Revista Brasileira de Ensino de Fısica, v. 36, n. 1, 1505 (2014)www.sbfisica.org.br

Mecanica cuantica fundamental, una propuesta didactica(Fundamental quantum mechanics, a didactic proposal)

Jhonny Castrillon1, Olival Freire Jr.2, Boris Rodrıguez1

1Instituto de Fısica, Universidad de Antioquia, Medellın, Colombia2Instituto de Fısica, Universidade Federal da Bahia, Salvador, BA, BrasilRecebido em 20/6/2013; Aceito em 6/10/2013; Publicado em 26/2/2014

La mecanica cuantica fundamental (MCF) es una exposicion comentada de los experimentos y conceptosfundamentales de la mecanica cuantica, que es la teorıa fısica del dominio cuantico de fenomenos: el principio desuperposicion y el entrelazamiento cuantico se proponen como el fundamento teorico de la descripcion cuantica.De estas nociones base se presenta su formalismo para sistemas de dos niveles. Tambien se exponen las ideas deprobabilidad, evolucion (dinamica) y medicion con el fin de plantear el problema de la medicion. Finalmente,esta construccion teorica es contextualizada en experimentos emblematicos del dominio cuantico: la doble ren-dija, el experimento de Stern-Gerlach y el interferometro de Mach-Zehnder, y en aplicaciones tecnologicas, comola teletransportacion y la criptografıa cuanticas. Ademas, la MCF es una propuesta didactica, materializada enseis secuencias didacticas, dirigida a profesores en formacion lo mismo que a estudiantes de secundaria.Palabras-clave: ensenanza de la mecanica cuantica, fundamentos de mecanica cuantica, secuencias didacticas.

Fundamental quantum mechanics (FQM) is a commented presentation of fundamental experiments and con-cepts of quantum mechanics, the physical theory of the quantum phenomena domain: superposition principleand quantum entanglement become the cornestone of the theoretical foundation of the quantum description. Theformalism of these basic notions, for two-level systems, is presented. Also, the quantum measurement problemis stated through the discussion of the ideas of probability, evolution (dynamics) and measurement. Finally, thistheoretical construction is contextualized in emblematic experiments of the quantum domain: the two slit expe-riment, the Stern-Gerlach experiment and the Mach-Zehnder interferometer, and in technological applications,such as quantum teleportation and quantum cryptography. Besides, the FQM is a pedagogical proposal, formedby six didactic sequences, for high school teachers and students.Keywords: quantum mechanics teaching, foundations of quantum mechanics, didactic sequences.

1. Introduccion

La mecanica cuantica fundamental (MCF) es una pro-puesta didactica para la teorıa cuantica, dirigida aprofesores y estudiantes de secundaria, ası como a pro-fesores en formacion.2 El problema doble que enfrentala propuesta es (1) presentar la mecanica cuantica(MC) como descripcion fısica del dominio cuantico defenomenos y (2) disenar materiales didacticos que exhi-ban los fenomenos cuanticos a la manera de situacionesproblema, y que expongan como la MC los estudia y

soluciona. El primer momento se refiere al aspectodisciplinar o los contenidos a estudiar, y el segundo aldidactico o las estrategias a implementar en el aula.3

La ensenanza de la MC introductoria es todavıa uncampo en formacion [1–9]; no obstante, cabe reconoceren las propuestas cuatro rasgos generales conectados,a saber, (1) la eleccion epistemologica o interpretacionque dan a la MC , (2) una perspectiva o acercamientopara abordarla, (3) cierto uso de la historia y la filosofıade las ciencias (HFC) para contextualizar la MC, y (4)

1E-mail: castrillon.jhonny@gmail.com.

Copyright by the Sociedade Brasileira de Fısica. Printed in Brazil.2En general, va dirigida a una audiencia con la alfabetizacion propia, en matematicas y geometrıa, de un estudiante de secundaria.

En esta medida puede servir para introducir a estudiantes universitarios de primeros semestres de ciencias e ingenierıa, ası como aprofesionales de cualquier area interesados en la materia. En concreto, se trata de una planeacion de lecturas y actividades para uncurso de 64 horas, que puede dictarse en un semestre academico de 16 semanas, con intensidad de 4 horas por semana.

3Si bien la propuesta aun no ha sido llevada al aula, razon por la cual no es posible valorar su impacto en los alumnos, la pertinenciade este artıculo radica en la justificacion que hace de los contenidos seleccionados como fundamentales para un primer acercamiento ala MC. Ası, no se trata tanto de reportar resultados de una pesquisa en ensenanza de la fısica, sino de la presentacion de nuevos pro-ductos y materiales didacticos. En particular, de la manera en que se construyeron secuencias didacticas para algunos de los contenidosmodernos de los fundamentos de la mecanica cuantica, y de la planeacion de actividades para su estudio, al termino del cual se esperaque los alumnos adquieran una perspectiva basica de lo que es la fısica cuantica.

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la relaciones que establecen entre fısica cuantica y fısicaclasica.

