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Jornada de Iniciação Científica e Extensão

MECÂNICA QUÂNTICA NO ESPAÇO DE FASE PARA UM OSCILADOR COM MASSA EFETIVA DEPENDENTE DA POSIÇÃO

João Henrique Pachêco da Silva, Bruno Gomes da Costa

Published Sep 16, 2026• 0 citations
OpenAlex

Abstract

Este trabalho investiga a formulação da mecânica quântica no espaço de fases para sistemas unidimensionais com massa efetiva dependente da posição (PDM), utilizando duas abordagens baseadas em derivadas deformadas: uma associada a uma translação não aditiva e a outra à κ-álgebra. Ambas as deformações levam a operadores cinéticos modificados que resultam em equações de Schrödinger com potenciais efetivos específicos. A partir dos estados fundamentais obtidos analiticamente, derivamos as funções de Wigner correspondentes em forma fechada. Os resultados gráficos dessas funções revelam diferenças marcantes entre as deformações. No caso da derivada associada ao parâmetro γ, a função de Wigner inicialmente apresenta uma forma circular que se estica assimetricamente para o lado direito, refletindo a deformação logarítmica e uma dependência desigual da massa em relação à posição. Em contraste, a abordagem baseada em κ produz uma função de Wigner que mantém a simetria, com alongamento equilibrado em ambos os lados, devido à transformação via a função arcsinh, que preserva a simetria no espaço de fases. Essas características destacam os efeitos das simetrias não lineares impostas pelas deformações e fornecem uma visão detalhada da transição quântico-clássica em sistemas de massa variável. Há também concordância com a dinâmica clássica dos sistemas PDM nos valores esperados de posição e momento. Este estudo reforça a importância da função de Wigner como ferramenta para analisar sistemas quânticos deformados e suas conexões com a dinâmica clássica.

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Invariantes dinâmicos, estados coerentes e fases geométricas emmecânica quântica

Dibartolomei Antônio Pereira de Lima

Na presente tese, estudamos o oscilador harmonico generalizado com massa e frequencia dependentes do tempo e submetido a uma forca de friccao linear na velocidade cujo coeficiente de friccao depende do tempo, do ponto de vista classico e quântico. Obtivemos as solucoes da equacao de movimento classica deste sistema para alguns casos particulares e derivamos uma equacao de movimento que descreve simultaneamente tres sistemas diferentes. Em seguida, com a ajuda dos operadores invariantes quadraticos e a luz do metodo de invariantes dinâmicos encontramos as solucoes exatas da equacao de Schrodinger para este sistema. Tambem derivamos as fases geometrica, dinâmica e de Berry para este sistema nao-estacionario e as avaliamos para tres casos especiais. Ainda construimos estados coerentes para este sistema quantizado e os empregamos para investigar algumas propriedades quânticas tais como utuacoes quânticas da coordenada e momento bem como do produto das incertezas. Em seguida, utilizamos um operador invariante linear e usamos o metodo de invariantes dinâmicos para encontrar solucoes exatas da equacao de Schrodinger para um oscilador harmonico amortecido e forcado dependente do tempo. Com as solucoes desta equacao, construimos solucoes na forma de pacotes de onda Gaussianos assim como calculamos as utuacoes quânticas das coordenadas e momentos, bem como as correlacoes entre ambos. Finalmente, mostramos que a largura das utuacoes e correlacoes do pacote Gaussiano nao dependem da forca externa.

•Aug 8, 2014•0 citations

Mecânica quântica no espaço de fases

Guilherme Monteiro Oliveira

Neste trabalho estudamos uma das formulações da mecânica quântica no espaço de fases. Para tal utilizamos o formalismo de Moyal, obtido através de uma deformação da álgebra do espaço de fases clássico e a transformação de Wigner, um método que associa funções de posição do espaço de Hilbert à funções densidade de quasiprobabilidade do espaço de fases. Com estas ferramentas, estudamos os casos da partícula livre e do oscilador harmônico. Mostramos por fim que os estados coerentes de Glauber estão intimamente relacionados à equação de Liouville no caso do oscilador harmônico.

•Jan 1, 2013•0 citations

A Emergência da Mecânica Clássica e da Geometria Relativística a partir da Estrutura Interferencial da Fase. Da derivação de L= T - V à deflexão exata da luz em redes de compatibilidade dinâmica.

