Dualidade onda-partícula : um objeto de aprendizagem baseado no interferômetro de Mach-Zehnder

Abstract

Apresentamos um recurso eletrônico destinado a apoiar o ensino e facultar o estudo independente da dualidade onda-partícula na física quântica. Seguindo outros autores, escolhemos o interferômetro de Mach-Zehnder como ilustração conveniente dos conceitos. O material está organizado em "objeto de aprendizagem", cujo elemento central é uma animação interativa e comentada. Textos auxiliares apresentam o formalismo matemático subjacente bem como informações de caráter histórico, epistemológico e experimental. Três níveis de descrição são considerados sucessivamente na animação. O primeiro mostra o feixe na aproximação da óptica geométrica, enquanto o segundo analisa os aspectos puramente ondulatórios. O terceiro nível apresenta a visão corpuscular quântica, introduzindo pacotes de ondas associados a fótons individuais e explicitando a relação entre contagem e função de onda. A inserção de um detector num dos braços do instrumento permite discutir a clássica questão do caminho seguido pelo fóton. A animação apresenta visualizações dos ingredientes que fundamentam as descrições teóricas, tais como frentes de onda, deslocamentos de fase, sobreposições e separações de pacotes em componentes. Levando ao pé da letra a interpretação mais usual da mecânica quântica, exibimos na tela do computador o "colapso do estado" induzido pela observação. Acreditamos que tais visualizações teórico-conceituais complementam proveitosamente a simulação realista do dispositivo experimental desenvolvida por outros autores.

We present an electronic resource aimed for supporting the teaching and allowing the independent study of wave-particle duality in quantum physics. Following other authors, we choose the Mach-Zehnder interferometer as a convenient illustration of the concepts. The material is organized as a "learning object", the central element of which is an interactive and commented animation. Auxiliary texts present the underlying mathematical formalism as well as information of historical, epistemological and experimental nature. Three levels of description are considered successively in the animation. The first shows the beam in the approximation of geometric optics, while the second analyzes the purely ondulatory aspects. The third level presents the quantum-corpuscular view, introducing wave packets associated with individual photons and displaying the relation between counting and wave function. Inserting a detector in one arm of the instrument allows the discussion of the classical issue of the path followed by the photon. The animation presents visualizations of the ingredients which underlie theoretical descriptions, such as wave fronts, phase shifts, superpositions, and separations of wave packets into components. Taking literally the most usual interpretation of quantum mechanics, we exhibit on the computer screen the "state collapse" induced by observation. We believe that such theoretic-conceptual visualizations usefully complement a realistic simulation of the experimental device developed by other authors.