O experimento virtual da dupla fenda ao nível de ensino médio (Parte I): uma análise clássica do comportamento corpuscular e ondulatório e o desenvolvimento de um software computacional
Danilo Cardoso Ferreira, Moacir Pereira de Souza Filho
http://dx.doi.org/10.5007/2175-7941.2016v33n2p697 Nosso trabalho analisa o experimento virtual da dupla fenda e está dividido em duas partes: a Parte I (o presente artigo) tratará da análise clássica do comportamento (corpuscular e ondulatório) e a Parte II (trabalho futuro) abordará o comportamento quântico da luz (fótons). Inicialmente, analisaremos uma metralhadora, que dispara balas (corpúsculos) em uma parede com dois orifícios separados por uma longa distância, tendo ao fundo um anteparo no qual será possível verificar a chegada dos projéteis. Neste caso, nada de estranho ocorre e a probabilidade de chegada de uma partícula ao passar pelos dois orifícios é a simples soma das probabilidades dos projéteis passar por cada orifício separadamente. Mostraremos isso numa análise de probabilidades simples ao nível do ensino médio. Em seguida, analisaremos o comportamento ondulatório (ondas de água, por exemplo) do experimento da dupla fenda. Para isso, inicialmente, faremos uma breve revisão do conceito de interferência (construtiva e destrutiva) com o auxílio de experimentos virtuais. A análise mostra que as somas das intensidades com os dois orifícios abertos difere de um fator de interferência. Finalmente, para finalizar esta parte do trabalho, vamos ilustrar este artigo com um software desenvolvido por um grupo de alunos para realização do experimento virtual da dupla fenda com corpúsculos.
http://dx.doi.org/10.5007/2175-7941.2016v33n2p697 Nosso trabalho analisa o experimento virtual da dupla fenda e está dividido em duas partes: a Parte I (o presente artigo) tratará da análise clássica do comportamento (corpuscular e ondulatório) e a Parte II (trabalho futuro) abordará o comportamento quântico da luz (fótons). Inicialmente, analisaremos uma metralhadora, que dispara balas (corpúsculos) em uma parede com dois orifícios separados por uma longa distância, tendo ao fundo um anteparo no qual será possível verificar a chegada dos projéteis. Neste caso, nada de estranho ocorre e a probabilidade de chegada de uma partícula ao passar pelos dois orifícios é a simples soma das probabilidades dos projéteis passar por cada orifício separadamente. Mostraremos isso numa análise de probabilidades simples ao nível do ensino médio. Em seguida, analisaremos o comportamento ondulatório (ondas de água, por exemplo) do experimento da dupla fenda. Para isso, inicialmente, faremos uma breve revisão do conceito de interferência (construtiva e destrutiva) com o auxílio de experimentos virtuais. A análise mostra que as somas das intensidades com os dois orifícios abertos difere de um fator de interferência. Finalmente, para finalizar esta parte do trabalho, vamos ilustrar este artigo com um software desenvolvido por um grupo de alunos para realização do experimento virtual da dupla fenda com corpúsculos.
Nosso trabalho analisa o experimento virtual da dupla fenda e está dividido em duas partes: a Parte I (publicada) que tratou da análise clássica do comportamento (corpuscular e ondulatório) e a Parte II (o presente artigo) que aborda o comportamento quântico da luz (fótons). Nosso processo metodológico se dividiu em 3 (três) etapas: (i) analisamos, primeiramente, com o auxílio de experimentos virtuais, o comportamento de um feixe de luz que atravessou uma parede com duas fendas. Neste caso, percebe-se que a luz sofre interferência. (ii) Em seguida, utilizamos o mesmo experimento, mas agora com fótons individuais. Os fótons se comportam como ondas e sofrem interferência, como antes. (iii) Finalmente, para descobrir o que estava acontecendo, colocamos um detector próximo às fendas. Nesta situação, estranhamente, os fótons se comportaram como partículas (corpúsculos). Com o objetivo de explicar estes resultados, utilizamos a notação de brackets proposta por Paul Dirac (1902-1984) que nos permite representar os vetores de estado, os quais nos propiciam mostrar, matematicamente, o que ocorre no experimento da dupla fenda com objetos quânticos. Devido à complexidade matemática (para o ensino médio) intrínseca à notação de Dirac fizemos uma espécie de “tradução” deste recurso matemático para este nível de ensino. Acreditamos que este artifício poderá ser útil para a compreensão de outros conceitos da mecânica quântica, tais como spin 1/2 e sistemas de dois níveis.
