Forum
Aktif konular
Üyeler
Kurallar
Arama
Double Slit Experiment (Cift Yarik Deneyi) Double Slit Experiment (Cift Yarik Deneyi)
-
Aziz ve muhterem muritler. yapay zeka konusunda double slit experiment ten bahsetmistim ancak konuyu cok dagitmamak icin aciklamamistim. Baska bir arkadas ise superposition'u acmami istemis. Ikisini birlestiriyorum bu konuda.
Bu deney cok onemli cunku fizikte cigir acti ve kuantum teorisinin kalbi sayilabilir. Richard Feynman'in deney hakkindaki sozleriyle baslayalim.
"Bir fenomeni (cift yarik deneyi) incelemeye karar verdik, klasik yollarla aciklamanin mumkun olmadigi, kesinlikle mumkun olmadigi, kuantum teorisinin kalbini iceren bir fenomen. Gercekte sadece gizem iceriyor. Nasil calistigini aciklayarak bu gizemi yok edemeyiz. Size sadece nasil calistigini aciklayacagiz. Bunu aciklarken de kuantum mekaniginin temel ozelliklerini aciklamis bulunacagiz."
- Richard Feynman, The Feynman Lectures on Physics, http://www.feynmanlectures.caltech.edu/I_37.html
Bu dersleri caltech de vermis feynman, ibretlik bir kaynaktir, Turkceye cevirileri de var idefix de gormustum sanirim, genel olarak fizikle ilgilenen herkesin okumasini tavsiye ederim, en bastan basliyor fizikte tabii kuantumdan degil.
1. Superposition
Normal parcaciklar ayni anda tek bir yerdedir. Mesela bir misket masanin ustundedir ya da degildir. Ancak kuantum dunyasinda atom alti parcaciklar (hatta atomlar) boyle davranmiyor. Ben yazi boyunca hep elektron uzerinde duracagim ancak anlatilanlar tum quantum parcaciklar icin gecerlidir.
Quantum state: Elektronun donus yonu, pozisyonu, isigin polarizasyonu gibi farkli parcaciklarin farkli stateleri vardir. Biz daha cok elektronun uzaydaki pozisyonu uzerinde duracagiz (double slit experiment direkt bununla ilgili cunku).
Arkadaslar misket'in aksine elektron ayni anda tek bir yerde degildir. Elektron ayni anda her yerdedir. Ancak her yerde esit derecede degildir, bazi yerlerde daha fazladir :) Iyice kafa karistirdim simdi 2. bolumde daha iyi aciklayacagim.
2. Olasilik dalgalari ve Dalga fonksiyonu
Evet, elektron ayni anda birden fazla yerdedir dedik. Mesela sakin duran suya bir tas attigimizi dusunelim. Ortaya bir dalga cikar ve her yone esit derecede yayilir (daireler seklinde). Dalganin genligi de (yuksekligi) gittikce azalir ve dalga yok olur. Asagidaki resimdeki gibi.
Elektron da uzayda bu dalgaya benzer bir sekilde vardir. Dalganin tepe noktalari elektronun daha yuksek olasilikla bulundugu yerlerdir, cukur noktalari ise daha az olasilikla bulundugu yerlerdir. Iste buna elektronun olasilik dalgasi (probability wave) denir. Dalganin merkezi elektronun bulunma ihtimalinin en yuksek oldugu yer, sonraki gelen dalga tepeleri daha az bulunma ihtimalinin oldugu yerdir vs vs.
Simdi bir uyari yapayim. elektron aslinda bir anda %60 ortada, %20 birinci dalganin tepesi, %10 ikinci dalganin tepesindedir ama aslinda her halukarda tek bir noktadadir DEGIL! Bu olasilik dalgasi elektronun ayni anda bulundugu yerleri ve oralarda ne kadar bulundugunu gosterir, ancak elektron kesinlikle ayni anda tek bir yerde degildir, bu olasiliklarin hepsinde birdendir. Biliyorum cok kafa karistirici ve sagduyuya aykiri ama okumaya devam edin anlayacaksiniz.
