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.
O físico austríaco Erwin Schrödinger é um dos fundadores da mecânica quântica, mas tornou-se famoso por uma coisa que, na verdade, nunca fez: um exercício hipotético envolvendo um gato. Imaginou pegar num gato e colocá-lo numa caixa selada com um aparelho com 50% de probabilidades de matar o gato ao fim de uma hora. Ao fim de uma hora, perguntou: “Em que estado se encontra o gato?” O senso comum sugere que o gato está vivo ou morto, mas Schrödinger referiu que, de acordo com a física quântica, no momento em que a caixa é aberta, o gato está, em partes iguais, vivo e morto ao mesmo tempo. Só quando abrimos a caixa é que vemos um único estado definido. Até aí, o gato é uma probabilidade indefinida, metade uma coisa, metade outra. Parece absurdo, e era esse o objetivo de Schrödinger. Ele achava a física quântica tão filosoficamente perturbadora que abandonou a teoria que ajudara a criar e dedicou-se a escrever sobre biologia. Mas, por mais absurdo que isso pareça, o gato de Schrödinger é bem real. Na verdade, é fundamental. Se os objetos quânticos não pudessem estar simultaneamente em dois estados, não existiria o computador que estamos a usar para ver este vídeo. O fenómeno quântico da sobreposição é consequência da natureza da dualidade onda-partícula de todas as coisas. Para um objeto ter um comprimento de onda tem de se estender sobre uma certa região do espaço, ocupando assim muitas posições ao mesmo tempo. Mas o comprimento de onda de um objeto limitado a uma pequena região do espaço não pode ser definido perfeitamente. Assim, existe em simultâneo em vários comprimentos de onda. Estas propriedades de onda não existem em objetos do dia-a-dia porque o comprimento de onda diminui à medida que o impulso aumenta. Um gato é relativamente grande e pesado. Se ampliássemos um átomo até ao tamanho do sistema solar, o comprimento de onda de um gato a fugir de um físico seria tão pequeno como um átomo dentro desse sistema solar. É indetetável, por isso nunca veremos o comportamento de onda de um gato. Mas uma partícula minúscula, como um eletrão pode mostrar uma evidência drástica quanto à sua dualidade. Se disparássemos eletrões, um de cada vez, para um conjunto de duas fendas estreitas cortadas numa barreira, cada eletrão do outro lado é detetado num único local, num determinado momento, como uma partícula. Mas, se repetirmos esta experiência muitas vezes, mantendo registo de todas as deteções individuais, veríamos que elas desenham um padrão característico do comportamento de onda: um conjunto de listas — regiões com muitos eletrões separadas por regiões onde não há listas nenhumas. O bloco das fendas e as listas desparecem. Isto mostra que o padrão é resultado de cada eletrão passar por ambas as fendas ao mesmo tempo. Um único eletrão não escolhe ir pela esquerda ou pela direita mas pela esquerda e a direita simultaneamente. Esta sobreposição de estados leva também à tecnologia moderna. Um eletrão junto do núcleo de um átomo existe numa órbita espalhada, como uma onda. Se juntarmos dois átomos, os eletrões não precisam de escolher apenas um átomo mas são partilhados entre eles. É assim que se formam algumas ligações químicas. Um eletrão numa molécula não é apenas o átomo A ou o átomo B, mas A+B. À medida que juntamos mais átomos, os eletrões espalham-se mais, partilhados entre grande número de átomos, ao mesmo tempo. Os eletrões num sólido não estão ligados a um átomo em particular mas são partilhados entre todos eles, estendendo-se por uma grande área. Esta gigantesca superposição de estados determina as formas como os eletrões se movimentam pelo material, seja um condutor ou um isolante ou um semicondutor. Compreender como os eletrões são partilhados entre os átomos permite-nos controlar com precisão as propriedades dos materiais semicondutores, como o silício. Combinando diferentes semicondutores de modo adequado permite-nos fazer transístores numa escala minúscula, milhões num único “chip” de computador. Esses “chips” e o espalhamento de eletrões alimentam o computador que estão a usar para ver este vídeo. Uma velha piada diz que a Internet existe para partilhar vídeos de gatos. Mas, a um nível mais profundo, a Internet deve a sua existência a um físico austríaco e ao seu gato imaginário.