Jonatan P. camargo

A forma do Lagrangiano clássico \(L = T - V \)é utilizada universalmente na mecânica analítica e na formulação variacional da física. Apesar de sua centralidade conceitual, essa estrutura é historicamente introduzida como hipótese de trabalho, não sendo usualmente derivada a partir de princípios mais fundamentais. Neste trabalho apresentamos uma derivação sistemática dessa forma a partir de uma estrutura interferencial mínima baseada na fase da ação. Partimos de três hipóteses físicas amplamente observadas em fenômenos interferenciais: (i) a existência de uma quantidade acumulativa associada às trajetórias, identificada como ação \(S\); (ii) a dependência das amplitudes físicas de fatores de fase do tipo \(e^{iS/\hbar}\); e (iii) a possibilidade de parametrizar evoluções por parâmetros próprios monotônicos. Mostramos inicialmente que diferenças de ação entre sistemas geram coincidências episódicas isoladas, implicando uma discretização operacional de eventos de compatibilidade interferencial. Esses eventos organizam-se naturalmente em uma rede discreta de interações. Sob hipóteses variacionais mínimas — invariância de fase global, localidade na adjacência e conservação de fluxo — demonstramos que o operador estrutural associado à rede coincide com o Laplaciano combinatório \( K = D - A \), onde \(A\) é a matriz de adjacência e \(D\) a matriz de graus. A dinâmica linear das amplitudes complexas sobre essa rede, impondo linearidade, unitariedade e localidade, conduz a um gerador unitário da forma \( H = \alpha K + \mathrm{diag}(V) \) \cite{vrev}. No limite contínuo, o Laplaciano da rede converge para o operador diferencial \(-\nabla^2\), recuperando a equação de Schrödinger efetiva. A decomposição semiclassica \( \psi = a\,e^{iS/\hbar} \) leva, na ordem dominante em \(\hbar\), à equação de Hamilton--Jacobi \[ \partial_t S + \frac{(\nabla S)^2}{2m} + V = 0, \] da qual identificamos o Hamiltoniano efetivo \( H = \frac{p^2}{2m} + V \). Aplicando a transformada de Legendre, obtemos então o Lagrangiano \[ L = \frac{1}{2}m\dot{x}^2 - V, \] mostrando que a decomposição \(T-V\) emerge como consequência direta da estrutura interferencial da fase e da dinâmica espectral do operador de rede. Como teste físico e validação do formalismo, estendemos o resultado ao regime relativístico, identificando a fase da ação com o tempo próprio. Mostramos que o termo local do gerador de rede atua como um modificador da métrica efetiva do espaço-tempo, conduzindo naturalmente à forma isotrópica $g_{00} \approx 1 + 2\Phi/c^2$. Sob a condição de fase estacionária para geodésicas nulas, derivamos o índice de refração gravitacional exato. Isso produz o ângulo de deflexão da luz de Einstein ($4GM/c^2b$) puramente como consequência da curvatura de fase, sem postular as equações de campo da Relatividade Geral. O resultado central do trabalho é que a mecânica clássica ($L=T-V$) e a estrutura geométrica da gravitação não precisam ser assumidas como postulados independentes, mas emergem simultaneamente como limites efetivos de uma arquitetura variacional baseada em interferência de fase, discretização episódica e dinâmica espectral em redes.

