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.
Nhà Vật Lý người Áo Erwin Schrödinger là một trong những người sáng lập cơ học lượng tử, nhưng nổi tiếng nhất với ý tưởng ông không bao giờ làm: thí nghiệm tưởng tượng liên quan đến mèo. Ông tưởng tượng đặt một con mèo trong hộp kín cùng với một thiết bị có 50% khả năng giết chết nó trong một giờ tới. Khi thời gian kết thúc, ông hỏi: "Tình trạng con mèo sẽ như thế nào?" Theo trực quan thông thường thì con mèo hoặc là sống, hoặc là chết, nhưng Schrödinger chỉ ra rằng theo vật lý lượng tử, tại thời khắc trước khi mở chiếc hộp, con mèo đều vừa sống và chết. Chỉ cho đến khi mở chiếc hộp ra ta mới biết tình trạng thật sự của con mèo. Còn trước đó, con mèo là một xác suất không rõ ràng, nửa thế này, nửa thế kia. Điều đó có vẻ vô lý, và cũng chính là ý của Schrödinger. Ông nhận thấy vật lý lượng tử quá phiền toái triết học, đến nỗi ông phải bỏ lý thuyết đã đóng góp và chuyển sang viết về Sinh Học. Mặc dù nó có vẻ vô lý, con mèo của Schrödinger là rất thật. Thực tế, nó khá quan trọng. Nếu vật chất lượng tử không thể ở hai trạng thái cùng một lúc, thì sẽ không có máy tính bạn đang dùng để xem cái này. Hiện tượng lượng tử của sự chồng chập là kết quả của bản chất kép: hạt và sóng của mọi vật. Để một vật có bước sóng, nó phải mở rộng tới nhiều vùng không gian, nghĩa là giữ nhiều vị trí tại một thời điểm. Bước sóng của một vật bị giới hạn trong vùng không gian nhỏ không thể hoàn toàn xác định được. Vì thế, tồn tại nhiều bước sóng khác nhau tại cùng thời điểm. Chúng ta không thấy được những sóng này trong các vật hàng ngày vì bước sóng giảm khi động lượng tăng. Và con mèo thì tương đối lớn và nặng. Lấy một nguyên tử và phóng to bằng kích thước Hệ Mặt Trời, đối với nhà vật lý, bước sóng của con mèo cũng chỉ nhỏ như một nguyên tử trong Hệ Mặt Trời. Nó quá nhỏ để phát hiện, vậy nên, ta không bao giờ thấy được hành vi sóng của con mèo. Một hạt nhỏ, như electron, có thể chỉ ra bằng chứng mạnh mẽ của bản chất kép. Nếu lần lượt bắt từng hạt electron vào một màn có hai khe hẹp, mỗi electron sẽ xuất hiện ở màn chắn tại một điểm, vào một thời điểm nhất định, như một hạt. Lặp lại thí nghiệm nhiều lần, theo dõi tất cả những dấu vết đơn lẻ, bạn sẽ thấy chúng tạo thành tiêu bản thể hiện tính chất của sóng: một tập hợp các sọc - gồm các vùng nhiều electron được ngăn cách bởi các vùng trống không. Ngăn một khe lại, các sọc biến mất. Điều đó chỉ ra rằng tiêu bản là kết quả của mỗi electron đi qua cả hai khe cùng một lúc. Một electron không chọn đi sang trái hay sang phải mà đồng thời cả hai. Sự chồng chập trạng thái này cũng mang đến công nghệ hiện đại. Một electron gần hạt nhân nguyên tử chuyển động trong quỹ đạo phân tán, giống như sóng. Đưa hai nguyên tử lại gần nhau, electron sẽ không phải chọn một nguyên tử mà được chia sẻ giữa chúng. Đó là cách hình thành một số liên kết hóa học. Một electron trong phân tử không chỉ ở nguyên tử A hay B, mà là cả A+B. Thêm nguyên tử, electron càng phân tán, chia sẻ giữa số lượng lớn nguyên tử cùng một lúc. Electron trong chất rắn không giới hạn trong một nguyên tử nào mà được chia sẻ giữa chúng, mở rộng ra một khoảng không gian lớn. Sự chồng chập khổng lồ của trạng thái này quyết định cách electron di chuyển quanh các chất liệu, để xác định chất dẫn điện, chất cách điện hoặc chất bán dẫn. Hiểu làm thế nào electron được chia sẻ giữa các nguyên tử cho phép chúng ta kiểm soát chính xác tính chất của vật liệu bán dẫn, ví dụ như silicon. Kết hợp nhiều vật bán dẫn đúng cách cho phép ta tạo ra bóng bán dẫn ở tỷ lệ siêu nhỏ, hàng triệu bóng trong một chip máy tính. Con chip và electron phân tán tiếp năng lượng cho chiếc máy tính bạn đang dùng để xem video này. Có lời nói đùa rằng Internet tồn tại cho phép ta chia sẻ video về mèo. Xem xét ý nghĩa sâu xa, quả thật Internet mắc nợ nhà Vật Lý người Áo kia và con mèo tưởng tượng của ông.