Ozet: Elektron ayni anda uzayda tek bir noktada degildir, her yerde birdendir, ancak bu her yerde esit derecede degildir, bazi yerlerde daha fazladir. Uzayda cesitli noktada bulunma olasilik paterni dalgaya benzedigi icin buna dalga fonksiyonu diyoruz. Yani merkezden uzaklastigimizda orada bulunma olasiligi lineer olarak azalsaydi buna koni fonksiyonu diyebilirdik :)
Kisacasi dalga fonksiyonu bize elektronun verilen bir anda verilen bir uzay noktasinda bulunma olasiligini verir. Dalga fonksiyonu schrodinger in denkleminin bir cozumudur (diferansiyel denklemlerin cozumu fonksiyondur). Schrodingerin denklemi her parcacigin her quantum ozelligini cozmemizi saglayan kuantum teorisinin en onemli denklemidir. Bu konuda ek bir sey soylemeyecegim.
Serbest elektronun gercek olasilik dalgasi asagidaki gibidir arkadaslar.
Tepe noktasi elektronun bulunma olasiliginin fazla oldugu cukur noktasi az oldugu yerler.
Evet arkadaslar bu ilk iki maddeyi aslinda bilmeseniz de olurdu :) sadece bilmek isteyen veya daha fazla arastirmak isteyen arkadaslar icin yazdim. Double slit experiment icin bilmeniz gereken tek sey, elektronun ayni anda iki yerde birden olabilecegi. Ama bu iki madde, daha iyi anlamanizi saglayacak.
3. Iki tane dalga ve Girisim (Interference)
Yukardaki resimde tek bir su dalgasinin nasil davrandigini gosterdim. Peki iki su dalgasi nasil davranir? Asagidaki video'yu verdigim dakikadan itibaren 5-10 sn izlerseniz olusan girisim desenini gorursunuz. Bu desen cok onemli arkadaslar deney icin.
https://www.youtube.com/watch?v=Iuv6hY6zsd0&feature=youtu.be&t=304
Verdigim saniyeden acamayanlar icin, 5:04 e gidin arkadaslar.
Gordugunuz gibi iki dalganin tepe noktalari birbirini guclendiriyor, cukur noktalari da ayni sekilde, ancak tepe ve cukur noktalari ust uste binince birbirini sonumluyor, buna girisim deniliyor.
4. Double Slit Experiment
Evet sonunda asil deneye geldik. Arkadaslar bu deneyde uzerinde iki kucuk yarik olan bir levha var, arkasinda bir ekran var, onunde de elektron tabancasi elektron firlatiyor. Asagidaki resimdeki duzenek.
Bu deney soyle isliyor, biz elektron tabancasindan elektronlar firlatiyoruz, bazilari levhaya carpiyor, bazilari yariklardan geciyor ve ekrana ulasiyor. Devam etmeden su mukemmel videoyu izleyin, animasyon ile bilale anlatir gibi anlatiyor. Ingilizce ama dillik pek bir sey yok. Ben yine de sirayla gerceklesen olaylari yazayim.
https://www.youtube.com/watch?v=DfPeprQ7oGc
- 00:18 once deneyi misketlerle yapiyor, ve tek bir yarik var.
- 00:27 arkada bu durumda cikan deseni goruyorsunuz.
- 00:32 yine misketlerle ama bu sefer iki yarik var.
- 00:38 bu durumda misketlerin olusturdugu paterni goruyorsunuz.
Buraya kadarki kismi normal parcaciklarla (misket) yapilirsa ne olacagi. Hersey normal ve sagduyumuza uygun. Simdi ayni deneyi normal dalgalarla (su dalgasi) gorelim.
- 00:40 tek bir yarik ve parcacik yerine dalga geciyor.
- 00:53 dalganin ekrana vurmasi, ekrandaki parlaklik dalganin gucunu temsil ediyor, en ortada dalga en guclu (genlik olarak).
- 01:07 ikinci yarik ekleniyor, yine dalga.
