İşığın Dilemması

Keçən əsrin əvvəllərində elmdə çox radikal dəyişikliklər baş verdi. Bunlardan insanlığı ən çox təəccübləndirən və təbiət haqqında bildiklərimizin əslində nə qədər az olduğunu bizə bir növ xatırladanlardan biri də “Kvant Fizikası” oldu. Kvant fizikası klassik fizikadakı bəzi anlayışları kökündən titrətdi. Əlbəttə, bu klassik fizikanın yanlış olması demək deyil. Sadəcə olaraq, biz öyrəndik ki, ölçülərin kiçik olduğu dünyada (elektronların, atomların dünyasında) klassik fizika qaydaları artıq çalışmır. Böyük ölçülü cisimlər üçün isə klassik fizika yenə də öz aktuallığını qoruyur. Kvant fizikasının nəticələrinin bizə qeyri-intuitiv, qəribə, bəzən inanılmaz gəlməsinin səbəbi isə sadədir. İnsan növü həmişə böyük ölçülü cisimlər ilə qarşılıqlı əlaqədə olub, ona görə də növümüzün beyni görə bildiyi cisimlərin hərəkətlərini intuitiv dərk edə biləcək şəkildə təkamül edib. İnsan növü elektron və atomlar, mikroskopik cisimlər ilə milyard illərlə keçmişə uzanan tarixin yalnız axırıncı bir neçə yüz illik qədər kiçik bir qismində tanış olub.

Kvant Fizikasının ortaya çıxmasında ən böyük təkan verici və ya sual doğuran mövhum isə məhz işıq özü idi, daha dəqiq desək, işığın zərrəcik yoxsa dalğa təbiətli olması sualı idi. Bu sual klassik fizika qanunlarının çərçivəsində öz həllini tapa bilmirdi və nəhayət kvant fizikası köməyə gəldi. İşığın dalğa və ya zərrəcik olmasının nə demək olduğunu başa düşmək üçün isə ilk öncə klassik fizikadakı zərrə və dalğa konseptlərinin nə olduğuna baxaq.

Klassik zərrə və dalğa anlayışları

Klassik Dalğa — enerjinin maddə vasitəsilə deyil, aralıq mühit (ing. medium) vasitəsilə ötürülməsidir. Məsələn, gölməçəyə daş atarkən ətrafa yayılan dalğaları fikirləşək. Daşın düşdüyü nöqtədə su molekulları öz tarazlıq vəziyyətlərindən kənarlaşırlar, başqa sözlə — narahat edilirlər. Tarazlıq vəziyyətindən bu kənarlaşma molekullarda ani enerji artımına səbəb olur. ¹ Bu enerji su mühiti (ing.medium) ilə dalğalar şəklində ətrafa yayılmağa başlayır. Bu zaman su molekulları yalnız limitli şəkildə müvəqqəti periodik yerdəyişmələr edirlər, məsələn individual bir su molekulu yuxarı və aşağı müəyyən məsafədə (məs. 5 cm) periodik hərəkət edir – bu dalğanın amplitudu adlanır, lakin dalğa su üzərində bu məsafədən xeyli uzaqlara (məs 500 m) yayıla bilir. Hər bir dalğanın özünə xas bir tezliyi mövcuddur. Bu tezlik qaba şəkildə desək, bir nöqtədəki su molekullarının bir saniyədə neçə dəfə periodik olaraq yuxarı və aşağı tullanmasıdır. Digər maraqlı nüans odur ki, dalğanın məkdandakı pozisiyası dəqiq deyildir. “Bu dalğa hal-hazırda hansi koordinatdadır?” -sualı dalğa üçün uyğun sual deyil, çünki dalğa müəyyən bir ərazidə yayılır və hər hansı bir nöqtə ilə limitlənmir.