Nessa investigacao cientifica, a proposta tem fundamentacao teorica nos campos conceituais de Gerard Vergnaud. Segundo o autor, o conhecimento so ocorre ao longo de um periodo de tempo, atraves de experiencias, maturidade e aprendizagem, vivenciados pelo proprio sujeito e, por isso, organizado em campos conceituais. De acordo com esse referencial, o aprendizado ocorre quando se adquirem, de forma integrada, representacoes, invariantes operatorios e situacoes onde se apliquem o conceito. Por isso, o nosso objetivo de investigar principalmente a aquisicao simultânea de representacoes e invariantes operatorios, durante o uso de simulacoes sobre o fenomeno da dualidade onda-particula no experimento da dupla fenda. Desta forma, destacamos quatro delas: a) Interpretacao Ondulatoria; b) Interpretacao de coletivos estatisticos (corpuscular); c) Interpretacao da duplasolucao; e d) Interpretacao da complementaridade. Desse modo, os experimentos produzem resultados intrinsecamente diferentes se o seu “setup” se altera. Quando ha a possibilidade de dois caminhos para o objeto quântico, ha o surgimento de um padrao de interferencia e a necessidade de se atribuir caracteristicas ondulatorias ao objeto quântico. Quando o setup se altera, para, por exemplo, permitir a deteccao do “caminho” percorrido pelo objeto quântico, nao ocorre a interferencia e o objeto quântico se porta de forma corpuscular. Estes experimentos contemporâneos permitem que o estudante tenha contato com situacoes que sao estudadas na area da mecânica quântica de forma bastante intuitiva. As simulacoes supracitadas irao, portanto, serem utilizadas como experimentos virtuais por estudantes de nivel medio e expondo-lhes as situacoes em que, de acordo com a interpretacao de Bohr, como um objeto quântico pode ser interpretado, e, portanto determinar a formacao do conceito de dualidade onda-particula. Durante todo o desenvolvimento da pesquisa, teremos tres focos: a) foco na representacao (ondas ou corpusculos); b) foco nos invariantes (a simulacao); e c) foco na situacao (experimentos quânticos). O metodo a ser utilizado sera uma combinacao de questoes compostas de questoes abertas sobre situacoes-problemas (pre e pos-testes) utilizando-se o protocolo Think aloud. Esperamos assim, com essa pesquisa, investigar o aprendizado nos moldes de conceitos cientificos e tornar a ferramenta um instrumento potencial na formacao dos estudantes, tanto do ensino medio ou universitario.
1 Breve nota sobre a complementaridade Em linhas gerais, no plano teórico da Física clássica, imperam duas imagens dissimilares, a onda e o corpúsculo.Uma onda pode ser definida como uma flutuação num meio e associadas a ela estão noções como o comprimento de onda, frequência de vibração e interferência.Por outro lado, na Física clássica, um corpúsculo pode ser reduzido a um ponto, correspondendo ao seu centro de massa, sobre o qual se associam noções como as de posição, momento linear e trajetória.À onda, liga-se a noção do contínuo; ao corpúsculo, a do discreto.Um exemplo de objeto físico estudado a partir da concepção ondulatória seria a luz visível.No caso corpuscular, pode-se referir às bolas de uma mesa de bilhar.Enquanto os fenômenos ondulatórios são descritos eficazmente pelo Eletromagnetismo de Maxwell, os fenômenos corpusculares são descritos eficazmente pela Mecânica Newtoniana.Assim, no contexto acima descrito, a partir do momento em que se estuda um determinado sistema físico, geralmente tem-se em mente essas distinções e identifica-se o plano teórico a ser utilizado na abordagem do problema.No caso de se estar envolvido com o estudo de corpúsculos, por exemplo, pode-se modificar o sistema das maneiras mais variadas possíveis, sem que nada ponha João Araújo / João Cordovil / José Ramalho Croca / Rui Nobre Moreira / Amaro Rica da Silva em dúvida o plano teórico a ser utilizado 1 .Isso significa que, classicamente, um objeto físico comporta-se como uma onda ou como um corpúsculo, nunca como ambos, simultaneamente.Além disso, após a identificação de uma das concepções, não se faz necessário considerar a outra ao se estudar, futuramente, os fenômenos envolvendo aquele mesmo objeto físico.Entretanto, no nível dos fenômenos da Física Quântica 2 , o panorama clássico acima delineado se altera radicalmente 3 .É bem sabido que o edifício da Teoria Quântica ortodoxa, ou Escola de Copenhague, está fundamentado, sobretudo no pensamento de Niels Bohr, expresso pelo princípio da complementaridade.(JAMMER, 1974) No tipo de complementaridade onda/corpúsculo, a descrição de um sistema envolvendo uma mesma entidade quântica invoca as duas imagens clássicas de forma excludente, porém complementar.Ou seja, as imagens onda e corpúsculo são necessárias quando se estuda os mesmos objetos quânticos em situações distintas.Assim, diferentemente da Física Clássica, onde geralmente pode-se sugerir que um objeto físico tenha uma essência de onda ou de corpúsculo, quanto ao objeto quântico somos confrontados com um dilema: a dualidade onda/corpúsculo.Matematicamente, estas noções conceituais encontraram uma correspondência com a Análise de Fourier, cujo formalismo incorpora resultados fundamentais para a Teoria Quântica Ortodoxa, nomeadamente as conhecidas Relações de Heisenberg.
