Kuantum nesnelerinin tamamlayıcı olduğu, bazı durumlarda dalgalar gibi ve diğerlerinde parçacıklar gibi davrandığı fikri fizikteki en mantıksız görünen kavramlardan biri gibi olarak algılansa da bu durum yeni ve daha nicel bir temele kavuştu. Klasik çift yarık deneyinde bir değişiklikte, Kore’nin Temel Bilimler Enstitüsü’ndeki (IBS) bilim adamları, bir fotonun dalga ve parçacık derecesini ölçmek için hassas kontrollü foton kaynakları kullandılar. Science Advances’te yayınlanan sonuçları, fotonun kaynağının özelliklerinin, fotonun dalga ve parçacık karakterini etkilediğini gösteriyor.
Çift Yarık Deneyi Arketip Örnektir
Çift yarık deneyi, iş başında tamamlayıcılığın en ciddi ve arketipsel örneğidir. Tek bir foton, iki ince açıklığa sahip bir bariyerle karşılaştığında, açıklıkların arkasına yerleştirilmiş bir ekranda bir girişim deseni oluşturur. Bu girişim deseni, fotonu bir dalga olarak tanımlar, çünkü bir parçacık ekranda yalnızca bir ışık noktası oluşturur. Bununla birlikte, fotonun hangi yarıktan geçtiğini belirlemek için açıklıklara dedektörler yerleştirilirse, girişim deseni kaybolur ve foton bir parçacık gibi davranır. Tamamlayıcılık ilkesi, fotonun kuantum doğasını tam olarak anlamak için her iki deneysel sonucun da gerekli olduğunu belirtir.
Sinyal ve Avara
Yeni çalışma, yarıkların özelliklerinin de önemli olduğunu göstererek bu ilkeye katkıda bulunuyor. Deneylerinde, IBS araştırmacıları, iki kristal lityum niyobat üzerine lazer ışığının “tohum ışınları” olarak adlandırılan parladıklarını tespit ettiler.
Her kristal aydınlatıldığında iki foton üretir: bir “sinyal” foton ve bir “boşta” foton. Araştırmacılar, girişim desenleri oluşturmak ve fotonun dalga doğasını ölçmek için sinyal fotonunu bir interferometreye gönderirken, parçacık karakterini tam olarak belirlemek için avara fotonun yolunu gözlemlediler. Sinyal ve boş fotonlar birlikte üretildiğinden, hem dalga hem de parçacık özelliği ölçümleriyle tanımlanan tek bir kuantum durumu oluştururlar.
Araştırmacılar, her kristaldeki tohum ışınlarının yoğunluğunu değiştirerek, kristallerin foton yayma şanslarını bağımsız olarak değiştirdiler. Klasik deneyde bir fotonun her bir yarığa “çekimini” kontrol etmeye benzer bir süreçti bu. Kristallerden birinin foton yayma olasılığı çok yüksek olduğunda, interferometrenin ürettiği desen zar zor görülebiliyordu, bu da fotonun çoğunlukla parçacık benzeri olduğunu ima ediyordu. Kristallerin emisyon olasılıkları eşit olduğunda, girişim deseni keskindi ve fotonun dalga karakterini vurguluyordu. IBS’de fizikçi ve çalışmanın ortak yazarı Tai Hyun Yoon, “Fotonun dalga doğası, girişim deseninin görünürlüğü olarak çıkarılabilir” diye açıklıyor.
Dalga Parçacık İkiliğini Doğrulayan Teorik Sonuçlar
Yoon ve yardımcı yazar Minhaeng Cho, deneylerinde fotonun kısmen dalga kısmen de parçacık olarak hareket ettiği rejimlere odaklandı. Önceki teorik çalışmalar, böyle bir sistemdeki dalga ve parçacık miktarının, kaynak saflığını, yani belirli bir kristal kaynağının ışık yayan kaynak olma olasılığını içeren basit bir denklemi sağlaması gerektiğini göstermiştir. Yeni çalışma, bu kaynak saflığını hesaba katan ve hassas bir şekilde kontrol eden ilk tamamlayıcılık deneyidir.
Xiaofeng Qian ve meslektaşları tarafından yapılan, kaynak saflığı µs, girişim deseni görünürlüğü V ve yol ayırt edilebilirliği P olduğunda V ve P ‘nin karelerinin toplamı tıpkı pisagor teoreminde olduğu gibi µs’nin karesine eşit olduğu öngörüsünü de destekleyecektir.
Kaynak: physicsworld.com/a/wave-particle-duality-quantified-for-the-first-time/