Klassik Zərrəcik — fiziki ölçülərə, kütləyə², enerjiyə malik olan maddə fraqmentidir. Dalğadan fərqli olaraq, müşahidədən sonra zərrəciyin məkandakı pozisiyası haqda danışmaq mümkündur. Zərrəcik hərəkətdə və ya stasionar ola bilər.Zərrəcik hərəkət edərkən, dalğadan fərqli olaraq fiziki obyekt özü yerdəyişir, və enerji birbaşa cisimlə ötürülür.

Şəkil 1-ə nəzər salaq. İşığın dalğa nəzəriyyəsi deyir ki, işıq vakuumda və ya hər hansı mühitdə dəyişən elektrik və maqnit sahələrinin qarşılıqlı bir-birinə çevrilməsinə görə yaranan elektromaqnit dalğasıdir. Yəni, elektrik sahəsindəki dəyişmələr dəyişən maqnit sahəsini, maqnit sahəsindəki dəyişmələr isə öz növbəsində dəyişən elektrik sahəsini yaradır və nəticədə enerji uzaq məsafələlərə yayılır. Bu ideyanı ortaya atan J.C. Maxwell olmuşdu. O, elektromaqnetizmin əsasını təşkil edən, sonradan elmdə Maxwell tənlikləri deyə xatırlanan düsturlarını həll edərkən, nəzərik olaraq elektromaqnit dalğalarının varlığını və sürətinin işıq sürəti ilə eyni olduğunu hesablamışdı. Gəldiyi nəticə isə işığın da bu dalğalardan biri olması idi. Bundan 30 il sonra Heinrich Hertz təcrübi olaraq elektromaqnit dalğalarının varlığını təsdiq etdi, və bu kəşf radio, telefon, televizor və s. kimi cihazların icadına gətirib çıxardı. Işığın dalğa tipli xüsusiyyətləri kifayət qədərdir.Onlardan bəzilərinə nəzər salaq.

Refleksiya: İşıq digər dalğalar kimi səthdən əks olunma xüsusiyyətinə malikdir.

Refraksiya: İşıq bir mühitdən digərinə keçərkən əyilməyə məruz qalır və ya öz istiqamətini dəyişir. (Yəqin, su dolu stəkanın içindəki qaşığın əyilmiş görsənməyini müşahidə etmisiniz.)

İnterferensiya: İki fərqli dalğa mənbəsindən eyni və ya yaxın tezliklərdə yayılan iki dalğanın görüşməsindən ortaya çıxan qanunauyğunluqdur. İki dalğa görüşərkən dalğaların amplitudaları ya toplanaraq artır, ya da bir-birilərini əks istiqamətdə tamamlayaraq azalır (bəzən sıfıra bərabər olur). İşıq da digər dalğalar kimi interferensiyaya uğrayır.

İşığın zərrəcik nəzəriyyəsinə əsasən isə, işıq kiçik zərrəciklərin (fotonların) axınınından ibarətdir və işığın intensivliyi, vahid zamanda mənbədən buraxılan fotonların sayı ilə düz mütənasibdir. Bu fikir daha yunanların zamanından var idi və bu fikiri qəbul edərək Newton, Fermat və s. bir çox qanunlar kəşf etmişdir, lakin Maxwellin işlərindən sonra işığın zərrəcik nəzəriyyəsi demək olar ki, çökdü. Kvant nəzəriyyəsinin ortaya çıxması ilə isə elm dünyası köhnə ideyanı yenidən nəzərdən keçirməli oldu Bəs işıq hansı məqamlarda özünü dalğa kimi yox, zərrəcik toplusunun axını kimi aparır?

Fotoelektrik effekti buna ən yaxşı nümunədir. Fotoelektrik effekti işığın təsiri altında metaldan elektronların qopması fenomenidir (Şəkil 2). Yaxşı, bəs bunun işığın zərrəcik nəzəriyyəsi ilə nə əlaqəsi var?

