• Bir grup bilim insanı, ışığın hem dalga hem parçacık özelliği gösterdiğinin ispatı olan çift yarık deneyinin bilindik sonuçlarının nedenselliğini kökünden sarsacak yeni bir teori geliştirdi. Bu teoriye göre ışık dalga özelliği göstermiyor, dalga özelliğine atfedilen durumlar fotonun “parlak” ve “karanlık” adı verilen iki halinden kaynaklı. 

 

Fizikte dalga-parçacık ikiliği yaklaşık bir yüzyıldır tartışmasız kabul gören bir olgu. Young’ın 1801’deki meşhur çift yarık deneyi, ışığın dalga niteliğini doğrudan gözler önüne serdiği için bu inancın temel dayanaklarından biri sayılıyor. 

Brezilya’daki São Carlos Federal Üniversitesi’nden Celso Villas-Boas ile Almanya’daki Max Planck Kuantum Optiği Enstitüsü’nden Gerhard Rempe’nin öncülük ettiği bir ekip ise deneyin sonucunun yalnızca parçacık varsayımına dayanarak da açıklanabileceğini öne sürüyor. Ekibin “parlak” ve “karanlık” foton adını verdikleri kuantum durumlarıyla geliştirdikleri bu model, dalga-parçacık ikiliğinin zorunlu olmadığı fikrini ortaya atıyor.

Işığın doğası üzerine ilk fikirler

Işık, insanların gözünü kamaştırdığı kadar düşüncesini de yüzyıllardır meşgul etti. Antik Yunan’da İyonlu düşünürler ışığın gözden çıkan “görme ışınları” olduğunu sanıyordu. İbn Heysem gibi Orta Çağ bilginleri ise “ışık kaynaktan çıkar, göze gelir” diyerek akışı tersine çevirdi. 17. yüzyılda Isaac Newton, ışığın uzayda minik tanecikler (korpus­küller) halinde ilerlediğini savundu; çağdaşı Christiaan Huygens aynı olayları dalgalarla açıkladı. O günden beri “ışık tanecik mi, dalga mı?” tartışması bilimin en uzun soluklu ikilemlerinden biri oldu.

Maxwell ve elektromanyetik dalga çağı

19. yüzyılın ortasında James Clerk Maxwell, elektriği ve manyetizmayı tek denklem takımında birleştirirken bambaşka bir sürpriz yaptı: Denklemler, boşlukta tam olarak ışık hızında yayılan titreşimler öngörüyordu. Deneyde ölçülen ışık hızıyla bu değer çakışınca “Işık, elektromanyetik dalgadır” fikri, bilim çevrelerinde kesin kabul gördü. Böylece dalga yorumu, Newton’un tanecik kuramını geri plana itti.

Fotonun keşfi ve kuantum kırılması

1905’te Albert Einstein, metal üzerine düşen ışığın neden bazı frekansların altında verildiği taktirde elektron sökmediğini açıklamak için “ışık paketler halinde enerji taşır” dedi ve bu pakete foton adını verdi. Fotoelektrik etkiyi aydınlatan bu fikir, 1923’te Arthur Compton saçılmasıyla deneysel olarak ispatlandı. Böylece bilim insanları ışığın hem dalga hem tanecik gibi davrandığını kabullenmek zorunda kaldı: Kuantum fiziği doğuyordu.

Çift Yarık Deneyi: Dalga – parçacık ikileğinin simgesi

1801’de Thomas Young, tek renkli ışığı iki dar yarıktan geçirip arkasındaki perdeye düşürdüğünde, soluk ve parlak çizgilerden oluşan bir desen—girişim saçakları—gördü. Dalga yorumu bu deseni, iki ışık dalgasının bazı noktalarda birbirini söndürmesi (karanlık şerit), bazılarında güçlendirmesi (parlak şerit) ile açıkladı.

20. yüzyılda deney lazerle ve tek tek foton gönderilerek tekrarlandı: Fotonlar perdeye birer birer “vuruyor” ama yeterince uzun bekleyince aynı saçak deseni yavaş yavaş belirmeye devam ediyordu. Bu şaşırtıcı sonuç “Bir foton tek başına nasıl dalga gibi davranır?” sorusunu doğurdu ve dalga-parçacık ikiliği ders kitaplarının vazgeçilmezi haline geldi.

Karanlık ve parlak foton fikri 

Brezilya São Carlos Federal Üniversitesi’nden Celso Villas-Boas ile Almanya Max Planck Kuantum Optiği Enstitüsü’nden Gerhard Rempe’nin dahil olduğu ekip, 2024 sonunda yayımladıkları çalışmada farklı bir bakış sundu. Ekibe göre çift yarık deneyinde oluşan saçak desenini açıklamak için ışığın dalga özelliği gösterdiğini savunmak gerekli değil. Foton da tek başına bunu doğurmak için yeterli. 

Ekibin kuramında bir fotonun iki ayrı durumda olduğu öne sürülüyor;

* Birincisi parlak foton durumu. Bu durumda foton dedektör atomla rahatça etkileşiyor ve perde o noktada ışık veriyor. 

