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. Porém, ele é mais conhecido por algo que na verdade nunca fez: uma experiência imaginária envolvendo um gato. Ele imaginou colocar um gato numa caixa fechada comn um dispositivo com 50% de chance de matar o gato dentro de uma hora. Depois de uma hora, ele perguntou: “Qual será o estado do gato?” O senso comum sugere que o gato estará vivo ou morto. Mas Schrödinger argumentou que, de acordo com a física quântica, imediatamente antes de se abrir a caixa, há chances iguais de estar vivo e morto, ao mesmo tempo. Somente depois que a caixa for aberta, poderemos ver um estado definido e único. Antes disso, o gato tem uma probabilidade indefinida: metade uma coisa, metade outra. Isto parece absurdo, o que era a opinião de Schrödinger. Ele achava a física quântica tão filosoficamente perturbadora, a ponto de abandonar a teoria que ajudou a construir e passou a escrever sobre biologia. Por mais absurdo que possa parecer, o gato de Schrödinger é muito real. Na verdade, é essencial. Se objetos quânticos não pudessem estar em dois estados ao mesmo tempo, o computador que você está usando para assistir a este vídeo não existiria. O fenômeno quântico da superposição é uma consequência da natureza dual de partícula e onda, de todas as coisas. Para um objeto ter um comprimento de onda, ele deve se estender por certa região do espaço, ou seja, deve ocupar muitas posições ao mesmo tempo. O comprimento de onda de um objeto em um pequeno espaço não pode ser perfeitamente determinado. Logo, ele tem muitos comprimentos de onda ao mesmo tempo. Não vemos as propriedades ondulatórias de objetos cotidianos porque o comprimento de onda diminui com o aumento do momento linear. E um gato é relativamente grande e pesado. Se fizéssemos um átomo ficar do tamanho do nosso sistema solar, o comprimento de onda de um gato fugindo de um físico, seria do tamanho de um átomo dentro daquele sistema solar. É muito pequeno para ser detectado, e por isso nunca veremos o comportamento ondulatório de um gato. O elétron, sendo uma partícula minúscula, pode mostrar uma dramática evidência de sua natureza dual. Se atirarmos elétrons, um por vez, contra duas fendas estreitas de uma barreira, cada elétron é detectado em um local e instante específicos, em cada fenda, tal como uma partícula. Mas se o experimento for repetido muitas vezes, mantendo-se o registro de todas as detecções individuais, surgirá um padrão característico de comportamento ondulatório, Um conjunto de listras, regiões com muito elétrons, separadas por regiões sem listras. Bloqueie uma dessas fendas e a listras desaparecerão. Logo, tal padrão resulta da passagem de cada elétron por ambas as fendas ao mesmo tempo. Um elétron não passa pela fenda da esquerda ou da direita mas por ambas simultaneamente. Estes estados de superposição também levam à tecnologia moderna. A órbita de um elétron em torno do núcleo atômico, se assemelha a uma onda. Juntem-se dois átomos e os elétrons não ficam com um deles, mas são compartilhados entre eles. É assim que algumas ligações químicas são formadas. O elétron numa molécula não é apenas do átomo A ou B, mas do A e do B. Quando são acrescentados mais átomos, os elétrons se espalham ainda mais, compartilhados ao mesmo tempo por um grande número de átomos. Em um sólido, os elétrons não estão presos a um determinado átomo e sim compartilhados entre todos eles, dispersos em uma grande região do espaço. Essa grande superposição de estados determina como os elétrons se movimentam no interior do material, seja ele um condutor, um isolante, ou um semicondutor. Compreender como os átomos compartilham elétrons entre si nos dá meios de controlar com precisão as propriedades de semicondutores como o silício. Combinando vários semicondutores da maneira correta permite-nos fabricar transistores bem pequenos, com milhões deles em único chip. Esses chips e seus elétrons deslocalizados alimentam o computador que você está usando para assistir a este vídeo. Segundo uma piada, a internet existe para que possamos partilhar vídeos sobre gatos. Porém, em um nível bem profundo, a internet deve sua existência a um físico austríaco e ao seu gato imaginário.