Şəkil 2-dən göründüyü kimi, elektronların qopması dövrədə cərəyan yaradır və cərəyanın miqdarı vahid zamanda metalın səthindən qopan elektronların sayından bir-başa asılıdır. Maraqlı nüans odur ki, işığın tezliyi müəyyən dəyərdən aşağı olduqda metaldan elektron qopmur və dövrədə cərəyan sıfır olur. Lakin, işığın tezliyi artıqca metaldan qopan elektronların da sayı artır. Burada bir qəribəlik var. Qəribəlik məhz elektronların sayının işığın tezliyindən asılı olmasıdır. Çünki, klassik dalğa nəzəriyyəsi bu asılılığı izah edə bilmir. Nəyə görə? Klassik dalğanın enerjisi onun amplitudundan asılıdır, tezliyindən yox (Şəkil 3). Bizim gözləntimiz isə odur ki, əgər işıq klassik dalğadırsa, o zaman amplitudu böyük olan dalğa metala dəydikdə daha çox enerji metala ötürüləcək və nəticədə daha çox elektron lövhədən qopacaq. Yəni, elektronların sayı tezlikdən yox amplituddan asılı olmalı idi. Amma, təcrübəyə görə belə deyil, elektronların sayı məhz tezlikdən asılıdır. Bu o deməkdir ki, burada işığı dalğa kimi yox, yalnız zərrəcik toplusu kimi görsək məsələ həll olunur. Bəs bunu necə etməli? Deməli, fotoelektrik hadisəsinin baş vermə mexanizminə bir də baxaq. İşıq özü ilə enerji gətirir, bu enerji işığın lövhə ilə toqquşmasından sonra metalın içərisindəki sərbəst elektronlara ötürülür və beləcə elektron ətrafında olduğu nüvədən qopa biləcək qədər enerji əldə edir. Yuxarıda qeyd etdik ki, müəyyən tezlikdən aşağı tezliklərdə metaldan elektron qoparmaq mümkün olmur. Bunun səbəbi isə odur ki, sərbəst elektronu metalın nüvəsinə çəkən bir qüvvə mövcuddur (nüvədəki müsbət yükü protonlar mənfi yüklü elektronu cəzb edir) və metalın səthinə gələn enerji müəyyən bir minimal dəyəri keçməlidir ki, bu dediyimiz qüvvəyə qalib gəlsin və elektronu metaldan qopara bilsin. Fotoelektrik effektininin yaratdığı çaşqınlıq o idi ki, böyük intensivliyə (amplituda)³, lakin kiçik tezliyə malik işıq elektron qoparmırdı. Einstein bu qeyri-müəyyənliyi onunla izah edirdi ki, işıq müəyyən enerji paketləri — fotonlar şəklində yayılır. Yəni, fotonlar lövhəyə gələrək atomlarla toqquşurlar və toqquşma nəticəsində atomun ətrafındakı elektron buluduna ötürülən enerji oradakı elektronları metaldan kənara sıçradır. Bu zaman yuxarıdakı çaşqınlıq asan həll olunur — belə ki, elektronu qoparmaq üçün əsas olan işığın toplamenerjisi (intensivliyi) yox, individual fotona düşən enerjidir.⁴

Əgər qopan elektronların sayı işığın tezliyindən asılıdırsa və əgər deyiriksə ki, bu mövhumu işığın zərrəcik modeli izah edir, o zaman bu nəticəyə gəlirik ki, işığın bir zərrəciyinin (yəni, foton) enerjisi işığın tezliyindən asılıdır. Bütün bunlar hamımızın ən azı orta məktəb fizika kitablarında çox gördüyü E=hv Planck düsturuna gətirib çıxarır. Bu düsturda, E bir fotonun enerjisinə, h Planck sabitinə , v isə işığın⁵ tezliyinə bərabərdir. Bu düsturu qəribə edən məqam isə odur ki, bu düstur bir növ işığın zərrəcik və dalğa idealarını bir yerdə birləşdirir. Çünki o, bir fotonun enerisini (zərrəcik konsepti) işığın tezliyi ilə (dalğa konsepti) ilə əlaqələndirir. Planck düsturu elm dünyasında böyük bir nailiyyət olsa belə, bir daha göstərdi ki, işığın ikili zərrə-dalğa davranışının daha ümumi və bu iki aspektini daha səlis birləşdirən bir nəzəriyyəyə ehtiyac var.

