Der österreichische Physiker Erwin Schrödinger gehört zu den Begründern der Quantenmechanik, aber am bekanntesten ist er für etwas, das er nie getan hat: Ein reines Gedankenexperiment mit einer Katze. Er stellte sich eine Katze in einer verschlossenen Kiste vor, zusammen mit einem Gerät, das die Katze mit 50 % Wahrscheinlichkeit innerhalb der nächsten Stunde töten würde. Nach einer Stunde fragte er nach dem Zustand der Katze. Unserer Vernunft zufolge müsste sie entweder tot oder lebendig sein, aber Schrödinger behauptete, dass gemäß der Quantenphysik die Katze direkt vor dem Öffnen der Kiste gleichzeitig tot und lebendig ist. Erst nach dem Öffnen der Kiste können wir einen eindeutigen Zustand erkennen. Bis dahin ist die Katze eine unbekannte Wahrscheinlichkeit, halb das eine, halb das andere. Das scheint absurd, und genau darum ging es Schrödinger. Für ihn war Quantenphysik philosophisch so verstörend, dass er seine eigene aufgestellte Theorie aufgab und Schriften über die Biologie verfasste. So absurd es jedoch auch scheinen mag, Schrödingers Katze ist ziemlich echt. Sie ist sogar essentiell. Wäre es für Quantenobjekte nicht möglich, gleichzeitig zwei Zustände zu haben, würde der Computer, auf dem Sie das hier anschauen, nicht existieren. Das Quantenphänomen der Überlagerung ist eine Folge des Welle-Teilchen-Dualismus jeder Materie. Um eine Wellenlänge zu besitzen, muss sich jedes Objekt über einen Teil des Raums ausdehnen, was bedeutet, dass es zur gleichen Zeit mehrere Positionen einnimmt. Die Wellenlänge eines auf einen kleinen Raumteil beschränkten Objekts kann aber nicht vollständig bestimmt werden. Also hat es viele verschiedene Wellenlängen gleichzeitig. Bei Alltagsgegenständen ist dieser Wellenzustand nicht sichtbar, weil die Wellenlänge mit zunehmendem Impuls abnimmt. Und eine Katze ist relativ groß und schwer. Würde man ein einzelnes Atom auf die Größe des Sonnensystems aufblasen, wäre die Wellenlänge einer rennenden Katze so klein wie ein Atom in diesem Sonnensystem. Das ist nicht feststellbar, daher wird die Katze nie einen Wellenverlauf aufweisen. An einem winzigen Teilchen wie z. B. einem Elektron kann dessen Dualität deutlich nachgewiesen werden. Wenn ein Hindernis mit 2 schmalen Spalten mit einzelnen Elektronen beschossen wird, kann man dahinter jedes Elektron mit einer genauen Position erfassen, so wie ein Teilchen. Wenn man dieses Experiment aber oft wiederholt und dabei die einzelnen Ergebnisse nachverfolgt, zeichnen diese ein Muster, das typisch für Wellen ist: eine Reihe von Streifen -- Bereiche mit vielen Elektronen getrennt durch Bereiche, in denen es gar keine gibt. Wird eine Spalte blockiert, verschwinden die Streifen. Das zeigt, dass das Muster nur entsteht, wenn jedes Elektron beide Spalten gleichzeitig durchquert. Ein einzelnes Elektron passiert weder die linke noch die rechte Spalte, sondern beide auf einmal. Diese räumliche Überlagerung macht moderne Technik erst möglich. Ein Elektron nahe eines Atomkerns befindet sich in einer wellenartigen Bahn. Führt man zwei Atome nah zusammen, müssen sich die Elektronen nicht für ein Atom entscheiden, sondern werden gemeinsam genutzt. Auf diese Weise entstehen chemische Verbindungen. Ein Elektron in einem Molekül gehört nicht nur zu Atom A oder Atom B, sondern A+B. Fügt man weitere Atome hinzu, verteilen sich die Elektronen und werden von vielen Atomen gleichzeitig genutzt. Die Elektronen eines festen Stoffs sind nicht an ein bestimmtes Atom gebunden, sondern werden weiträumig von allen Atomen geteilt. Diese gewaltige Überlagerung der Zustände bestimmt, wie sich Elektronen durch Stoffe bewegen, egal ob Leiter, Isolator oder Halbleiter. Über die Elektronenverteilung zwischen den Atomen kann man präzise die Eigenschaften von Halbleitern überprüfen, wie z. B. von Silizium. Durch die richtige Kombination von Halbleitern können winzige Transistoren hergestellt werden, Millionen auf einem einzigen Computerchip. Diese Chips und deren verbreitete Elektronen versorgen diesen Computer gerade mit Energie. Ein alter Witz besagt, dass das Internet zum Teilen von Katzen-Videos existiert. Auf einer tiefgründigen Ebene verdankt das Internet seine Existenz jedoch einem österreichischem Physiker und seiner imaginären Katze.
