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.
Le physicien autrichien Erwin Schrödinger est l'un des pères fondateurs de la mécanique quantique, mais il est surtout connu pour quelque chose qu'il n'a pas fait : une expérience de pensée impliquant un chat. Il a imaginé de placer un chat dans une boîte scellée avec un dispositif ayant une probabilité de 50% de tuer le chat dans l'heure suivante. Au bout d'une heure, il a demandé : « Quel est l'état du chat ? » Le bon sens suggère que le chat est soit vivant soit mort, mais Schrödinger a souligné que, selon la physique quantique, un instant avant d'ouvrir la boîte, le chat est, à parts égales, vivant et mort à la fois. C'est seulement en ouvrant la boîte que nous voyons un état déterminé. Jusque-là, le chat est un flou probabiliste, moitié une chose et moitié l'autre. Cela semble absurde, ce qui était aussi l'avis de Schrödinger. Il trouvait la physique quantique si déroutante philosophiquement, qu'il a abandonné la théorie qu'il avait contribué à construire et se tourna vers la biologie. Aussi absurde que cela puisse paraître, le chat de Schrödinger est très réel. En fait, c'est essentiel. S'il n'était pas possible pour les objets quantiques d'être dans deux états à la fois, l'ordinateur que vous utilisez pour regarder cette vidéo n'existerait pas. Le phénomène quantique de superposition est une conséquence directe de la dualité onde-corpuscule de tout ce qui existe. Pour avoir une longueur d'onde, un objet doit s'étendre sur une certaine région de l'espace, ce qui signifie qu'il occupe de nombreuses positions simultanément. La longueur d'onde d'un objet limité à une petite région de l'espace ne peut cependant pas être parfaitement définie. Il existe donc avec de multiples longueurs d'onde différentes en même temps. Nous ne voyons pas ces propriétés ondulatoires pour les objets du quotidien parce que la longueur d'onde diminue quand la quantité de mouvement augmente. Et un chat est relativement gros et lourd. Si nous avions pris un seul atome pour le mesurer face au système solaire, la longueur d'onde d'un chat fuyant un physicien serait aussi petite qu'un atome comparé à la taille du système solaire. C'est beaucoup trop petit pour être détecté, donc nous ne verrons jamais le comportement ondulatoire d'un chat. Cependant, une minuscule particule, comme un électron peut montrer une preuve spectaculaire de sa double nature. Si nous propulsons un par un des électrons sur une barrière percée de deux fentes étroites, chaque électron est détecté de l'autre côté à un endroit unique à un instant précis, comme le serait une particule. Mais si vous recommencez de nombreuses fois, en gardant la trace de toutes les détections individuelles, vous verrez la trace d'un modèle caractéristique du comportement des ondes : un ensemble de franges - avec des régions comptant de nombreux électrons séparées par des régions où il n'y en a pas du tout. Bloquez une des fentes et les franges disparaissent. Cela montre que le motif résulte du passage de chaque électron à travers les <i>deux</i> fentes simultanément. Un seul électron ne choisit pas d'aller à gauche ou à droite mais à gauche et à droite simultanément. Cette superposition d'états conduit aussi à la technologie moderne. Un électron près du noyau d'un atome existe sur une orbite qui s'étend comme une vague. Rapprochez deux atomes, et les électrons n'ont pas besoin de choisir un seul atome mais sont mis en commun. C'est ainsi que se forment certaines liaisons chimiques. Un électron dans une molécule n'est pas sur l'atome A ou l'atome B, mais sur A + B. Lorsque vous ajoutez d'autres atomes, les électrons se déploient plus, partagés par un grand nombre d'atomes simultanément. Les électrons dans un solide ne sont pas liés à un atome particulier mais partagés entre tous, s'étendant sur une grande région de l'espace. Cette gigantesque superposition d'états détermine comment les électrons se déplacent dans le matériau, qu'il s'agisse d'un conducteur, d'un isolant ou un semi-conducteur. Comprendre comment les électrons se répartissent parmi les atomes nous permet de contrôler précisément les propriétés des matériaux semi-conducteurs, comme le silicium. Combinant différents semi-conducteurs de façon adéquate nous permet de faire des transistors à une échelle minuscule, des millions sur une seule puce d'ordinateur. Ces puces et leurs électrons se propageant alimentent l'ordinateur que vous utilisez pour regarder cette vidéo. Une vieille blague dit que l'Internet n'existe que pour permettre le partage de vidéos de chats. À un niveau très profond, cependant, l'Internet doit son existence