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.
오스트리아 물리학자인 어윈 슈뢰딩거는 양자역학의 창시자들 중 하나입니다. 하지만 그는 그가 실제로 해 보지 않았던 것으로 잘 알려져 있습니다. 고양이를 포함한 상상실험 말이죠. 그는 고양이를 1시간 후에 50퍼센트의 확률로 안에 들어있는 물체가 죽는 밀봉된 상자 안에 넣는다고 상상했습니다. 1시간이 지나고, 그는 물었습니다. "고양이의 상태는 어떨까?" 상식적으로, 고양이는 죽거나 살았을 것이라는 것이 정답입니다. 하지만 슈뢰딩거는 양자물리학으로 이 현상을 분석해 냈습니다. 상자가 열리기 바로 직전의 고양이는 살아있는 부분과 죽은 부분이 공존합니다. 우리가 하나의 상태를 보게 되는 경우는 상자가 열렸을 때 뿐입니다. 그때까지, 고양이는 확률의 모호성을 가지고 있습니다. 반은 살아있고, 반은 죽은채로 말이죠. 슈뢰딩거의 생각은 터무니없어 보입니다. 그는 양자물리학이 철학적으로 문제가 많다고 생각하여, 그는 이 이론을 폐기하고 생물학을 연구하는 것으로 전향합니다. 하지만, 아무리 이론이 터무니없더라도, 슈뢰딩거의 고양이는 매우 현실적입니다. 사실, 이 고양이 가설은 필수적입니다. 만약 양자가 동시에 존재하는 것이 불가능하다면, 당신이 이 영상을 보는 데 쓰는 컴퓨터는 존재하지 않았을 것입니다. 양자적 현상으로써의 중첩은 모든 입자와 파동성간의 산유물입니다. 어떤 물체가 파장을 가지기 위해서는 반드시 공간의 영역을 확장해야 합니다. 이 말은, 여러 물체가 한 장소에 동시에 존재할 수 있다는 것입니다. 하지만 물체의 파장은 작은 범위에 대해 제한되어 있습니다. 확실히 정의될 수도 없죠. 결국, 다른 길이의 파장이 동시에 존재할 수 있게 됩니다. 우리는 일상에서 파장을 볼 수 없습니다. 시간이 증가할수록 파장은 감소하기 때문이죠. 그리고 고양이는 상대적으로 크고 무거워질 것입니다. 만약 우리가 원자 하나를 가져다가 태양계 크기만큼 크기를 키운다면 물리학자들이 상상하는 고양이의 파장은 이 원자 태양계에서의 원자 크기만큼 작을 것입니다. 이 크기는 관측하기에 너무 작아, 우린 고양이의 파장을 볼 수 없습니다. 하지만 전자같은 작은 미립자들은 이 이중 세계에 대한 증거를 보여줍니다. 우리가 한번에 하나씩 좁은 구멍에 전자를 쏘게 된다면 저 멀리 있는 전자는 특정한 순간에 한 장소에서 감지될 것입니다. 마치 입자처럼요. 하지만 당신이 모든 전자 하나하나의 궤적을를 쫓으며 이 실험을 계속 반복한다면 당신은 파장의 특정한 패턴을 볼 수 있게 될 것입니다. 어떤 전자도 존재하지 않는 구역과 다른 수많은 전자로 구성된 선들의 묶음이죠. 한쪽을 막으면, 줄무늬는 사라집니다. 이것은 각각의 전자가 구멍을 동시에 통과할 때를 나타내고 있습니다. 각 전자는 오른쪽이나 왼쪽으로 갈지 자기 스스로 결정하지 않습니다. 오른쪽과 왼쪽으로 동시에 가죠. 이 중첩의 상태는 현대 기술에도 쓰입니다. 전자는 원자핵 주변에 퍼져 회전합니다. 마치 파장같은 궤도를 그리면서요. 두 개의 원자를 가까이 붙이면, 전자는 하나의 원자핵을 선택하지 않고 두 원자핵을 공유합니다. 이것이 화학적 결합의 방식입니다. 이 분자에 들어 있는 전자의 갯수는 원자 A나 B가 아닌 A+B입니다. 당신이 원자를 더 추가한다면, 전자는 더 멀리 퍼질 것입니다. 동시에 더 많은 갯수의 원자를 공유하면서 말입니다. 고체에서의 전자는 원자에 묶인것이 아닌 그들의 원자를 공유하며, 넓은 영역에 걸쳐 뻗어나갑니다. 이 거대한 결합상태는 물질을 통해 전자가 이동하는 방식을 결정하며 그 방식에 따라 반도체, 부도체, 도체가 결정됩니다. 전자가 원자를 공유하는 방법을 이해하는 것은 우리가 실리콘 같은 반도체 물질을 정밀하게 조정할 수 있게 해 줍니다. 두개의 다른 반도체를 순방향으로 결합하는 것으로 우리는 컴퓨터 칩에 수백만개나 들어가는 작은 트렌지스터를 만들 수 있습니다. 이 칩은 전자를 방출하고, 당신이 이 비디오를 보는데 쓰는 컴퓨터의 전원을 공급합니다. 인터넷은 고양이 영상을 공유하기 위해 존재한다는 오랜 농담이 있습니다. 자세히 들어가 보면, 인터넷은 오스트리아의 물리학자와 그의 상상 속 고양이에게 그 존재의 유래가 있습니다.