•Mar 5, 2026•0 citations

Espaço do momento: modelos da química quântica

Willian Hermoso

RESUMOEm um curso tradicional de Química Quântica, os modelos estudados para ilustrar algumas das ferramentas da Mecânica Quântica relevantes para a compreensão da estrutura da matéria no nível atômico e molecular são apresentados no que se convencionou chamar, numa apresentação mais formal, de representação da posição.Nesta representação, o estado do sistema é descrito por uma função de onda dependente das posições das partículas que o constituem.Isso leva o estudante de química a uma concepção distorcida de que na natureza os estados dos sistemas devem ser obrigatoriamente descritos em termos das posições de suas partículas.Aqui mostramos que essa não é a única forma de abordar quanticamente a descrição de um sistema físico.Uma outra forma é servir-se da representação do momento, onde a função de estado depende do momento de cada uma das partículas.Existem dois caminhos para se obter as funções de estado na representação do momento.Uma delas é fazer-se a transformada de Fourier das funções de estado na representação da posição, e a outra é buscar resolver a equação de Schrödinger diretamente na representação do momento.Neste trabalho, foram discutidas essas duas abordagens para os modelos mais comuns estudados num curso de Química Quântica, sendo eles: a partícula na caixa, o oscilador harmônico, o átomo de hidrogênio, o átomo de hélio, o íon-molécula de hidrogênio (H 2 + ) e a molécula de hidrogênio (H 2 ).Buscou-se mostrar uma perspectiva diferente na descrição desses sistemas bem como uma abordagem matemática distinta da usual e, também, as dificuldades, principalmente matemáticas, de sua aplicação e ensino num curso de Química Quântica.

•Sep 17, 2008•0 citations

Transição quântico-clássica em sistemas com propensão coletiva

Milton Alexandre da Silva

Nesta tese, estudamos o comportamento de sistema quânticos cujo limite clássico pode tanto apresentar um comportamento regular como caótico. Nosso estudo se baseou na caracterização dinâmica do comportamento, caótico ou regular, destes sistemas quânticos no limite clássico através da análise da estrutura de distribuições no espaço de fases. Particularmente, aplicamos estas ferramentas ao estudo da transição quântico-clássica para uma classe de sistemas, que denominamos genericamente como sistemas com propensão coletiva, os quais possuem a importante propriedade de admitir, em um certo limite análogo ao limite termodinâmico, uma descrição de sua dinâmica em termos de um número reduzido de variáveis de natureza coletiva. Esta propriedade além de nos permitir reduzir a dinâmica de sistemas com,plicados à dinâmica de sistema com poucos graus de liberdade, também nos permite, através de um escalonamento apropriado das variáveis coletivas, estudar o limite clássico destes sistemas concomitantemente com o limite termodinâmico, evitando assim lidar diretamente com procedimentos formais usualmente associados ao limite clássico da forma h 0. Diferentemente das abordagens usuais, a abordagem que utilizamos nesta tese, baseada na propensão coletiva dos sistemas, permite a implementação de uma descrição em termos do comportamento de distribuições no espaço de fases para sistemas com espectro puramente discreto num espaço de dimensão finita.

•Mar 2, 2010•0 citations

Dinâmica quântica de sistemas não-comutativos

Fábio S. Bemfica

Este trabalho está dedicado a estudar a consistência global da dinâmica quântica de sistemas não-comutativos. Nosso ponto de partida é a teoria de sistemas vinculados, dado que esta provê uma descrição uni cada da dinâmica clássica e quântica para os modelos a serem investigados. Analisamos o problema relacionado com a existência da série de Born e unitariedade e focamos, na seqüência, na formulação funcional da dinâmica quântica dos sistemas não-comutativos. A compatibilidade entre as abordagens funcional e operatorial é substanciada de forma geral. Subseqüentemente, a transformada de Weyl generalizada de índice α é usada para implementar a de nição "via time-slicing" da integral de caminho no espaço de fase, o que nos permite calcular o correspondente propagador de Feynman. Como esperado, esta representação para o propagador de Feynman não é única, mas rotulada pelo parâmetro real α. Provamos que as contribuições dependentes de α desaparecem no limite quando o "slice" de tempo tende a zero, tal qual é requerido pela consistência da formulação. Esta prova é intrincada pois o Hamiltoniano envolve, necessariamente, produtos de operadores não comutantes. A anti-simetria da matriz que parametriza a não-comutatividade joga um papel fundamental no mecanismo de cancelamento dos termos dependentes de α. Por m, estudamos a implementação do processo formulado por Batalin, Fradkin e Tyutin (BFT), o qual permite transformar esses sistemas em uma teoria de calibre Abeliana exibindo apenas vínculos de primeira classe. A adequação da imersão BFT, como aplicada neste trabalho, é veri cada demonstrando que existe um mapeamento isomór co que conecta o modelo de segunda classe com o setor invariante de calibre da teoria de calibre. Como é sabido, a quantização funcional de uma teoria de calibre exige a eliminação da liberdade de calibre. Então, temos a nossa disposição um conjunto in nito de descrições alternativas para a mecânica quântica não-comutativa, uma para cada calibre. Estudamos as características relevantes deste in nito conjunto de correspondências. A quantização funcional da teoria de calibre é explicitamente realizada para dois calibres diferentes e os resultados comparados com o correspondente ao sistema de segunda classe. Dentro do quadro operatorial, a teoria de calibre é quantizada utilizando-se o método de Dirac.