A Fisica Quântica ou Mecânica Quântica e o ramo da Fisica que estuda os fenomenos subatomicos, ou seja, os fenomenos que ocorrem em escalas de nivel menor que a escala atomica e surgiu da necessidade de complementar a Mecânica Classica que ja nao podia explicar completamente alguns fenomenos, como por exemplo, o movimento dos eletrons na eletrosfera dos atomos e os diferentes comportamentos observados na luz. A Fisica Quântica constitui uma area avancada da Fisica, chamada Fisica Moderna, que geralmente nao e abordada no Ensino Medio ficando restrita a estudantes de Ensino Superior, porem desperta grande interesse daqueles que gostariam de compreender esta area que tanto contribuiu para a evolucao da Fisica. O fato de nao ser um topico abordado no Ensino Medio, juntamente com divulgacoes equivocadas dos conceitos envolvidos acaba por fazer com que parte das pessoas acredite que a Fisica Quântica esteja ligada, por exemplo, a saude e a espiritualidade. Com o objetivo de poder explica-la de forma clara e sucinta esta pesquisa busca a compreensao de alguns dos conceitos que fundamentam a Fisica Quântica bem como esclarecer, na forma de divulgacao cientifica, sua importância na evolucao do estudo da Fisica, sem aprofundamento de conteudos, ou seja, sem o uso de equacao fisicas e matematicas. Neste trabalho a principal metodologia empregada foi a Pesquisa Bibliografica realizada em livros didaticos de Fisica, livros de divulgacao cientifica e sites da internet.
A minha amada esposa, Sharita, que pelo apoio e companheirismo imensuráveis merece crédito nesse trabalho.A meus pais e irmãos que tanto me ensinaram na vida e de várias formas contribuíram para que eu trilhasse o caminho que culmina nesta tese. AgradecimentosAgradeço ao professor Eduardo Duzzioni pela orientação, pelas discussões e pelo exemplo de profissionalismo.Agradeço ao Programa de Pós-Graduação em Física da Universidade Federal de Uberlândia, pelo curso e pelos profissionais envolvidos, técnicos e docentes altamente qualificados.À compreensão do Instituto de Ciência, Engenharia e Tecnologia da Universidade Federal dos Vales do Jequitinhonha e Mucuri, em especial ao diretor Carlos Henrique Alexandrino, nos momentos em que precisei desempenhar minhas atividades referentes ao doutorado, meus agradecimentos.Agradeço ao Grupo de Óptica e Informação Quântica pelo ambiente e pelas discussões com os pesquisadores docentes e os discentes.Agradeço aqui a meus colegas discentes do grupo, entre eles, Halyne, Antônio e Patrícia, pelas discussões de pesquisa e também pelas banalidades.Para passar por um período árduo como o de um curso de doutorado, ter colegas com quem dividir o peso, as frustrações e o trabalho é de grande importância.Tive a oportunidade de conviver desde a graduação, passando pelo mestrado e até o doutorado, com dois colegas com quem pude cooperar.Foi uma honra passar esses dez anos ao lado de William e Renato.O afeto e apoio que recebi de meus pais e de minha família foram imprescindíveis para que eu pudesse ter equilíbrio para passar por todo o processo estressante de um doutorado.Cabe aqui, além do agradecimento à minha família, o reconhecimento aos meus sogros por terem me acolhido como um membro da família, o que foi muito importante na distância da minha própria família.Durante os anos de doutorado houve ocasiões em que parecia que tudo daria errado.Houve vários momentos em que a dúvida na capacidade de resolver os problemas tornou-se enorme.Nesses momentos eu pude contar com minha esposa, Sharita, para perceber que tudo poderia ser resolvido e que eu era capaz de enfrentar todos os problemas.Sem a parceria, e as praticamente sessões de análise, dessa pessoa especial este trabalho não teria sido concluído.Meu muito obrigado por ações de uma magnitude que são impossíveis de retribuir, mas que sempre tentarei. ResumoA computação quântica pode representar um avanço inestimável na solução