- 01:17 su dalgalariyla girisim (interference) paterni ortaya cikiyor. dalgalarin birbirini sonumledigi yerler siyah.
Buraya kadar hersey sagduyumuza uygun ve kuantumla direkt bir ilgisi yok, gunlu hayatta gordugumuz seyler.
- 01:49 let's go quantum
- 02:04 elektronlari tek yariktan firlatiyor.
- 02:08 elektronlar tek yarikta misket gibi davraniyor, beklendigi gibi.
- 02:13 elektronlari cift yariktan firlatiyor.
- 02:16 GOL!!! tum deneyin pointi bu arkadaslar. misketlerdeki gibi iki tane cizgi beklerken dalgalardaki gibi girisim deseni ile karsilasiyoruz.
- 02:24 nasil olur! biz kucuk elektronlar firlattik, bunlar minik misket gibi, ama dalga paterni goruyoruz.
- 02:48 belki bu minik misketler birbiri uzerinden hoplayip ziplayip bu dalgalari olusturuyorlardi .s.s.s (su dalgalari da boyle olusur arkadaslar, bir suru h2o molekulu).
- 02:53 o zaman elektronlari tek tek firlatalim bakalim, boylece birbirleriyle etkilesime giremezler.
- 03:04 bir saat sonra bakiyoruz ki yine ayni girisim paterni ????
- 03:08 sonuc kacinilmaz. tek bir elektron iki yariktan birden dalga seklinde gecmis ve kendisiyle girisim yapmis. tekrar ekrana yine parcacik olarak carpmis.
- 03:23 matematiksel olarak daha da ilginc, ayni anda hem bir yariktan, hem digerinden, hem ikisinden birden, hem de hic birisinden gecmiyor.
Arkadaslar burda superpositiondan bahsetmis, elektron ordan gecerken aslinda olasilik dalgasina gore mesela %5 hic birisinden gecmiyor, %16 sagdakindan geciyor, %16 soldakinden geciyor vs.
Burdan sonrasini henuz izlemeyin cunku observer effect i henuz anlatmadim.
Simdi Dr. Quantum'un anlattiklari tamamen animasyon uzerinde, gelin bu deney gercekten yapildiginda ortaya cikan gercek deseni gorelim. http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/mar/14/feynmans-double-slit-experiment-gets-a-makeover
Arkadaslar bu deneyi tekrar gerceklestiriyorlar, her saniye bir elektron firlatiliyor, normalde 1 sn beklemek icin cok gereksiz uzun bir sure, ama kesin olsun diye yapmis olabilirler. Makalenin az altinda, One electron per second kismindaki video yu kesinlikle izleyin, sadece 1.5 dakika. Bunlar gercek elektron.
Peki neler oluyor?
- Saniyede tek bir elektron firlatildigi icin diger elektronlarla bir etkilesim mumkun degil.
- Iki yarik ve tek elektron var, elektronun yariklardan sadece birisinden gecmesi beklenir.
- Ekrana bakildiginda dalga girisimi deseni goruluyor, fakat girisim deseni icin iki tane dalga olmasi gerekir.
- Iki dalga olmasi icin iki yariktan ayri ayri dalgalar gelmesi gerekir, ancak elimizde tek elektron var.
- Kacinilmaz son, elektron iki yariktan ayni anda gecti ve bu iki olasilik dalgasi girisim yapti, bunun sonucunu da ekranda goruyoruz.
Yani arkadaslar bu deney bize elektronun ayni anda iki yariktan birden gectigini ispatliyor. Hem bu konuda hem yapay zeka konusunda israrla belirtmistim, aslinda elektron tek bir noktada ama biz bilmiyoruz DEGIL. Elektron ayni anda birden fazla yerde. Bu deney bunu ispatliyor. Eger elektron sadece belli olasiliklara gore orda ya da burda olsaydi, o an nerdeyse o yariktan gecerdi. Ancak elektron ayni anda heryerdedir. Eger yariklarin mesafesini cok acarsaniz, elektronun iki yariktan ayni anda gecmesi mumkun olmaz, bu deneyde yariklar yakin, cunku mesafe uzaklastikca elektronun orda bulunma ihtimali de azaliyor, yukardaki olasilik dalgasindaki gibi.