•Jan 1, 2009•0 citations
Este trabalho investiga a formulação da mecânica quântica no espaço de fases para sistemas unidimensionais com massa efetiva dependente da posição (PDM), utilizando duas abordagens baseadas em derivadas deformadas: uma associada a uma translação não aditiva e a outra à κ-álgebra. Ambas as deformações levam a operadores cinéticos modificados que resultam em equações de Schrödinger com potenciais efetivos específicos. A partir dos estados fundamentais obtidos analiticamente, derivamos as funções de Wigner correspondentes em forma fechada. Os resultados gráficos dessas funções revelam diferenças marcantes entre as deformações. No caso da derivada associada ao parâmetro γ, a função de Wigner inicialmente apresenta uma forma circular que se estica assimetricamente para o lado direito, refletindo a deformação logarítmica e uma dependência desigual da massa em relação à posição. Em contraste, a abordagem baseada em κ produz uma função de Wigner que mantém a simetria, com alongamento equilibrado em ambos os lados, devido à transformação via a função arcsinh, que preserva a simetria no espaço de fases. Essas características destacam os efeitos das simetrias não lineares impostas pelas deformações e fornecem uma visão detalhada da transição quântico-clássica em sistemas de massa variável. Há também concordância com a dinâmica clássica dos sistemas PDM nos valores esperados de posição e momento. Este estudo reforça a importância da função de Wigner como ferramenta para analisar sistemas quânticos deformados e suas conexões com a dinâmica clássica.
Na presente tese, estudamos o oscilador harmonico generalizado com massa e frequencia dependentes do tempo e submetido a uma forca de friccao linear na velocidade cujo coeficiente de friccao depende do tempo, do ponto de vista classico e quântico. Obtivemos as solucoes da equacao de movimento classica deste sistema para alguns casos particulares e derivamos uma equacao de movimento que descreve simultaneamente tres sistemas diferentes. Em seguida, com a ajuda dos operadores invariantes quadraticos e a luz do metodo de invariantes dinâmicos encontramos as solucoes exatas da equacao de Schrodinger para este sistema. Tambem derivamos as fases geometrica, dinâmica e de Berry para este sistema nao-estacionario e as avaliamos para tres casos especiais. Ainda construimos estados coerentes para este sistema quantizado e os empregamos para investigar algumas propriedades quânticas tais como utuacoes quânticas da coordenada e momento bem como do produto das incertezas. Em seguida, utilizamos um operador invariante linear e usamos o metodo de invariantes dinâmicos para encontrar solucoes exatas da equacao de Schrodinger para um oscilador harmonico amortecido e forcado dependente do tempo. Com as solucoes desta equacao, construimos solucoes na forma de pacotes de onda Gaussianos assim como calculamos as utuacoes quânticas das coordenadas e momentos, bem como as correlacoes entre ambos. Finalmente, mostramos que a largura das utuacoes e correlacoes do pacote Gaussiano nao dependem da forca externa.
Neste trabalho estudamos uma das formulações da mecânica quântica no espaço de fases. Para tal utilizamos o formalismo de Moyal, obtido através de uma deformação da álgebra do espaço de fases clássico e a transformação de Wigner, um método que associa funções de posição do espaço de Hilbert à funções densidade de quasiprobabilidade do espaço de fases. Com estas ferramentas, estudamos os casos da partícula livre e do oscilador harmônico. Mostramos por fim que os estados coerentes de Glauber estão intimamente relacionados à equação de Liouville no caso do oscilador harmônico.
