Tamamlayıcılık (fizik)

Fizikte, tamamlayıcılık Kopenhag yorumuyla yakından ilgili kuantum mekaniğinin temel bir ilkesidir. Bu; nesnelerin aynı zamanda doğru olarak ölçülemeyen tamamlayıcı özelliklere sahip olduğunu ifade etmektedir. Heisenberg belirsizlik ilkesi uyarınca, bir özellik ne kadar doğru ölçülürse, tamamlayıcı özelliği de o kadar az doğru ölçülür. Bundan başka, belirli bir olay tipinin (fenomen) tam olarak açıklanması, bir şekilde tamamlayıcı olan çeşitli olası bazların her birinde yapılan ölçümler ile başarıya ulaşabilir. Tamamlayıcılık ilkesi, kuantum mekaniğinin önde gelen kurucularından olan Niels Bohr tarafından formüle edilmiştir.
Tamamlayıcı özellikler ile ilgili örnekler:
Konum ve momentum
Farklı eksende dönme
Dalga ve parçacık
Bir alanın değeri ve değişimi (belli bir pozisyonda)
Konsept
Bohr prensipleri aşağıdaki gibi özetlemiştir:
... ancak uzak [kuantum fiziksel] fenomenler klasik fiziksel açıklamanın kapsamını
aşar, tüm delillerin tanımı klasik terimlerle ifade edilmelidir. Arguman öyle basit
ki, deney sözcüğüyle biz; ne öğrendiğimiz, ne yaptığımız ve nerede diğerlerine
anlattığımız konusunda atıfta bulunuruz. Bu nedenle, deneysel düzenlemelerin ve
gözlem sonuçlarının açıklaması klasik fiziğin terminolojisine uygun uygulamaya sahip
anlaşılabilir bir dille ifade edilmelidir.
Bu çok önemli nokta... olayın hangi koşullarda ortaya çıktığını tanımlamayı hedef
edinen ölçüm aletleri ile atomik nesnelerin davranış ve etkileşimi arasındaki herhangi
bir keskin bölünmenin imkansızlığını işaret eder... Sonuç olarak, farklı deneysel
koşullar altında elde edilen deliller, tek bir resimle anlaşılamaz, ancak objelerle ilgili
olası bilgileri anlamsız kılan fenomenlerin totalitesi (toplamı) açısından tamamlayıcı
olarak kabul edilmelidir.
Örneğin, fiziksel objelerin dalga boyutu ve parçacığı böylesi tamamlayıcı fenomenlerdir. Her iki kavram, parçacığın ve dalganın aynı zamanda bulunmasının imkansız olduğu klasik mekaniklerden ödünç alınmıştır. Bu nedenle, belirli bir anda dalga ve parçacığın tam özelliklerinin ölçülmesi imkansızdır. Bunun yanında, Bohr; bir ölçüm cihazı ile bağımsız içsel saptamanın özelliklerine sahip olduğu için kuantum mekaniği tarafından yönetilen nesneleri kabul etmenin mümkün olmadığını ifade eder. Ölçümün türü hangi özelliğin gösterildiği tayin eder. Ancak, tek ve çift yarık deneyi (single and double-slit experiment) ve diğer deneyler; dalga ve parçacığın bazı etkilerinin tek bir ölçümde ölçülebileceğini göstermektedir.
