeni bir alanın ortaya çıktığını söyleyebiliriz.

Kaynaklar:

1- Wikipedia, “Double-slit experiment”. <https://en.wikipedia.org/wiki/Double-slit_experiment>. (Erişim Tarihi: 3 Ağustos 2021).

2- Olympus – Life Science, “Thomas Young’s Double Slit Experiment”. <https://www.olympus-lifescience.com/en/microscope-resource/primer/java/doubleslitwavefronts/>. (Erişim Tarihi: 3 Ağustos 2021).

3- Physics World, “Double slits with single atoms”. <https://physicsworld.com/a/double-slits-with-single-atoms/>. (Erişim Tarihi: 3 Ağustos 2021).

4- Aps Physics, “Thomas Young and The Nature of Light”. <https://www.aps.org/publications/apsnews/200805/physicshistory.cfm>. (Erişim Tarihi: 3 Ağustos 2021).

Leave a Reply