En lo que respecta a la MCF, es una propuesta que:

1. Interpreta las entidades cuanticas como sistemasfısicos reales plenamente descritos por vectores deestado. La realidad de los sistemas es el con-junto de representaciones que establecen los es-tados cuanticos con sus cantidades fısicas obser-vables, tanto a nivel formal como experimental.Estos estados cuanticos, ası mismo, proveen todala informacion fısica relevante de su sistema aso-ciado [10].

2. Ofrece una perspectiva para la MC [11], basadaen conceptos fundamentales (superposicion y en-trelazamiento cuantico), que provee los terminospara plantear sus problemas (por ejemplo, el dela medicion), ası como para comprender sus reali-zaciones basicas, como las experimentales (expe-rimento de la doble rendija y de Stern-Gerlach,por ejemplo) y algunas aplicaciones de interesmoderno (en informacion cuantica). Todo estoenunciando el significado fısico de los objetos ma-tematicos principales de la MC, a saber, los espa-cios vectoriales complejos y los operadores linea-les.

3. En cuanto al uso de la HFC, abandona el estilohistorico dominante, que inaugura la MC con laradiacion de cuerpo negro de Planck, pasa por elefecto fotoelectrico de Einstein, el modelo atomicode Bohr, y finaliza en la ecuacion de Schrodin-ger; en provecho de una historia crıtica [4, 12],que toma como lecciones historicas los trabajos defısicos inconformes con la interpretacion estandarde la MC, y que puede ordenarse desde el famosoartıculo EPR, pasando por los comentarios que lehizo Bohm, y que encuentra en el teorema de Bell,y en los experimentos que le siguieron, una nu-eva agenda para los fundamentos de la mecanicacuantica.4

4. Por ultimo, relaciona los dominios cuantico yclasico de fenomenos, como coexistentes aunqueirreductibles. Esta postura tiene la intenciondidactica de enfatizar la nueva fısica que exhibeel dominio cuantico, que no puede ser descrita enterminos clasicos; pero sin olvidar la autonomıadel mundo clasico: entre los dominios hay puesuna frontera y no tanto una barrera [14]. En lapractica, y siguiendo las recomendaciones de [9],la propuesta evita lo mas posible referencias aconceptos clasicos, como hablar de las propieda-des posicion (q) y momentum (p), es decir, de la

idea de trayectoria; o de los modelos de onda opartıcula, que no obstante su eficacia descriptivade fenomenos clasicos, al dıa de hoy no hay clari-dad en cuanto a su estatus en el mundo cuantico.5

La siguiente seccion es una descripcion de los conteni-dos de la MCF y de como son implementados en lassecuencias didacticas, usando los criterios previos. Latercera seccion resume las seis secuencias que confor-man la propuesta. En la seccion cuatro se describenen detalle las secuencias sobre superposicion y entrela-zamiento. Por ultimo, se presentan las perspectivas yconclusiones.

2. El dominio cuantico de fenomenos ysu teorıa fısica

En el aula, donde la propuesta es puesta en practica,los aspectos disciplinares y didacticos son una unidad.Cada disciplina, al menos en lo que tiene de singular,merecerıa una didactica ajustada a su problematica.Las secuencias que componen la MCF son pensadaspara formular los fundamentos de la mecanica cuanticacomo un solucionador de problemas. En otras pala-bras, la misma red de relaciones conceptuales llamada“mecanica cuantica” sirve para comprender fenomenoscuanticos y para aprender a plantear y resolver situa-ciones problema del dominio cuantico: comprender yaprender, en esta propuesta, son un mismo objetivo.

El dominio cuantico de fenomenos es como un espaciopoblado de acontecimientos a los que puede asignarserasgos cuanticos para su comprension. La MCF tiene laforma de un relato sobre lo que ocurre en este dominiofısico. En primer lugar, sobre como los objetos queahı se encuentran (los sistemas cuanticos) tienen unasmaneras de ser (superposicion de estados) y unas pro-piedades medibles (las magnitudes fısicas observables),que exigen una nueva intuicion para ser comprendidos.Estos objetos son cosas, conocibles en virtud de suspropiedades, pero de una naturaleza sin equivalenteclasico. Esta naturaleza cuantica exige el abandono deciertas maneras clasicas de conocer, y por lo tanto, laelaboracion de una intuicion cuantica adecuada al sercuantico de las cosas.

¿Como se logra pensar esta novedad? La buena no-ticia es que las matematicas (el algoritmo cuantico)se ajustan tan bien a esta intuicion, que no solo dancuenta de las relaciones posibles entre los objetos y suspropiedades medibles, sino que ademas revelan otramanera de unir los objetos entre sı y con su entorno(entrelazamiento cuantico).

4La propuesta de [13] exhibe otro uso crıtico de la historia, muy afın a la MCF, en la que tambien puede decirse que prima lajerarquıa conceptual sobre el orden cronologico.

5Vease por ejemplo la interesante propuesta de [15], y el debate que provoco en [16], [17] y [18].

