Klasik bir tanımı vardır belirsizlik ilkesinin; “Bir elektronun konumunu ve doğrusal hızını aynı anda bilemezsiniz”. Heisenberg bunu söylediğinde elbette teknolojik imkansızlıklara dayalı olarak söylemedi. Yani biz teknik açıdan ne kadar gelişsek de bu durum asla değişmez. Sebebine gelmeden önce şunu bilelim ki bu buluş kuantum mekaniği ve fizikte çok önemli bir yere sahiptir.
Heisenberg‘in belirsizlik ilkesi bize mikrodünyanın karmakarışık ve çok hareketli bir yer olduğunu söyler. Peki biz neden asla bir elektronun konumunu hızını ve yönünü eş zamanlı kesin olarak bilemeyiz? Bunu anlamak için ışığın aslında bir elektromanyetik bir dalga olduğunu (Young deneyi ışığın dalgalı yapıda olduğunu ispatlar, aslında ışık hem dalgadır hem foton denen parçacıklardan oluşur ve buna dalga-parçacık ikiliği denir.) ve fotonların elektronun hareketi üzerinde kesin bir biçimde etkisi olduğunu bilmemiz lazım. Aslında işin sırrı burada yatıyor. Bir elektrona gönderdiğiniz fotonlar elektronun yeri hakkında bize bilgi verirken bu foton elektronun doğrusal hızını değiştiriyor ve Heisinberg’in dediği gibi ortaya bir belirsizlik çıkıyor. Fotonların şiddeti ile elektronun yerini bulma olasılığı orantılı olarak artıyor. Yani ne kadar çok foton yollarsak elektronun yerini o kadar iyi biliyoruz ama aynı zamanda doğrusal hızını da o denli değiştiriyoruz. Aynı zamanda kuantum mekaniğinin matematiği de bu durumu çok net bir şekilde gösterir.
Heisinberg yaptığı hesaplamalarda bize konum ölçümünün kesinliği ile doğrusal hız ölçümünün kesinliği arasındaki ters orantıyı matematiksel olarak göstermiştir. İyice anlayabilmek için fotonları daha düşük frekansta yolladığımızı düşünelim böylece enerjisi az fotonlar elektronu o denli az etkileyecektir ve minimum düzeyde enerjili foton bize elektronun doğrusal hızını çok az değiştireceğini ve bunu ihmal edebileceğimizi söyleyebilirsiniz. Fakat bu sefer düşük frekanstaki yani büyük dalga boyundaki fotonlar, bize elektronun yeri hakkında fotonların dalga boyunun büyüklüğü kadar hata payı verir. Kısacası ne kadar düşük enerjide foton yollarsak elektronun doğrusal hızı hakkında o kadar emin fakat elektronun yeri hakkında o kadar az emin oluruz, aynı mantıkla ne kadar yüksek frekansta fotonlar yollarsak bu seferde yüksek enerjili fotonlar bize elektronun yerini o kadar net fakat doğrusal hızını o kadar belirsiz kılar. Bu da belirsizlik ilkesini kaynaktan bağımsız her zaman geçerli kılar.
Çift Yarık Deneyi
Deneyi anlamak için önce parçacıkların veya küçük madde toplarının nasıl hareket ettiğini öğrenmemiz gerek. Mesela küçük bilyeleri delik olan bir ekrana yollarsak, bilyelerin bir kısmı ekranda diğer kalacak diğer kısmı ise delikten ekranın arkasına geçecektir.
Eğer ekranımıza bir yarık daha açarsak arkadaki ekran bir görüntü daha elde etmemiz beklenecektir. Aşağıda ki görselde görüldüğü gibi.
Şimdi bu durumu birde dalgalarda inceleyelim. Dalgalar bu durumda şu şekilde davranır. Dalga önce yarığa çarpar ve arka duvara yönelir. Dalganın en kuvvetli yeri yarığın tam arkasıdır.
Bu bilyelerin yaptığı çizgiye benziyor. Fakat sisteme ikinci bir yarık ekleyince durumlar değişiyor. Bir dalganın tepesi diğer dalganın çukuru ile çakıştığında bir birlerini götürürler. Bunun sonucunda arkada duvarda bir girişme modeli oluştu. Tepeler keşisince en yoğun parlak çizgiler birbirlerini götürünce hiçbirşey yok.
Yani iki yarıktan madde sıktığımızda arka perdede iki iz elde ediyoruz. Dalgalarla ise bir girişme modeli elde ediyoruz. Şimdiye kadar her şey yolunda gitti. Önemli olan bundan sonra söyleyeceklerimizdir. Şimdi kuantuma geçelim. :)
Elektron 9.109 3826(16) × 10–31 kg ağırlığında olan çok küçük bir yüktür. Elektronu eğer yarıktan karşı duvara yollar isek yukarıda ki 1. görsel gibi olacaktır. Elektronlar yarıktan geçerek perdede 1 tane iz oluşturacaktır. Öyleyse elektronları yukarıda yaptığımız gibi iki yarıktan perdeye yollarsak perdede nasıl bir iz oluşacaktır? Cevaplarınız bilyede ki gibi iki tane iz oluşacaktır diye duyar gibiyim şimdiden. Eğer öyle düşünüyorsanız yanılıyorsunuz. Perdede bizi dalga girişiminde olduğu gibi bir girişim modeli karşılayacaktır. Ama nasıl? Nasıl olur da madde parçacıkları perdede dalga boylarının oluşturduğu gibi girişme oluşturur? Bu çok anlamsız gelebilir…
Fizikçiler bu durumu şu şekilde yorumladır. Belkide parçacıklar birbirlerine çapıyor ve bu şekilde oluşuyor diye düşündüler. Ve elektronları tek tek atmaya karar verdiler. Birbirlerine karışmaları mümkün değildi. Ama sonuç kaçınılmazdı. Elektron yarıklardan parçacık olarak çıkıp, potansiyeller dalgasına dönüşüp, iki yarıktan geçip kendisiyle girişiyor ve duvara parçacık gibi çarpıyordu.
Matematiksel olarak daha garip her iki yarıktan geçiyor ve hiçbirinden geçmiyordu. Birinden geçiyor ve aynı zamanda diğerinden de geçiyordu. İşte tüm bu olasılıklar birbirleri ile süper konumdadır. Bu durumda fizikçiler yarıklara daha yakından bakıp elektronun hangi yarıktan geçtiğini görmek istediler. Bunun için yarıkların önlerine ölçüm cihazları yerleştirdiler. Ve elektronu ateşlediler…
Ama kuatum dünyası hayal edilebileceklerden bile daha gizemli idi. Fizikçiler gözlemleyince yine elektron küçük bir bilye gibi davrandı ve perdede iki band modeli (iki iz) oluştu. Ölçme veya elektronun geçtiği yarığı gözlemleme, elektronun iki yarıktan değil birinden geçmesi demekti. Elektron farklı davranmaya karar verdi sanki gözlendiğini farkında gibiydi. İşte tam bu noktada fizikçiler kuantumun garip yok (belirsiz) dünyasına adım attı. Madde nedir? Bilye mi yoksa dalga mı ve ne dalgası? Ayrıca gözlemcinin tüm bu olanlarla ilgisi nedir? Gözlemci yalnızca gözleyerek dalga fonsiyonunu çökertti.