Qoşa Yarıq Təcrübəsi

Dalğa-zərrəcik ikililiyi və ya çaşqınlığını ən açıq şəkildə göstərən, bəlkə də fizikanın ən baş gicəlləndirici təcrübələrindən biri məhz qoşa yarıq (ing. double slit) təcrübəsidir. Bu təcrübə həm də kvant fizikasının ana təcrübələrindən biridir. Təcrübədə iki ədəd ekran və ya divar (fərqi yoxdur, baxır vəziyyətə) istifadə olunur. Ön ekranda iki ədəd uzununa yarıq yerləşdirilir, arxa ekran isə bir növ detektor rolunu oynayır. Yəni, hesab edək ki, arxa ekrana təmas olduqda orada iz qalır və bu izə görə biz mülahizələr edirik. Başlayaq sadə təcrübədən. Təsəvvür edək ki, əlimizdə 90-larda böyüyən nəslin yaxından tanış olduğu “şarik atan tapança” var və bu tapança ilə ön ekranı güllə-baran edirik. Burada, “şariklər” klassik zərrəcik⁶ təsvirinə uyğun gəlir. İndi, ön ekranın güllə-baran edilməsindən sonra arxa ekranda nə tip bir iz gözləyirik? Yəqin, cavabı rahat təxmin etdiniz, etmədinizsə Şəkil 4-ə nəzər yetirək.

Yaxşı, bəs bu ön ekrana zərrəciklər yox, dalğalar göndərsək o zaman arxa ekranda nə tip bir iz gözləyirik? Bu sual bir az çətin ola bilər, cavab isə interferensiyadır. Qısacası, yarıqlardan keçərkən hər bir yarıq özünü yeni bir dalğa mənbəyi kimi aparır və nəticədə arxa ekranda interferensiya müşahidə olunur (Şəkil 5).