Doğası
Tamamlayıcılığın bir temel yönü, sadece bir fiziksel varlığın bazı ölçülebilir ve tanınır özellikleri için uygulanmaz, fakat daha da önemlisi, fiziksel dünyada mevcut özelliğin belirgin tezahürünün kısıtlanmasında da uygulanır. Fiziksel varlıkların tüm özellikleri, Bohrun tamamlayıcı veya konjuge (birleşik) çiftler (Fourier dönüşüm çiftleri de denir) diye nitelendirdiği sadece çiftlerde bulunur. Fiziksel gerçeklik, bu tamamlayıcı çiftler arasında bulunan dengeler tarafından sınırlanan özelliklerin tezahürleri tarafından belirlenir ve tanımlanır. Örneğin, bir elektron; momentumun tezahüründe mevcut bulunan tamamlayıcı kaybın alışverişinde bile pozisyonunun daha büyük ve daha doğru olduğunu açıkça gösterebilmektedir. Bu durum, son derece hassas pozisyonun, tezahür eden momentumunun mümkün olmayan (örneğin, tezahür etmeyen veya ele geçirilmemiş) belirsizliğini veya üstü kapalı olmasını dikte edeceğinden dolayı (örneğin, açık) pozisyona sahip bir elektronda da sınırlamanın olduğunu ortaya koymaktadır. Özelliğin tezahürünün hassasiyetindeki nihai sınırlamalar Heisenberg belirsizlik ilkesi ve Planck birimleri tarafından ölçülür. Tamamlayıcılık ve Belirsizlik, fiziksel dünyadaki tüm özellikleri ve eylemler dolayısıyla bir dereceye kadar non-deterministik olduğunu belirlemektedir. Fizikçiler F. A. M. Frescura ve Basil Hiley fizikte tamamlayıcılık ilkesinin getirilmesinin nedenlerini şu şekilde özetlemektedir:
Geleneksel görüşte, uzay-zaman içinde bir gerçekliğin var olduğuna ve bu
gerçekliğin tüm yönleriyle incelenebilen veya herhangi bir anda açık bir şekilde
ifade edilebilen belirlenmiş bir şey olduğuna inanılır. Soruna geleneksel bakışı
kuantum mekaniği diye adlandıran ve bunu işaret eden ilk kişi Bohrdur. Ona
göre, belirsizlik ilkesini açıklama yöntemi olan 'eylemin kuantum bölünmezliği',
bir sistemin tüm yönlerinin aynı anda görülebileceğini ima etmekteydi.
Tertibatın bir başka tamamlayıcı özelliğinin farklı bir parçasıyla tezahürün
oluşması mümkün olmakla beraber böylesi bir durumda orijinal yapı tezahür
dışı (non-manifest) olduğundan; öyle ki, özgün nitelikler artık iyi belirlenmemiş
olduğundan, sadece belirli özelliklerin tertibatının belirli bir parçasını
kullanarak, diğerlerine rağmen tezahür oluşturulabilir. Bohr için bu durum,
tamamlayıcılık ilkesinin bir göstergesiydi. Bu ilkeyi Bohr, daha önceden diğer
fikri disiplinlerde, klasik fizik hariç, yoğun bir şekilde göründüğünü bilmekteydi
ve bunun evrensel bir ilke olarak uygulanmasını belirtmekteydi.
Bir sistem içinde tamamlayıcılık; ilgili kişinin, hangi koşullar altında özelliklerini ölçmeye teşebbüs ettiğini dikkate aldığında ortaya çıkar. Bohrun da not ettiği üzere, tamamlayıcılık ilkesi atomik nesnelerin davranışı ve fenomenlerin ortaya çıktığı koşulları tanımlamayı amaç edinen ölçüm enstrümanlarının etkileşimi arasındaki herhangi bir keskin ayrılığın imkansızlığını işaret etmektedir. Bohrun orijinal metinlerinde de belirtildiği üzere, önemli olan, belirsizlik ilkesi ile ilgili açıklamadan kaynaklanan tamamlayıcılık ilkesinin ayırt edilmesidir. Fizikte tamamlayıcılık mevzusunu çevreleyen güncel konulardaki teknik bir tartışma için, örneğin, Bandyopadhyay (2000) bakınız. Burada bu tartışmanın bölümleri ile ilgili çizimleri göreceksiniz.