de alguns problemas para os quais não se conhece solução eficiente ou não há tal solução afinal.Para que essa forma de computação se consolide como uma realidade vários problemas têm sido tratados pela comunidade científica como, por exemplo, a identificação de uma propriedade que seja responsável pela vantagem computacional ou, ainda, o desenvolvimento de novos algoritmos, protocolos e modelos computacionais, além do desenvolvimento técnico para produção de sistemas capazes de realizar tal computação.Considerando este cenário, os estudos apresentados nesta tese têm como temas principais as correlações quânticas -uma propriedade que conjectura-se ser uma fonte de ganho computacional para a computação quântica -e o modelo computacional denominado Deterministic Quantum Computation with One Quantum Bit (DQC1).Estuda-se, através de métodos numéricos, as correlações quânticas geradas entre dois pontos quânticos não interagentes, inseridos em uma nanocavidade óptica, na presença de canais de decoerência e observa-se que estes canais, apesar de reduzirem o potencial de geração de correlações quânticas em uma maneira geral, têm um pequeno papel construtivo.Além disso, a realização experimental de uma testemunha de classicalidade neste sistema é proposta.Avalia-se a presença destas correlações no passo-a-passo do algoritmo de Deutsch-Jozsa pelo modelo DQC1, notando-se que elas podem ser geradas e consumidas neste processo.Apresenta-se uma forma de se realizar computação pelo modelo DQC1 em um sistema óptico, onde o estado de um conjunto de qbits é codificado nos graus de liberdade transversais e a polarização é tomada como o qbit controle.Seguindo este esquema são desenvolvidas formas de realizar os algoritmos de Deutsch-Jozsa, de fatoração e de estimação de decaimento da fidelidade média, tendo sido o primeiro efetivamente realizado experimentalmente, assim como o cálculo do traço de uma matriz unitária.
Na primeira parte deste trabalho seguimos os estudos de Hirota e colaboradores e definimos quatro estados quase-Bell baseados em estados coerentes comprimidos da luz. Dois desses estados sao maximamente emaranhados, enquanto o emaranhamento dos outros dois depende apenas da sobreposicao entre os estados coerentes comprimidos que os compoem. A partir destes estados quase-Bell, definimos novos estados interpolados cujo emaranhamento e tambem governado por um parâmetro de interpolacao adicional e estudamos algumas das propriedades destes estados (emaranhamento e eficiencia energetica). Por fim, usamos estes estados e definimos alguns estados de Werner, com os quais analisamos de forma simples uma possivel influencia de um ambiente dissipativo parametrizado pela probabilidade de o estado de Werner estar em sua forma emaranhada ou misturada. Para esta analise usamos os conceitos de separabilidade e emaranhamento. Na segunda parte estudamos a estimativa de fase quântica usando estados gaussianos puros (estados coerentes comprimidos). Iniciamos com a estimativa da fase introduzida por um operador unitario em cujo hamiltoniano esta presente uma perturbacao linear nos operadores de criacao e aniquilacao, alem do operador de numero de fotons responsavel pela evolucao de fase (perturbacao linear unitaria). Obtemos quais sao os estados gaussianos otimos para a estimativa desta fase e analisamos a optimalidade da deteccao homodina. A seguir, consideramos o parâmetro de perturbacao como uma variavel aleatoria que obedece a uma distribuicao gaussiana de probabilidades (perturbacao linear aleatoria) e novamente obtemos os estados de sonda otimos e analisamos a optimalidade da deteccao homodina. Por fim, estudamos a estimativa de fase com perturbacao linear unitaria utilizando os estados quase-Bell interpolados definidos na primeira parte deste trabalho e verificamos que a utilizacao de emaranhamento permite uma melhor estimativa de fase para uma mesma energia disponivel
Abstract