İndi keçək əsas məsələyə, ilk baxışdan bizə elə gəlir ki, işığın yüz illər boyu sürən bu qəribəliyini bu təcrübə ilə rahatlıqda həll edə bilərik. Belə ki, biz işığı qoşa yarıq olan ekrana tutaraq arxa ekrandakı nəticəyə baxıb işığın dalğa və ya zərrəcik təbiətli olduğunu aydınlaşdıra bilərik. Lakin, necə deyərlər sən saydığını say, gör təbiət nə sayır. Keçək bu məqalənin ən həyəcanlı məqamına. Deməli, bu təcrübənin yaradıcısı Thomas Young 1803-cü ildə öz məqaləsində göstərir ki, işığı ön ekrana tutduqda arxa ekranda interferensiya yaranır və o, bir növ işığın dalğa olduğunu dəstəkləyən elm adamlarının qələbə zəfərini qeyd edir. Lakin, bu zəfər daimi olmur. Daha əvvəl haqqında bəhs etdiyimiz, fotoelektrik effektini yadımıza salaq (1905-ci il). İndi təsəvvür edək ki, yeni təcrübələrdəki ön və arxa ekranlar metaldırlar. Qeyd etdik ki, işıq metalın səthində, kiçik paketlər şəklində absorbsiya edilir. Fotoelektrik effektində təcrübəsində öyrəndiklərimizdən yola çıxaraq demək olar ki, əgər biz çox aşağı tezlikli işıq şüasını ön ekrana tutsaq (və işığın zərrəcik nəzəriyyəsini fərz etsək) o zaman bir növ ön ekrana tək-tək fotonlar göndərmiş olarıq. Əgər fotonlar klassik zərrəcikdirlərsə, o zaman biz arxa ekranda Şəkil 1-dəki nəticəni gözləyirik. Amma iş orasındadır ki, nəticə dəyişməz olaraq qalır, Young’ın apardığı təcrübədəki kimi işıq interferensiya şəkil 2-dəki kimi interferensiya edir. Bu da olsun “dalğaçıların” ikinci müvəqqəti zəfəri. Söhbət hələ burada bitmir. İşıq zərrəcikdir başqa cür ola bilməz deyib, gəlin yarıqlara xüsusi detektor quraşdıraq. Bu detektorlar qoşa-yarıqlı ekrana göndərilən fotonun hansı yarıqdan keçdiyini bizə deyəcək. Çünki, əgər işıq zərrəcik təbiətlidirsə, bu klassik zərrəciklər eyni anda iki deşikdən keçib öz-özləri ilə interferensiya edə bilməzlər. Detektorları quraşdırıb təcrübəni təkrar edirik. Nəticə isə şokedicidir. Cihazların yerləşdirilməyi ilə təcrübənin nəticəsi dəyişir, fotonlar klassik zərrəcik kimi davranırlar və şəkil 1-dəki kimi ekran şəkli əmələ gəlir. Sanki, təbiət bizimlə zarafat edir. Cihazları hər iki yarığa deyil, yalniz bir yarığa yerləşdirsək yenə də şəkil 1-dəki nəticəni alırıq. Sanki, foton cihaz olmayan deşikdən keçərkən nəinki digər deşikdən xəbərdar olur, hətta o digər deşiyin müşahidə edilib edilmədiyini də bilir! Cihazları yığışdırıb təcrübəni təkrar etsək yenidən interferensiya (Şəkil 2) nəticəsi qarşımıza çıxır. Nə baş verir?

İzahatlardan biri o ola bilər ki, bu nəticələr sadəcə işığın növbəti qeyri-adi xüsusiyyətlərindəndir, çəkisi olmayan foton, universal olan işıq sürəti (yəni, ona nəzərən hərəkət edən müşahidəçinin sürətindən asılı olmayaraq işığın sürəti həmişə eynidir; qarşı-qarşıya hərəkət edən iki işıq şüası bir-birilərinə məhz işıq sürətində yaxınlaşacaqlar, iki-qat işıq sürətində yox). İşığın bu qəribə xüsusiyyətlərinə baxmayaraq, sonrakı təcrübələr göstərdi ki, qoşa yarıq təcrübəsi elektronlar, hətta atomlar üçün də eyni qəribə nəticələri verir. Deməli, məsələ təcrübədə istifadə olunan zərrəciklərin ölçülərindədir. Yəni, bu təcrübəni bilyard daşları ilə (və ya “şariklərlə”) aparsaydiq, ortada heç bir qəribəlik olmazdı. Amma, atom, elektron və molekulların ölçüləri kiçikdir; və bu ölçülərdə təbiət qanunları klassik dünyamızdakından çox fərqlidir. Beləlikə, kvant dünyasına xoş gəlmisiniz.

