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.
Il fisico austriaco Erwin Schrödinger è uno dei padri della meccanica quantistica, ma è famoso per lo più per qualcosa che in realtà non ha mai fatto: un esperimento mentale che coinvolgeva un gatto. Ipotizzò di prendere un gatto e di metterlo in una scatola chiusa con un dispositivo che avesse il 50% di possibilità di ucciderlo in un'ora. "Passata un'ora - si chiese - In che stato è il gatto?" Il buonsenso suggerisce che il gatto sia o vivo o morto, ma Schrödinger fece notare che secondo la fisica quantistica, subito prima di aprire la scatola, il gatto è in pari misura vivo e morto, allo stesso tempo. Solo quando la scatola viene aperta vediamo un unico stato definito. Fino ad allora, il gatto è una probabilità confusa, per metà una cosa, per metà un'altra. Sembra assurdo, così pensò Schrödinger. Trovò la fisica quantistica così filosoficamente inquietante, che abbandonò la teoria che aveva contribuito a formulare e passò a scrivere di biologia. Per quanto assurdo possa sembrare, però, il gatto di Schrödinger è del tutto reale. Anzi, è essenziale. Se un oggetto quantistico non potesse essere in due stati contemporaneamente, il computer che stai usando per guardare questo filmato non potrebbe esistere. Il fenomeno quantico della sovrapposizione è una conseguenza della duplice natura, corpuscolare e ondulatoria, di ogni cosa. Un oggetto può avere una lunghezza d'onda solo se si estende in una certa area dello spazio, il che significa che occupa molte posizioni allo stesso tempo. La lunghezza d'onda di un oggetto in un piccolo spazio non può tuttavia essere definita perfettamente. Esiste quindi in molte diverse lunghezze d'onda allo stesso tempo. Non vediamo le proprietà ondulatorie negli oggetti quotidiani perché la lunghezza d'onda diminuisce quando aumenta la quantità di moto. E un gatto è relativamente grande e pesante. Se ingrandissimo un unico atomo fino alla dimensione del sistema solare, la lunghezza d'onda di un gatto che fugge un fisico sarebbe piccola come un atomo all'interno di quel sistema solare. È troppo piccola, e non percepiremo mai il comportamento ondulatorio di un gatto. Una particella piccola, come un elettrone, può invece mostrare molto chiaramente la sua duplice natura. Se spariamo degli elettroni uno ad uno contro due strette fessure di una parete, ogni elettrone è rilevato sul lato opposto in un unico luogo ad un dato istante, come una particella. Ma se ripeti questo esperimento molte volte, tenendo traccia di ogni singolo rilevamento, vedrai gli elettroni formare una figura tipica del comportamento ondulatorio: una serie di strisce, cioè zone con molti elettroni separate da zone dove non ce ne sono affatto. Blocca una delle fessure e le strisce scompariranno. Questo mostra che la figura deriva dal fatto che ogni elettrone attraversa entrambe le fessure allo stesso tempo. Un singolo elettrone non sceglie destra o sinistra ma va a destra e a sinistra simultaneamente. Questa sovrapposizione di stati porta anche a tecnologie moderne. Un elettrone vicino al nucleo di un atomo ha un'orbita estesa, simile a un'onda. Unisci due atomi, e gli elettroni non avranno bisogno di sceglierne solo uno ma saranno condivisi fra i due. È così che si formano alcuni legami chimici. In una molecola un elettrone non è solo sull'atomo A o sull'atomo B, ma su A+B. Se aggiungi più atomi, gli elettroni si estendono di più, condivisi da immensi numeri di atomi contemporaneamente. In un solido gli elettroni non sono legati ad un atomo particolare ma condivisi tra tutti loro, estendendosi su un'ampia porzione di spazio. Questa gigantesca sovrapposizione di stati determina come si muovono gli elettroni attraverso il materiale, e quindi se questo è un conduttore, un isolante o un semiconduttore. Capire come gli elettroni sono condivisi fra gli atomi permette di controllare con precisione le proprietà dei semiconduttori, come il silicone. Combinare diversi semiconduttori nel modo giusto ci permette di produrre transistor su scala piccola, milioni su ogni singolo chip. In quei chip e i loro elettroni estesi risiedono le capacità del computer con cui guardi questo video. Una vecchia battuta dice che Internet esiste per condividere video di gatti. Ma a un livello molto profondo, Internet deve la sua esistenza a un fisico austriaco e al suo gatto immaginario.