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.
オーストリアの物理学者 E.シュレディンガーは 量子力学の立役者の一人ですが その名を有名にしたのは 実際には行われなかった実験でした: それはネコにまつわる思考実験です ネコを箱に入れて封印したとします その際に― 一定時間内に50%の確率で ネコを殺してしまう装置を一緒に入れたとしたら 最終的に「ネコの状態はどうなるだろうか?」と 問いかけたのです 常識的に考えればネコは生きているか 死んでいるかのどちらかですが シュレディンガーによれば 量子力学に従うと 箱を開けてみるまでは ネコは生きていると同時に 死んでいる状態だというのです 箱を開けた時にのみ その状態が確定します それまではネコの生死は はっきりとせず確率的で 半々の状態なのです そんなばかな これがシュレディンガーの見解でした 量子力学はあまりに 哲学的に矛盾しているとして 自身が関わってきた この学説を放棄して 生物学に関する執筆へと 転じました ばかばかしく思えるかもしれませんが シュレディンガーのネコは現実なのです 実をいうと 欠かせないものなのです 量子的な物体が同時に2つの状態で あることが不可能だったとしたら 今 レッスンを見ている このコンピュータも存在しませんでした 重ね合わせという量子現象は 全てのものが持つ 波と粒子の二面性の結果です ある物質が波の性質を有するには 空間的にある程度 広がっていなければなりません つまり 同時に複数の位置を 占めなくてはならないのです 物質の波長はある程度の 空間までには限定されますが これを完全に定義することはできません つまり さまざまな波長で 同時に存在するのです 日常の物質ではこの波動の特性を 目にすることはありません その理由は運動量が増加すると 波長は短くなるからで その点では ネコは大きくて 重すぎるのです 1つの原子を太陽系の大きさに 膨らませたとすると 物理学者から逃げる ネコの波長は その太陽系内の原子と 同じぐらい小さくなってしまいます あまりに小さくて ネコの波動的ふるまいを 見ることはできません しかし 電子といった小さな粒子は この二重性の劇的な 証拠を示します 電子を衝立に空けた2つの 細いスリットに向けて撃ち出すと 各電子は粒子のように振舞い ある瞬間に反対側の ある一点で検知されます しかし この実験を何度も繰り返して 各粒子の軌跡を追跡していくと 波動の特徴を示すパターンを示すのです 一連の縞 ― これは 複数の電子の存在する場所と 何もないところに分かれています 片方のスリットを塞ぐと この縞が無くなってしまいます それでこのパターンは各電子が同時に 双方のスリットを通り抜けた 結果であることを示しています 一つの電子が左右の行先を 選ぶのではありません 左右同時に通り抜けるのです この重ね合わせの状態が 現代の技術へとつながります 原子核の近くにある電子は広がりのある 波状の軌道に存在しています 2つの原子を互いに近づけると 電子は一方の原子に 属しているのではなく 原子間で共有されます これが化学結合の仕方です ある分子の1電子は 原子Aまたは 原子Bではなく A+Bに属し 原子をさらに追加していくと 電子はさらに広がってゆき 数多くの原子間で 同時に共有されます 固体の中の電子は特定の原子に 結合しているわけではなく すべての原子間で共有され 広い範囲に広がっています この巨大な重ね合わせの状態が 物質を通り抜ける際の 電子の動きを決定して 物質が導体か 絶縁体か 半導体になるかを決めます 電子が原子間でどのように 共有されるかを理解する事で シリコンのような半導体の性質を 制御することができます 異なる半導体をうまく結合すると 一つのコンピュータチップ上に 何百万もの小さなトランジスタを 搭載することができます 半導体チップと 広い範囲に分布する電子が このビデオを見ている コンピュータに動力を与えます インターネットはネコのビデオの共有ために あるというのはお馴染みの冗談ですが 深くさかのぼってみると インターネットが存在しているのは オーストリアの物理学者と想像上のネコの おかげなのです