5. Observer Effect (Gozlemci Etkisi)
Arkadaslar yukardaki deney yeterince ilginc gelmediyse bir de bunu deneyin :) Biz bakmazken elektron cok guzel olasiliklar halinde yasiyor ve iki yariktan ayni anda geciyor, cunku yarigin birinde %15 digerinde de %15 o anda, ikisinden de gecmesi normal. Peki biz acaba hangi yariktan geciyor diye bakmak(olcmek) istersek ne olur? Dalga fonksiyonu coker. Elektronun lokasyonu tek bir noktaya indirgenir. Elektron sadece tek bir yariktan gecer, uslu bir cocuk gibi davranir ve misket gibi hareket eder, bir baska deyisle bize poz verir.
Dr Quantum videosundan devam ediyorum.
- 03:40 nasil olur boyle bir sey. dur bakalim hangi delikten geciyor.
- 04:02 elektronu izledigimizde bir de ne gorelim, normal bir misket gibi tek bir yariktan geciyor.
- 04:07 ayni misketlerde oldugu gibi iki tane cizgi seklinde patern olusturuyor ?? .s .s .s
- 04:14 sadece olcum yapmak, elektronun iki degil sadece bir yariktan gecmesine neden oldu.
- 04:25 elektron farkli sekilde hareket etmeye karar verdi. yani izlendiginin farkindaydi.
6. Sonuc
Evet arkadaslar kisaca ozetlememiz gerekirse, elektron uzayda tek bir noktada degildir, belli olasiliklar dogrultusunda (olasilik dalgasi) heryerdedir. Uzayda o anda x,y,z noktasinda olma olasiligini hesaplamamiza yarayan fonksiyon dalga fonksiyonudur. Eger biz elektron tam su anda nerde diye olcmeye kalkarsak dalga fonksiyonu coker ve elektron gercekten tek bir fiziksel konumda belirir. Bu schrodinger'in kedisi metaforunda kutunun kapaginin acilmasidir.
Kutu kapaliyken kedi %50 olu %50 diri idi. Ikisinden biri degil, ayni anda ikisi birden. Kedinin dalga fonksiyonu bunu bize verir. Peki kutunun kapagini acarsak ne olur? Kedinin dalga fonksiyonu coker, kendi superposition da degildir artik, tek bir state dedir, olu ya da diri.
Size bir bonus olarak cok yeni (1999) bir deneyin sonucunu soyleyim. Foton yani isikla yapilan bir deney. Foton yariklardan birinden gecmeden once degil, gectikten sonra bakarsak hangi yariktan gecti diye, o zaman ne olur?
Sonucta yariktan bir kere gecti, bunun geri donusu yok degil mi? Olasilik olarak ikisinden birden gecti ama simdi biz zaten gectikten sonra hangisinden gectigini anlamak icin olcuyoruz. Arkadaslar girisim paterni yok oluyor, foton geri donuyor, yariklardan sadece birinden geciyor, ve iki cizgi seklinde desen ortaya cikiyor.
https://en.wikipedia.org/wiki/Quantum_eraser_experiment
Bu arada double slit experiment ilk kez isik ile yapilmistir (young's experiment).
Bir de gunluk hayatimizda, elektronlarin superpositionunun etkisini gordugumuz cok ilginc bir yere bakalim, islemciler. Arkadaslar Quantum Tunneling diye bir olay var. Normalde siz elektrona acik bir yol verirseniz, elektron o yoldan gider, mesela her yer bariyer ve tek bir yol var, elektron o yolu takip eder. Ancak, eger birbirine cok cok yakin iki yol olursa (bunlara kablo diyelim) arada bariyer olsa bile elektron bir anda diger kabloda belirebilir. Cunku elektron olasilik dalgasina gore o uzayda ayni anda her yerde, eger kablo cok yakinsa elektrona, arada bariyer olmasi hic bir anlam ifade etmiyor, elektron double slitte iki yariktan gectigi gibi burda da iki kablodan geciyor.