A forma do Lagrangiano clássico L=T−VL = T - V L=T−Vé utilizada universalmente na mecânica analítica e na formulação variacional da física. Apesar de sua centralidade conceitual, essa estrutura é historicamente introduzida como hipótese de trabalho, não sendo usualmente derivada a partir de princípios mais fundamentais. Neste trabalho apresentamos uma derivação sistemática dessa forma a partir de uma estrutura interferencial mínima baseada na fase da ação. Partimos de três hipóteses físicas amplamente observadas em fenômenos interferenciais: (i) a existência de uma quantidade acumulativa associada às trajetórias, identificada como ação SSS; (ii) a dependência das amplitudes físicas de fatores de fase do tipo eiS/ℏe^{iS/\hbar}eiS/ℏ; e (iii) a possibilidade de parametrizar evoluções por parâmetros próprios monotônicos. Mostramos inicialmente que diferenças de ação entre sistemas geram coincidências episódicas isoladas, implicando uma discretização operacional de eventos de compatibilidade interferencial. Esses eventos organizam-se naturalmente em uma rede discreta de interações. Sob hipóteses variacionais mínimas — invariância de fase global, localidade na adjacência e conservação de fluxo — demonstramos que o operador estrutural associado à rede coincide com o Laplaciano combinatório K=D−A K = D - A K=D−A, onde AAA é a matriz de adjacência e DDD a matriz de graus. A dinâmica linear das amplitudes complexas sobre essa rede, impondo linearidade, unitariedade e localidade, conduz a um gerador unitário da forma H=αK+diag(V) H = \alpha K + \mathrm{diag}(V) H=αK+diag(V) \cite{vrev}. No limite contínuo, o Laplaciano da rede converge para o operador diferencial −∇2-\nabla^2−∇2, recuperando a equação de Schrödinger efetiva. A decomposição semiclassica ψ=a eiS/ℏ \psi = a\,e^{iS/\hbar} ψ=aeiS/ℏ leva, na ordem dominante em ℏ\hbarℏ, à equação de Hamilton--Jacobi ∂tS+(∇S)22m+V=0, \partial_t S + \frac{(\nabla S)^2}{2m} + V = 0, ∂t​S+2m(∇S)2​+V=0, da qual identificamos o Hamiltoniano efetivo H=p22m+V H = \frac{p^2}{2m} + V H=2mp2​+V. Aplicando a transformada de Legendre, obtemos então o Lagrangiano L=12mx˙2−V, L = \frac{1}{2}m\dot{x}^2 - V, L=21​mx˙2−V, mostrando que a decomposição T−VT-VT−V emerge como consequência direta da estrutura interferencial da fase e da dinâmica espectral do operador de rede. Como teste físico e validação do formalismo, estendemos o resultado ao regime relativístico, identificando a fase da ação com o tempo próprio. Mostramos que o termo local do gerador de rede atua como um modificador da métrica efetiva do espaço-tempo, conduzindo naturalmente à forma isotrópica g00≈1+2Φ/c2g_{00} \approx 1 + 2\Phi/c^2g00​≈1+2Φ/c2. Sob a condição de fase estacionária para geodésicas nulas, derivamos o índice de refração gravitacional exato. Isso produz o ângulo de deflexão da luz de Einstein (4GM/c2b4GM/c^2b4GM/c2b) puramente como consequência da curvatura de fase, sem postular as equações de campo da Relatividade Geral. O resultado central do trabalho é que a mecânica clássica (L=T−VL=T-VL=T−V) e a estrutura geométrica da gravitação não precisam ser assumidas como postulados independentes, mas emergem simultaneamente como limites efetivos de uma arquitetura variacional baseada em interferência de fase, discretização episódica e dinâmica espectral em redes.
RESUMOEm um curso tradicional de Química Quântica, os modelos estudados para ilustrar algumas das ferramentas da Mecânica Quântica relevantes para a compreensão da estrutura da matéria no nível atômico e molecular são apresentados no que se convencionou chamar, numa apresentação mais formal, de representação da posição.Nesta representação, o estado do sistema é descrito por uma função de onda dependente das posições das partículas que o constituem.Isso leva o estudante de química a uma concepção distorcida de que na natureza os estados dos sistemas devem ser obrigatoriamente descritos em termos das posições de suas partículas.Aqui mostramos que essa não é a única forma de abordar quanticamente a descrição de um sistema físico.Uma outra forma é servir-se da representação do momento, onde a função de estado depende do momento de cada uma das partículas.Existem dois caminhos para se obter as funções de estado na representação do momento.Uma delas é fazer-se a transformada de Fourier das funções de estado na representação da posição, e a outra é buscar resolver a equação de Schrödinger diretamente na representação do momento.Neste trabalho, foram discutidas essas duas abordagens para os modelos mais comuns estudados num curso de Química Quântica, sendo eles: a partícula na caixa, o oscilador harmônico, o átomo de hidrogênio, o átomo de hélio, o íon-molécula de hidrogênio (H 2 + ) e a molécula de hidrogênio (H 2 ).Buscou-se mostrar uma perspectiva diferente na descrição desses sistemas bem como uma abordagem matemática distinta da usual e, também, as dificuldades, principalmente matemáticas, de sua aplicação e ensino num curso de Química Quântica.
