Yeni bir kuantum optik teorisi, klasik girişim desenlerini fotonların parlak ve karanlık kuantum durumları üzerinden açıklıyor.
Farklı üniversitelerden fizikçilerin ortak çalışması, klasik fizik ile kuantum fiziği arasındaki köklü farklara dair dikkat çekici bir bakış açısı sundu. São Carlos Federal Üniversitesi, ETH Zürih ve Max Planck Kuantum Optiği Enstitüsü’nden araştırmacılar, klasik girişim olaylarını kuantum parçacıklarının parlak ve karanlık durumları üzerinden açıklayan yeni bir kuram geliştirdi. Bu yaklaşım, özellikle ışığın maddeyle etkileşimini klasik ve kuantum bakış açılarıyla karşılaştırıyor ve “görünmeyen” fotonların da fiziksel etkiler yaratabileceğini öne sürüyor. Araştırma 3 Nisan 2025’te Physical Review Letters’da yayınlandı.
Klasik fizikte, iki elektromanyetik dalga birbirini yok edecek şekilde girişime girdiğinde, bu dalgaların net elektrik alanı sıfırlanır ve maddeyle etkileşime girmeyecekleri varsayılıyor. Ancak kuantum kuramı, bu girişim noktasında bile ışığın (fotonların) maddeyle etkileşime devam edebileceğini savunuyor. Araştırmanın temel çıkış noktası da bu çelişkiden doğdu.
Araştırmanın kıdemli yazarlarından Prof. Dr. Gerhard Rempe, “Bu kuram, ışığın klasik girişim desenlerinde görülen maksimum ve minimum yoğunluk noktalarını, parçacık düzeyinde açıklayabilecek yeni bir yaklaşım sunuyor,” diyerek çalışmanın amacını özetliyor.
Yeni kuramın merkezinde “parlak” ve “karanlık” olarak adlandırılan iki tür ışık hali yer alıyor. Parlak haller, ışığın bir dedektörle etkileşime girdiği ve dolayısıyla ölçülebildiği durumları temsil ederken; karanlık haller, ışığın içinde foton barındırmasına rağmen dedektör tarafından algılanamadığı durumları tanımlıyor.
Çalışmanın ilk yazarı Celso J. Villas-Boas, bu kavramları Dicke’nin 1950’lerde ortaya koyduğu atomların toplu durumlarına benzetiyor. Dicke’in modelinde bazı atomlar ışıkla etkileşirken (parlak durum), bazıları etkileşime giremez (karanlık durum). Aynı mantık, bu çalışmada optik modlar üzerinden fotonlara uyarlanıyor.
Yeni yorum: Dalga değil, parçacık
Araştırmacılar, klasik girişim desenlerini artık bir dalga üst üste binmesi olarak değil, parlak ve karanlık parçacık durumlarının uzayda ardışık olarak yer alması şeklinde yorumluyor. Bu bakış açısı, özellikle çift yarık deneyine yeni bir ışık tutuyor. Kurama göre, girişimin yoğunluğun sıfır olduğu düğüm noktalarında bile fotonlar bulunabiliyor ancak bu fotonlar klasik dedektörlerle gözlemlenemiyor.
Rempe, bu fikrin ilk başta kendi ekiplerinde bile şüpheyle karşılandığını belirtiyor. Ancak 1990’lı yıllarda gerçekleştirdiği bir deney, kuramı destekler nitelikte oldu. Bu deneyde, parçacığın hangi yarıktan geçtiğini belirlemeye çalışan bir gözlemcinin, parçacığın hareketini bozmadan bile girişim desenini yok edebildiği görüldü. Bu, hangi-yol gözleminin parçacığın sadece hareketini değil, kuantum durumunu da değiştirebileceğini gösterdi.
Araştırma, aynı zamanda klasik elektromanyetizmanın temelini oluşturan Maxwell denklemlerini de yeniden ele alıyor. Rempe ve ekibi, bu denklemlerin kuantum mekaniğinin özel bir hali olduğunu öne sürüyor. Çünkü klasik teoriler, dedektörün kuantum doğasını ve parçacık-durum ilişkisini hesaba katmıyor.
Yeni model, özellikle klasik girişimin kuantum parçacıkları cinsinden anlaşılabilmesini sağladığı için, bilim dünyasında önemli bir paradigma değişimine işaret ediyor. Araştırmacılar, bu yaklaşımın sadece ışık değil, madde parçacıklarıyla yapılan girişim deneylerine de uygulanabileceğini düşünüyor.
Çalışmanın sonuçları, yalnızca ışık ve madde etkileşimlerinin yeniden anlaşılmasını sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda kuantum teknolojilerinin geliştirilmesine de katkıda bulunabilir. Kuantum bilgisayarlar ve hassas ölçüm sistemleri gibi alanlarda, bu tür parçacık-temelli girişim açıklamaları, yeni tasarım yöntemlerine kapı aralayabilir.
Kaynak: Physical Review Letters