Iste arkadaslar islemcilerin daha fazla kucultulememesinin sebebi bu, quantum tunneling. Ayni zamanda hepimizin var olma sebebi de bu. Cunku gunes bu sayede bize enerji gonderiyor. Evet fuzyon da quantum tunneling'in bir sonucudur. Eger iki hidrojeni birbirine cok yaklastirirsaniz (normalde yaklasamazlar elektronlar zit yuklu oldugundan birbirini iter) hidrojenlerin cekirdekleri (tek bir proton) bir anda yan yana belirebilir, ve bu durumda fuzyon gerceklesir. Yani iki protonun olasilik dalgalari birbiri ile kesisir ve atomlarin cekirdekleri kaynasir.
Bu olay konunun baya bir disinda oldugu icin daha fazla aciklamiyorum.
Not: Fizikci arkadaslar hatali kisimlar varsa yazsin duzelteyim. Ayrica sorulariniz olursa yazin arkadaslar.
AMpul tarafından 12/Ara/17 20:37 tarihinde düzenlenmiştir -
Hocam hiçbir art niyet olmadan merakımdan soruyorum. Tahsiliniz ne üzerine?
-
AMpul bunu yazdı
Bir de gunluk hayatimizda, elektronlarin superpositionunun etkisini gordugumuz cok ilginc bir yere bakalim, islemciler. Arkadaslar Quantum Tunneling diye bir olay var. Normalde siz elektrona acik bir yol verirseniz, elektron o yoldan gider, mesela her yer bariyer ve tek bir yol var, elektron o yolu takip eder. Ancak, eger birbirine cok cok yakin iki yol olursa (bunlara kablo diyelim) arada bariyer olsa bile elektron bir anda diger kabloda belirebilir. Cunku elektron olasilik dalgasina gore o uzayda ayni anda her yerde, eger kablo cok yakinsa elektrona, arada bariyer olmasi hic bir anlam ifade etmiyor, elektron double slitte iki yariktan gectigi gibi burda da iki kablodan geciyor.
Iste arkadaslar islemcilerin daha fazla kucultulememesinin sebebi bu, quantum tunneling. Ayni zamanda hepimizin var olma sebebi de bu. Cunku gunes bu sayede bize enerji gonderiyor. Evet fuzyon da quantum tunneling'in bir sonucudur. Eger iki hidrojeni birbirine cok yaklastirirsaniz (normalde yaklasamazlar elektronlar zit yuklu oldugundan birbirini iter) hidrojenlerin cekirdekleri (tek bir proton) bir anda yan yana belirebilir, ve bu durumda fuzyon gerceklesir. Yani iki protonun olasilik dalgalari birbiri ile kesisir ve atomlarin cekirdekleri kaynasir.
Çok faydalı bir konu olmuş hocam, öncelikle teşekkürler. Quantum Tunneling olayı da değindiğin kadar önemli. İşlemcilerin yanı sıra Flash Memory'lerin çalışma mantığı da bunun üzerine kurulu.
Merak eden arkadaşlar inceleyebilir;
https://youtu.be/s7JLXs5es7I?t=3m34s
aercys tarafından 12/Ara/17 22:31 tarihinde düzenlenmiştir -
Hocam şu elektronun gözlem altında davranış değiştirmesini merak ettim. Bu nasıl anlaşılır elektron tarafından gözle izlenmesi mi, kameraya alınması mı bunları ayırt edebilir mi? Bu deneyler esnasında nasıl gözlemlendiğindeki gibi davranmamış pattern yok olmamış?
-
Hocam bilal bunu anlamaz :D örnekler sade olsada konu ağır olunca bikaç sefer daha okumam lazım bir ihtimal diyorum :) yazı için çok teşekkürler.
sixth tarafından 13/Ara/17 02:04 tarihinde düzenlenmiştir
Kısayol
Şikayet
Özel Mesaj
Alıntı yap
elektron kuantum quantum kuantum teorisi cift yarik deneyi double slit experiment electron
Cevapla