Com o intuito de fornecer materiais para complementar uma lacuna existente nos materiais didáticos de Mecânica Quântica, especialmente em cursos de formação de professores, apresentamos os postulados da Mecânica Quântica e exemplos de suas aplicações. O foco deste trabalho, especificamente, apresentar os dois primeiros postulados em alguns exemplos ilustrativos. Os exemplos utilizados são o experimento de dupla fenda, o experimento de Stern-Gerlach, a polarização da luz, o emaranhamento quântico e a criptografia quântica. Além destes, outros exemplos mais comuns na literatura são também apresentados ao final como complementação. Acreditamos que, com a devida transposição didática, os exemplos deste trabalho podem igualmente ser utilizados em cursos de formação inicial e continuada de professores e também no Ensino Médio.
Com o intuito de fornecer materiais para complementar uma lacuna existente nos materiais didáticos de Mecânica Quântica, especialmente em cursos de formação de professores, apresentamos os postulados da Mecânica Quântica e exemplos de suas aplicações. O foco deste trabalho, especificamente, apresentar os dois primeiros postulados em alguns exemplos ilustrativos. Os exemplos utilizados são o experimento de dupla fenda, o experimento de Stern-Gerlach, a polarização da luz, o emaranhamento quântico e a criptografia quântica. Além destes, outros exemplos mais comuns na literatura são também apresentados ao final como complementação. Acreditamos que, com a devida transposição didática, os exemplos deste trabalho podem igualmente ser utilizados em cursos de formação inicial e continuada de professores e também no Ensino Médio.
Resumo Neste trabalho apresentamos o protocolo de teletransporte quântico a partir dos postulados mais básicos da mecânica quântica, enfatizando em cada etapa do protocolo qual postulado estamos utilizando em sua construção e execução. Mostramos também todos os passos matemáticos necessários para entender e modelar sua primeira realização experimental. Em seguida, reformulamos este protocolo na linguagem das matrizes densidade, preparando terreno para apresentar o primeiro protocolo de tomografia de estados quânticos cujo ingrediente principal para sua execução é o protocolo de teletransporte quântico. Ao longo de nossa exposição, ilustramos por meio de várias fotos, diagramas e imagens geradas por inteligência artificial todas as etapas e equipamentos utilizados na execução do protocolo de teletransporte. Além disso, preparamos duas animações que ilustram uma execução completa do teletransporte quântico. Por fim, vale a pena dizer que quase nenhum conhecimento prévio de mecânica quântica é exigido do estudante que deseja entender os assuntos discutidos neste trabalho.
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.
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.
Dada a complexidade da representação do mundo microscópio e a necessária capacidade de abstração exigida na sua representação contemporânea, pretendemos com este trabalho identificar possíveis obstáculos epistemológicos que influenciaram a construção e o desenvolvimento histórico da mecânica quântica, bem como identificar os obstáculos epistemológicos presentes nos textos de física moderna e contemporânea dos livros didáticos. Destacando as rupturas epistemológicas como uma descontinuidade que ocorre no desenvolvimento histórico e também como uma inadequação entre o saber comum e o conhecimento científico e através de uma psicanálise do conhecimento objetivo utilizada na superação dos obstáculos epistemológicos e na retificação dos erros das concepções alternativas dos alunos, pretendemos desenvolver uma sequência didática através de uma visão filosófica não realista e elaborar textos de apoio para o estudo da questão da dualidade onda-partícula através do experimento da fenda dupla para elétrons, do interferômetro Mach-Zehnder e da interação entre radiação e matéria através do efeito fotoelétrico sob a luz do postulado quântico, que são questões essenciais da física quântica, destacando, ainda, que na física quântica a observação dos fenômenos está relacionada com o fato de que a interação dos objetos atômicos e dos instrumentos de medida é parte integrante dos fenômenos quânticos (interpretação da complementaridade). Considerando que abordagens filosóficas, de caráter ontológico e epistemológico, podem gerar estratégias e atividades que envolvam a imaginação e a abstração necessárias para o entendimento das novas teorias incluímos neste trabalho uma breve discussão sobre o realismo científico e o antirrealismo bem como um breve relato histórico deste debate filosófico, que podem e devem ser conduzidos às salas de aula. Utilizaremos como fundamento teórico para o desenvolvimento deste trabalho a epistemologia histórica de Bachelard.
Apresentamos as linhas gerais de um curso organizado para introduzir conteúdos de Mecânica Quântica a estudantes universitários de quarto semestre da área de Ciências Exatas. A proposta foi utilizada em uma disciplina de Física Geral dos cursos de Engenharia. Optamos por apresentar desde o início as características quânticas dos sistemas microscópicos a fim de propiciar que as mesmas se tornem “intuitivas” para os estudantes, recorrendo para isto a resultados de experimentos modernos. O princípio de superposição de estados, um tema geralmente pouco enfatizado nos níveis introdutórios, foi destacado na estruturação do curso. Os resultados indicam que embora algumas concepções errôneas persistam a respeito da Física Quântica, vários estudantes revelam haver adquirido uma boa compreensão deste princípio, em contraste com resultados obtidos com estudantes de turmas que receberam instrução com uma abordagem tradicional e mesmo com estudantes de semestres mais avançados do curso de Física, que se submeteram aos mesmos testes.
Inicialmente, os conceitos fundamentais e a problemática básica subjacentes ao Controle de Sistemas Quânticos são apresentados, destacando-se, por exemplo, as questões físicas e dinâmicas envolvidas, os principais tipos e metodologias de controle no contexto quântico, bem como aplicações existentes e potenciais de Controle Quântico, muitas das quais situando-se na vanguarda da Ciência e da Tecnologia. Segue-se uma exposição do arcabouço teórico básico e do formalismo padrão da Mecânica Quântica, tendo em vista prover os elementos necessários à compreensão de sistemas quânticos, sua dinâmica e seu controle. O conceito de Controlabilidade é, então, apresentado no contexto de Sistemas Quânticos. Em seqüência, os fundamentos do Controle Quântico Ótimo são desenvolvidos como uma extensão da Teoria Clássica de Controle Ótimo, apresentando-se exemplos de aplicações. Ao problema da transferência de estados quânticos para um estado-alvo em tempo mínimo é devotada especial atenção, dada sua grande relevância em aplicações tecnológicas de ponta, como em Computação Quântica e Processamento de Informação Quântica. A partir de limitações físicas que são inerentes a qualquer sistema quântico, no tocante ao tempo mínimo necessário para que ocorra uma transição de estados, propõem-se Fatores de Mérito para quantificar a eficiência dos controles quânticos ótimos que minimizam o tempo de transferência de estados. Exemplos de aplicação, estudos teóricos e estudos de casos são levados a cabo para a definição dos Fatores de Mérito associados. Este trabalho termina com estudos relativos a uma possível formulação da Teoria de Controle Quântico Ótimo em termos de Integrais de Trajetória para o tratamento de sistemas quânticos contínuos, em especial, o controle espaço-temporal de partículas quânticas. Um possível emprego do Efeito Aharonov-Bohm é também discutido como estratégia de Controle Quântico.