* İkinci durum ise karanlık foton durumu. Bu durumdaki foton ise halen orada duruyor ama kuantum özellikleri nedeniyle dedektör atomla hiçbir etkileşime girmiyor ve perdede karanlık atomun değdiği yerler karanlık olarak gözüküyor. 

Bu iki hâl, atom fiziğinde 1950’lerden beri bilinen “süperışınım ve sübışınım” durumlarının fotonik kuzeni gibidir. Araştırmacılar, perdeyi tek bir atom olarak modelliyor ve karanlık-parlak dağılımını yalnızca yarıkların geometrisine göre hesaplıyor. Sonuçta klasik deneydeki çizgiler milimetrik doğrulukla yeniden ortaya çıkıyor ama bu kez hiçbir yerde “dalga” demeden. Yeni teoriye göre karanlık bölgeler foton yokluğu değil, “görünmez hale geçmiş” foton bolluğu.

Gözlem paradoksunu nasıl sadeleştiriyor?

Klasik anlatıda, yarıklardan birine dedektör koyup “foton hangi yarıktan geçti?” diye bakarsanız girişim deseninin kaybolduğu söylenir; bu da “ölçüm dalgayı parçacığa çökertti” şeklinde yarı mistik cümlelere yol açar. Karanlık-parlak modeli farklı bir resim çiziyor. Buna göre; dedektör, fotonun kuantum halini değiştirerek karanlık-parlak dengesiyle oynuyor. Desenin silinmesi, dalganın “kaybolması” değil, fotonların yeni karışımının doğal sonucu. Bu yorum, “Gözlemci gerçekliği değiştiriyor” gibi açıklamaları gereksiz kılacak kadar sade.

Deneysel ipuçları ve ilk testler

Ekip, geçmişte yapılan hassas “hangi yol?” deneylerini kendi modeliyle yeniden analiz ettiğinde, verilerin karanlık-parlak resme uyduğunu bulduğunu belirtiyor. Tek bir yalıtılmış iyonla yürüttükleri ön deneylerde, ışık yerine titreşim kuanta­ları (fonon) kullanarak da benzer karanlık-parlak desenler tutturdular. Çalışma henüz tartışmalı: Kimileri “Dalga resmi zaten iş görüyor; bu sadece parçacık yorumunu sadeleştiriyor” derken, kimileri “Şık bir matematik ama pratik öngörüleri kanıtlanmalı” diye temkinli yaklaşıyor.

Yeni yaklaşımın ortaya çıkaracağı birçok uygulama alanı ve cevaplaması gereken soru var. Bunlardan ilk karanlık fotonları tespit etmek için dedektörler geliştirmek. Ekip ve aynı alanda çalışacak diğer bilim insanları Atomla etkileşmeyen foton hallerini dolaylı yakalayacak yeni algılayıcı teknolojileri tasarlamak için kolları sıvadı bile. 

Diğer parçacıkların da karanlık halleri var mı?

Bu yöntem kullanılarak geliştirilen bir teori de darbeli lazer ışığını “parlak-karanlık foton paketleri” olarak yorumlayarak lazer gürültüsünü azaltma fikri sunuyor.

Ekibin bu yaklaşımından hareketle diğer parçacıklarla (elektron, nötron ve büyük moleküllerle) yapılan girişim deneylerinde de “karanlık parçacık” durumları gözlenebilir mi sorusu da önemli. 

Bilim insanları parçacıkların karanlık durumlarının tespit edilmesi durumunda çevreyle etkileşmeyen gizli kanallar açılarak habersiz ve son derece gizli bilgi saklama ve transferi işlemlerinin geliştirilebileceğini ifade ediyor. 

Karanlık-parlak modeli doğru çıkarsa, Young’ın saçak deseni hâlâ orada olacak, ama onu açıklamak için “ışık dalga şeklinde yayılır” cümlesine ihtiyaç kalmayacak. Dalga-parçacık ikiliği belki de tarihsel bir anlatı kolaylığı olarak yeniden sınıflandırılacak. 

 

* * *

Parlak-Karanlık foton deneyi

Modelin özü nedir?

1. Perdeyi tek bir atom olarak düşünün; atom foton soğurunca “tık” diye sinyal veren en küçük detektördür.

2. Foton, yarıklardan sonra kuantum mekaniğinin izin verdiği gibi her iki yolu birden “deneyebilir” (süperpozisyon).

3. Bazı açılarda foton “karanlık durum” denen hassas bir süperpozisyona girer; bu halde atomla etkileşmez, sinyal üretmez. Bölge karanlık görünür ama foton oradadır.

4. Diğer açılarda foton “parlak durum”dadır, atomu uyarır, perde aydınlanır. Böylece parlak-karanlık şeritler, dalga girişimi olmadan yalnızca bu iki parçacık durumunun geometrik dağılımıyla ortaya çıkar.

Yarığa konan detektör, fotonun kırılgan karanlık-parlak karışımını bozar. Süperpozisyon dağıldığı için perde artık girişim deseni göstermez. Yani “Gözlemcinin gerçekliği değiştirmesi” yerine “ölçüm fotonu başka bir kuantum hâline zorluyor” demek yetiyor.