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.
הפיזיקאי האוסטרי ארווין שרודינגר הוא אחד ממיסדי המכאניקה הקוואנטית, אבל הוא הכי מפורסם בזכות משהו שהוא מעולם לא עשה: ניסוי מחשבתי שכולל חתול. הוא דמיין שלוקחים חתול ושמים אותו בקופסה אטומה עם מכשיר שיש לו סיכוי של 50% להרוג אות החתול בשעה הקרובה. בסוף השעה, הוא שואל, "מה מצב החתול?" ההגיון אומר שהחתול או חי או מת, אבל שרודינגר הראה שלפי הפיסיקה הקוואנטית, ברגע לפני פתיחת הקופסה, החתול חי ומת באותה מידה, באותו הזמן. רק כשפותחים את הקופסה יש לנו מצב אחד בטוח. עד אז, החתול הוא ערפל של אפשרויות, חצי דבר אחד וחצי דבר אחר. זה נראה אבסורדי, שזו היתה הנקודה של שרודינגר. הוא מצא את הפיסיקה הקוואנטית כל כך מטרידה פילוסופית, שהוא נטש את התאוריה שהוא עזר לפתח ופנה לכתוב על ביולוגיה. כמה שזה נשמע אבסורדי, עם זאת, החתול של שרודינגר הוא מאוד אמיתי. למעשה, הוא חיוני. אם זה לא היה אפשרי לעצמים קוואנטיים להיות בשני מצבים באותו זמן, המחשב בו אתם משתמשים כדי לצפות בזה לא היה קיים. התופעה הקוואנטית של סופרפוזיציה היא תוצאה של הטבע הדואלי הגלי חלקיקי של הכל. בכדי שלעצם יהיה אורך גל, הוא חייב להתרחב לאזור מסויים של חלל, מה שאומר שהוא תופס הרבה מיקומים באותו הזמן. אורך הגל של עצם שמוגבל לאזור קטן של החלל לא יכול עם זאת, להיות מוגדר באופן מושלם. אז הוא קיים בהרבה אורכי גל שונים באותו הזמן. אנחנו לא רואים את תכונות הגל האלה בעצמים יום יומיים מפני שאורך הגל קטן כשהמומנט גדל. וחתול הוא יחסית גדול וכבד. אם ניקח אטום בודד ונגדיל אותו לגודל של מערכת השמש, אורך הגל של חתול שבורח מפיסיקאי יהיה קטן כמו אטום בתוך מערכת השמש. זה קטן מדי לזיהוי, אז אנחנו לעולם לא נראה התנהגות גלית של חתול. חלקיק זעיר, כמו אלקטרון, עם זאת, יכול להראות עדויות דרמטיות של הטבע הדואלי שלו. אם נירה אלקטרונים אחד כל פעם לסט של שני חריצים צרים שנחתכו במחסום, כל אלקטרון בצד השני מזוהה במיקום בודד בזמן ספציפי, כמו חלקיק. אבל אם תחזרו על הניסוי הזה הרבה פעמים, ותעקבו אחרי כל הגילוים הבודדים, אתם תראו אותם יוצרים תבנית שאופיינית להתנהגות גלית סט של קווים - אזורים עם הרבה אלקטרונים מופרדים על ידי אזורים בהם אין בכלל. חסמו אחד מהחריצים והקוים נעלמים. זה מראה שהדוגמה היא תוצאה של כל אלקטרון שעובר דרך שני החריצים באותו הזמן. אלקטרון בודד לא בוחר לעבור מימין או משמאל אלא מימין ומשמאל יחדיו. הסופרפוזיציה הזו מובילה גם לטכנולוגיה מודרנית. אלקטרון ליד הגלעין של אטום קיים במסלול מפוזר, דמוי גל. קרבו שני אטומים יחד, והאלקטרון לא צריך לבחור אטום אחד אלא מחולק בין שניהם. כך כמה קשרים כימיקליים נוצרים. אלקטרון במולקולה לא נמצא רק על אטום א' או ב', אלא על א' וב'. כשאתם מוסיפים עוד אטומים, האלקטרונים מתפרשים עוד יותר, ומתחלקים בין כמו עצומה של אטומים באותו הזמן. האלקטרונים במוצק לא קשורים לאטום בודד אלא מחולקים בין כולם, משתרעים על פני מרחב גדול. הסופרפוזיציה העצומה הזו של מצבים קובעת את הדרך בה אלקטרונים נעים דרך חומר, בין אם זה מוליך או מבודד או מוליך למחצה. הבנת איך אלקטרונים מחולקים בין אטומים מאפשרת לנו לשלוט במדוייק בתכונות של חומרים מוליכים למחצה, כמו סיליקון. שילוב מוליכים למחצה שונים בדרך הנכונה מאפשר לנו ליצור טרנזיסטורים בקנה מידה זעיר, מיליונים על שבב מחשב בודד. השבבים האלה והאלקטרונים המפוזרים שלהם מפעילים את המחשב בו אתם משתמשים כדי לצפות בסרטון הזה. בדיחה ישנה מספר שהאינטרנט קיים כדי לאפשר לחלוק סרטוני חתולים. ברמה המאוד עמוקה, עם זאת, האינטרנט חייב את קיום שלו לפיסיקאי אוסטרי והחתול הדמיוני שלו.