Ek hususlar
Konu üzerine yaptığı özgün konuşmasında, Bohr, aynen ışık hızının sınırlılığının uzay ve zaman (izafiyet) arasında keskin bölünmenin imkansızlığı anlamına geldiği gibi eylemin kuantumundaki sınırlılığı da, etkileşim ve sistemin davranışı arasındaki keskin bölünmenin imkansızlığının ölçüm aletleriyle ifade edildiğini işaret etmiştir. Bohr bu durumun, kuantum teorisindeki durumun konsepti ile ilgili bilinen sorunlara neden olduğunu belirtmiştir; kuantum teorisinin yarattığı epistemolojide, bu yeni durumun tamamlayıcılık kavramı ile sembolize edilmesi amaçlanmıştır. Bazıları bu durumu kuantum teorisinin biçimsel yönleri kadar önemli bir keşif olarak kabul ederken, bazıları da onu kuantum mekaniğine bir felsefi yardımcı olarak düşünmüştür. Sonraki örnekler, "Tamamlayıcılığın, quantal formalizmin üstüne dekorasyon olarak yerleştirilecek, Bohr tarafından icat edilmiş bir felsefi bir üstyapı olmadığını aksine, quantal açıklamanın temelini teşkil ettiğini iddia eden Leon Rosenfeldi kapsar. John Wheeler da, Bohr'un Tamamlayıcılık ilkesinin, kuantum fikrinin tam olarak anlaşılmasına yönelik olarak yaptığı elli yıllık araştırmasının özünü teşkil ettiğini ve bu yüzyılın en devrimci bilimsel konsepti olduğunu ifade etmiştir.
Deneyler
Laboratuvardaki dalga-parçacık tamamlayıcılığının özlü örneği çiftyarık (çift fant)dır. Tamamlayıcı davranışın özünün şu soru teşkil etmektedir: Mevcut bilgilerin ortaya koyduğu şey" - evrenin bileşenlerinin içine aldığı-, çift yarıktan geçerken sinyal gelişim aşamalarını ortaya çıkaran şey ne? Bilgi, dönen her partikülün "hangi yarığı ortaya koyduğunu (bilinçli bir gözlemci tarafından ölçülmesi durumunda) ortaya çıkarsa, o zaman her bir parçacık diğer yarık ile çakışan hiçbir dalgayı ortaya koymaz. Bu, bir parçacık benzeri davranıştır. Fakat- her ne kadar iyi donanımlı olursa olsun bilinçli bir gözlemcinin olmamasından dolayı- her bir partikülün seyahat edebileceği yarığı saptayabilecek yarıkla ilgili bir bilginin mevcut olmaması durumunda, o zaman bir dalga olarak, her iki yarık boyunca seyahat ediyormuş gibi bizzat işaret partikülleri (zerrecikleri) kendi kendilerini aynı zamanda engelleyecektir. Englert Greenbergerin ikilik ilişkisine göre bu bir dalga benzeri davranıştır. Çünkü bir davranış gözlemlendiğinde, diğer davranış görülmez. Her iki davranış aynı zamanda gözlemlenebilir, fakat her biri, ancak tüm davranışları (ikilik ilişkisi ile belirlendiğinden) daha az tezahür eder şekilde. Tamamlayıcı davranışların bu süperpozisyonu, "hangi yarık" ile ilgili kısmi bir bilgi olduğunda var olur. İkilik ilişkisi ve tamamlayıcılığın bizzat kendisi ile ilgili bazı tartışmalar sürerken, tersi pozisyonu genel fizik tarafından kabul görmez.
Çeşitli nötron enterforemetre deneyleri, ikilik ve tamamlayıcılık kavramlarının inceliğini göstermektedir. Interferometreyi boydan boya geçerek, nötronun bir dalga gibi hareket ettiği görülmektedir. Ancak geçiş esnasında nötron yerçekimi ile karşı karşıya gelir. Nötron interferometresi dünyanın yerçekimi alanında dönmeye maruz kalırken, interferometrenin iki kolu arasında bir faz değişimi, interferometreden çıkan nötron dalgalarının yapıcı ve yıkıcı müdahalesindeki değişiklik eşliğinde gözlemlenebilir. Bazı yorumlar, müdahale etkisini anlamanın, tek bir nötronun aynı anda interferometre üzerinden her iki yolu aldığını kabullenmeyi gerektiğini iddia etmektedir; tek bir nötron, daha önce olduğu gibi "bir kerelik aynı anda iki yerde olacaktı". Bir nötron interferometresi boyunca iki yol arasındaki mesafe birbirinden 15 cm ile 5 cm uzaklığında olacağından dolayı, etkisi de pek mikroskobik seviyede olur. Bu durum, yarıkların (veya aynaların) rastgele birbirinden uzağa konulduğu ayna inferometre ve geleneksel çift-yarık deneylerine benzerlik göstermektedir. Bu nedenle, parazit ve kırınım deneylerinde, nötronlar, tekabül eden dalga boyunun fotonları (veya elektronları) ile aynı şekilde davranış ortaya koyarlar.