Nesta tese, estudamos o comportamento de sistema quânticos cujo limite clássico pode tanto apresentar um comportamento regular como caótico. Nosso estudo se baseou na caracterização dinâmica do comportamento, caótico ou regular, destes sistemas quânticos no limite clássico através da análise da estrutura de distribuições no espaço de fases. Particularmente, aplicamos estas ferramentas ao estudo da transição quântico-clássica para uma classe de sistemas, que denominamos genericamente como sistemas com propensão coletiva, os quais possuem a importante propriedade de admitir, em um certo limite análogo ao limite termodinâmico, uma descrição de sua dinâmica em termos de um número reduzido de variáveis de natureza coletiva. Esta propriedade além de nos permitir reduzir a dinâmica de sistemas com,plicados à dinâmica de sistema com poucos graus de liberdade, também nos permite, através de um escalonamento apropriado das variáveis coletivas, estudar o limite clássico destes sistemas concomitantemente com o limite termodinâmico, evitando assim lidar diretamente com procedimentos formais usualmente associados ao limite clássico da forma h 0. Diferentemente das abordagens usuais, a abordagem que utilizamos nesta tese, baseada na propensão coletiva dos sistemas, permite a implementação de uma descrição em termos do comportamento de distribuições no espaço de fases para sistemas com espectro puramente discreto num espaço de dimensão finita.
Este trabalho está dedicado a estudar a consistência global da dinâmica quântica de sistemas não-comutativos. Nosso ponto de partida é a teoria de sistemas vinculados, dado que esta provê uma descrição uni cada da dinâmica clássica e quântica para os modelos a serem investigados. Analisamos o problema relacionado com a existência da série de Born e unitariedade e focamos, na seqüência, na formulação funcional da dinâmica quântica dos sistemas não-comutativos. A compatibilidade entre as abordagens funcional e operatorial é substanciada de forma geral. Subseqüentemente, a transformada de Weyl generalizada de índice α é usada para implementar a de nição "via time-slicing" da integral de caminho no espaço de fase, o que nos permite calcular o correspondente propagador de Feynman. Como esperado, esta representação para o propagador de Feynman não é única, mas rotulada pelo parâmetro real α. Provamos que as contribuições dependentes de α desaparecem no limite quando o "slice" de tempo tende a zero, tal qual é requerido pela consistência da formulação. Esta prova é intrincada pois o Hamiltoniano envolve, necessariamente, produtos de operadores não comutantes. A anti-simetria da matriz que parametriza a não-comutatividade joga um papel fundamental no mecanismo de cancelamento dos termos dependentes de α. Por m, estudamos a implementação do processo formulado por Batalin, Fradkin e Tyutin (BFT), o qual permite transformar esses sistemas em uma teoria de calibre Abeliana exibindo apenas vínculos de primeira classe. A adequação da imersão BFT, como aplicada neste trabalho, é veri cada demonstrando que existe um mapeamento isomór co que conecta o modelo de segunda classe com o setor invariante de calibre da teoria de calibre. Como é sabido, a quantização funcional de uma teoria de calibre exige a eliminação da liberdade de calibre. Então, temos a nossa disposição um conjunto in nito de descrições alternativas para a mecânica quântica não-comutativa, uma para cada calibre. Estudamos as características relevantes deste in nito conjunto de correspondências. A quantização funcional da teoria de calibre é explicitamente realizada para dois calibres diferentes e os resultados comparados com o correspondente ao sistema de segunda classe. Dentro do quadro operatorial, a teoria de calibre é quantizada utilizando-se o método de Dirac.