Məhz kvant fizikası yuxarıdakı qəribəlikləri izah edir. Lakin, bu izahatlar riyazi izahatlardır, bizim bu izahatları intuisiyamızla həzm etməyimiz demək olar ki, mümkün deyildir. Lakin, kvant fizikası heç də real dünyada tətbiqi olmayan, praktik dəyəri sıfır bərabər bir sahə deyil. Hal-hazırda televizor və kompüter texnologiyalarında məhz kvant fizikası tətbiq olunur. Kvant fizikası ulduzlarda baş verən nuklear prosesleri belə izah edir. Yaxşı, bəs bu kvant fizikası yuxarıdakı qəribəliyi necə izah edir? Cavab belədir: Müşahidə prosesi zamanı müşahidəçi müşahidə olunan sistemi “narahat edir”. Müşahidəçini müşahidə olunandan tamamilə ayırmaq mümkün deyildir. Kiçik ölçülü zərrəcik müşahidə olunana qədər onun fəzadakı yeri (koordinatı) müəyyən deyil. Onun ola biləcəyi mümkün məkanların ehtimallar paylaşımı mövcuddur (bəzi məkanlarda olma ehtimalı yuxarı, bəzilərində aşağıdır). Buna kvant fizikasında ehtimallar dalğası da deyilir. Bir növ demək olar ki, müşahidəyə qədər zərrəcik özünü dalğa kimi aparır. Müşahidə anında isə, zərrəcik ehtimallara əsasən mümkün məkanlardan birində peyda olur (dalğa özünü zərrəcik kimi aparır) və o andan etibarən klassik zərrəcik kimi davranır. Bu izahat nə qədər inanılmaz görünsə də, təcrübədəki qəribəlikləri mükəmməl izah edir⁷. Belə ki, müşahidə yoxdursa fotonlar və ya elektronlar dalğa şəklində yayılır, yarıqlardan keçərək interferensiyaya uğrayır və şəkil 2-dəki nəticə alınır. Müşahidə zamanı isə, zərrəcik yarığa çatdığı an dalğa zərrəciyə tənəzzül edir (ing. collapse) və ona görə də Şəkil 1-dəki nəticə yaranır.

Müşahidənin müşahidə edilən zərrəciyi “narahat” etməsi faktı çox böyük suallarla bizi baş-başa buraxır. Müşahidəyə qədər reallıq mövcud deyilmi?

Bu sual barədə uzun-uzun düşünmək olar. Kvant fizikasının Copenhagen Təfsirinin⁸ bu suala verdiyi cavab isə müsbətdir. Reallıq müşahidə anına qədər mövcud deyildir. Əlbəttə, müşahidəçi və müşahidə konseptlərinin daha dəqiq tərifi önəmlidir…

Qeydlər

1. Atoma ətrafdan enerji verildikdə elektron bir orbitdən digərinə, nüvədən daha uzağa tullanır. Əksinə, elektron nüvədən uzaq orbitdən yaxın orbitə gəldikdə isə ətrafa enerji ötürülür. Qütb parıltısının gözəlliyi bu təbii fenomenlə bir-başa əlaqəlidir.
2. Bəzi zərrəcikər kütləsizdirlər (məsələn, fotonlar)
3. Əslində intensivlik amplitudun kvadratına bərabərdir, lakin yazının məğzi üçün çox önəmli olmadığı üçün hər iki sözü qarşılıqlı istifadə etmək olar. Əsas olan odur ki, amplitudu çox olan dalğanın intensivliyi də çox olur
4. Enstein’ə Nobel qazandıran iş
5. Caşqınlıq olmasın deyə qeyd edim ki, işıq dedikdə təkcə lampadan gələn şüa yox ümumilikdə elektro-maqnit dalğaları ailəsi nəzərdə tutulur. Buraya, ultra-bənovşəyi, infraqırmızı, rentgen və digərləri aiddir.
6. Klassik zərrəcik dedikdə, zərrəciklərin klassik fizika təsvirini nəzərdə tuturam, indi yazının sonlarına doğru görəcəyik ki, (diqqət spoiler!), elektron, atom və fotonlar heç də bu klassik təsvirə uyğun davranmırlar.
7. Riyazi model təcrübələrlə təsdiqini tapır.
8. Copenhagen təsfiri Neils Bohr və Werner Heisenberg tərəfindən ortaya qoyulub. Bu təfsirə görə fiziki sistemlərin ölçmə, müşahidə anına qədər dəqiq xüsusiyyətləri yoxdur. Müşahidəyə qədər yalnız xüsusiyyətlərin ehtimallar paylaşımı mövcuddur. Müşahidə anında sistem narahat olunur və ehtimallar dalğası bir nöqtəyə tənəzzül edir və sistem spesifik bir xüsusiyyəti ortaya qoyur.