Tarih
Görünüşe göre Niels Bohr tamamlayıcılık ilkesini, 1927nin Şubat ve Mart aylarında Norveçe yaptığı kayak tatili esnasında iyice idrak etmişti. Bu esnada (daha henüz basıma verilmemiş olan) daha henüz keşfedilmiş belirsizlik ilkesi ile ilgili olarak Werner Heisenbergden bir mektup aldı. Heisenbergin belirsizlik ilkesi ile ilgili çalışmalarını basım amacıyla sunacağı tatilden döneceği o vakte kadar, Bohr belirsizlik ilkesinin, tamamlayıcılığın daha derin konseptinin tezahürü olduğuna Heisenbergi ikna etti. Heisenberg yayımı öncesinde, belirsizlik ilkesi ile ilgili olarak yaptığı çalışmaya bir etkisi olur düşüncesiyle şu notu usulüne uygun bir şekilde ekler ve şöyle der:
Bohr, yaptığımız gözlemlerdeki belirsizliğin, süreksizliklerin oluşumundan
münhasıran ortaya çıkmadığına dikkatimi çekti ve bunun sebebini, doğrudan
bir yandan [partikulat] teorisine bir yandan da dalga teorisinde ortaya çıkan
oldukça farklı deneylere eşit geçerlilik şeklinde yorumlamadaki isteğimize
bağladı.
Bohr, halka açık bir ortamda, 16 Eylül 1927 tarihinde Como, İtalya'da düzenlenen Uluslararası Fizik Kongresinde verilen bir konferansta tamamlayıcılık ilkesini tanıttı. Bu konferansa, Einstein, Schrödinger ve Dirac hariç, o dönemin önde giden fizikçileri, de katılmıştı. Fakat, adı geçen bu üç kişi, bir ay sonra Bohrun; Bürksel, Belçikada Fifth Solvay Kongresinde prensipleri tekrar takdim ettiği konferansa katıldılar. Her iki konferansta verilen dersler basılıp yayınlandı. Müteakip yılda da Almanca olarak Naturwissenschaftende, İngilizce olarak Natureda tekrar yayınlandı. "Atomik Fizik epistemolojik Sorunları hakkında Einstein ile Tartışmalar" başlıklı 1949 yılında Bohr tarafından yazılmış bir makalede tamamlayıcılık kavramı hususunda yapılmış kesin tanımlama birçok kişi tarafından kabul görmektedir.
Tamamlayıcılıkta DDA ve Süreksiz Hareket
Dr Shan Gao; (sayfa konum 1785) Kuantum mekaniği ve Tamamlayıcılık da çift yarık deneyi hususunu açıklamak için, Shi ve Adlerin çalışmalarından ve DDA, DEM ve kuantum mekaniğinin denklemlerinden istifade etti. Düşüncenin nontechnical temeli, hareketin bloklarda, partiküller (ve/veya ayrık zaman birimi) diye tanımlanan bloklarla nasıl meydana geldiğini açıklamak için sürekli hareket fikrini ve denklemleri kullanarak, kapsamlı bir ayrıklaştıran lens kanalıyla elektronların veya fotonların (parçacıkların) dalga hareketlerine bakarak parçacık sorunlarını çözmektir. Benzer denklem hususları yaygın olarak (Adlerden sonra, 2002, adı geçen eserdeki referans noktaları) kabul edilmekle beraber, yarık deneyinde parçacıkların lokasyonu olarak onları genelleme düşüncesi hala teorik ve spekülatif konumdadır.