Austrian physicist Erwin Schrödinger is one of the founders of quantum mechanics, but he's most famous for something he never actually did: a thought experiment involving a cat. He imagined taking a cat and placing it in a sealed box with a device that had a 50% chance of killing the cat in the next hour. At the end of that hour, he asked, "What is the state of the cat?" Common sense suggests that the cat is either alive or dead, but Schrödinger pointed out that according to quantum physics, at the instant before the box is opened, the cat is equal parts alive and dead, at the same time. It's only when the box is opened that we see a single definite state. Until then, the cat is a blur of probability, half one thing and half the other. This seems absurd, which was Schrödinger's point. He found quantum physics so philosophically disturbing, that he abandoned the theory he had helped make and turned to writing about biology. As absurd as it may seem, though, Schrödinger's cat is very real. In fact, it's essential. If it weren't possible for quantum objects to be in two states at once, the computer you're using to watch this couldn't exist. The quantum phenomenon of superposition is a consequence of the dual particle and wave nature of everything. In order for an object to have a wavelength, it must extend over some region of space, which means it occupies many positions at the same time. The wavelength of an object limited to a small region of space can't be perfectly defined, though. So it exists in many different wavelengths at the same time. We don't see these wave properties for everyday objects because the wavelength decreases as the momentum increases. And a cat is relatively big and heavy. If we took a single atom and blew it up to the size of the Solar System, the wavelength of a cat running from a physicist would be as small as an atom within that Solar System. That's far too small to detect, so we'll never see wave behavior from a cat. A tiny particle, like an electron, though, can show dramatic evidence of its dual nature. If we shoot electrons one at a time at a set of two narrow slits cut in a barrier, each electron on the far side is detected at a single place at a specific instant, like a particle. But if you repeat this experiment many times, keeping track of all the individual detections, you'll see them trace out a pattern that's characteristic of wave behavior: a set of stripes - regions with many electrons separated by regions where there are none at all. Block one of the slits and the stripes go away. This shows that the pattern is a result of each electron going through both slits at the same time. A single electron isn't choosing to go left or right but left and right simultaneously. This superposition of states also leads to modern technology. An electron near the nucleus of an atom exists in a spread out, wave-like orbit. Bring two atoms close together, and the electrons don't need to choose just one atom but are shared between them. This is how some chemical bonds form. An electron in a molecule isn't on just atom A or atom B, but A+ B. As you add more atoms, the electrons spread out more, shared between vast numbers of atoms at the same time. The electrons in a solid aren't bound to a particular atom but shared among all of them, extending over a large range of space. This gigantic superposition of states determines the ways electrons move through the material, whether it's a conductor or an insulator or a semiconductor. Understanding how electrons are shared among atoms allows us to precisely control the properties of semiconductor materials, like silicon. Combining different semiconductors in the right way allows us to make transistors on a tiny scale, millions on a single computer chip. Those chips and their spread out electrons power the computer you're using to watch this video. An old joke says that the Internet exists to allow the sharing of cat videos. At a very deep level, though, the Internet owes its existance to an Austrian physicist and his imaginary cat.