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Avanzando en la descripcion cuantica aparece un pro-blema (el problema de la medicion): mas alla de losretos propios de las matematicas y de los experimentos,hay una dificultad conceptual en reconciliar dos mane-ras diferentes en que evolucionan o cambian los sistemascuanticos (linealidad del algoritmo y no-linealidad delcolapso). Ası mismo, debates en torno al significadode la MC, como el de la medicion, posibilitaron el sur-gimiento de una nueva ciencia, en la que confluyen lamecanica cuantica y las ciencias de la computacion (in-formacion cuantica).

Paralela a la construccion del dominio cuantico, la MCFnarra la existencia de otro dominio, el clasico, cuyosobjetos tambien tienen estados y propiedades fısicasmedibles, y una comprension basada en modelos ma-tematicos, pero nada de esto resulta problematico por-que los estados clasicos, a diferencia de los cuanticos, seajustan muy bien a la logica clasica del sentido comun.Esta distincion de dominio se aprecia en la incompati-bilidad de ciertas propiedades cuanticas, que da origena las famosas relaciones de indeterminacion de dichaspropiedades: la imposibilidad fundamental de deter-minar simultaneamente sus valores en una medicion.Este importante resultado y la no-localidad observadaen sistemas entrelazados, son evidencias de que la re-alidad de los sistemas cuanticos es de una naturalezamuy diferente a su contra parte clasica.6

Estos son, a grandes rasgos, los contenidos desarrolla-dos en la propuesta. Ahora interesa justificarlos. ¿Porque estos y no otros? Como guıa al lector, la Tabla 1tiene los tıtulos y resumenes de las seis secuencias, cada

una especializada en un concepto o resultado cuantico;pero en referencia directa con las demas.7

En la primera secuencia, Superposicion, se evidenciala necesidad de este concepto para dar cuenta de losresultados de experimentos que involucran propiedadesincompatibles. Pero es solo tras la presentacion de suexpresion formal que es posible comentar su significadofısico, en particular, su funcion de representar cualquierestado cuantico, vıa el principio de superposicion. Paratal fin, en la secuencia Algoritmo, estados y propie-dades se modelan, respectivamente, mediante corres-pondencias con vectores y operadores auto-adjuntosen un espacio de Hilbert. En particular, se estudiansistemas cuanticos de dos niveles, esto es, el espaciode Hilbert de dos dimensiones, y operadores-matrices2 × 2 actuando sobre el.8 Por otro lado, el uso de lasmatematicas le da a la mecanica cuantica uno de losrasgos de su cientificidad: la modelacion matematicaes esencial en el estudio del dominio cuantico, antetodo porque las correspondencias matematicas expre-san relaciones seguras entre las propiedades fısicas, loque permite proponer la teorıa fısica cuantica como lamejor descripcion posible para el dominio cuantico.

La secuencia Entrelazamiento, por su parte, es unademostracion de lo no adecuado de las ideas del rea-lismo local para predecir el entrelazamiento cuantico.Aunque hay referencias a la expresion formal del estadoentrelazado, y a su significado, el enfasis de la secuenciaconsiste en hacer manifiesta la novedad conceptual deeste fenomeno.

Tabela 1 - Secuencias didacticas de la MCF.

No. Tıtulo Palabras Clave1 Superposicion Propiedad fısica, Estado cuantico, Sistema cuantico, Incompatibilidad, Indeterminacion.2 Algoritmo Vector, Operador, Espacio de Hilbert, Correspondencia, Superposicion. (Se estudia el caso particular

del formalismo para sistemas de dos niveles).

3 Entrelazamiento Sistemas compuestos, Realismo local, Desigualdad de Bell, No-localidad, Imagen cuantica del mundo.

4 Medicion Probabilidad epistemica y frecuentista, Evolucion (lineal) determinista, Evolucion no-determinista(Colapso), Determinismo estadıstico, Esquema de mediciones cuanticas ideales, El problema de lamedicion.

5 Experimentos Doble rendija, Stern-Gerlach, Interferometro de Mach-Zehnder, “Borrador cuantico.”

6 Aplicaciones La MC como teorıa fısica fundamental, tecnologıas de origen cuantico, Informacion cuantica (crip-tografıa, teletransportacion, algoritmo de Deutsch-Jozsa).

6Gesche Pospeich [8] declara que la mayorıa de las dificultades para comprender la mecanica cuantica estan arraigadas en la ex-periencia cotidiana segun la cual los objetos tienen propiedades definidas y en la percepcion que las cosas estan separadas entre sı yde su entorno. En esta propuesta se muestra lo inadecuado de estas concepciones clasicas, y se da el lugar a la superposicion y elentrelazamiento como soluciones cuanticas a estas nuevas maneras de ser y de unirse.

7Las versiones ıntegras de las seis secuencias, ası como sus Lecturas o textos de apoyo correspondientes, conforman un texto completoque recibe el mismo tıtulo de este artıculo, y que esta disponible para el lector mediante comunicacion con los autores. Actualmente eldocumento se encuentra en preparacion para publicarlo como un libro de texto.

8Si bien los sistemas de dos niveles son los mas simples, y esto es una ventaja didactica, expresan plenamente la naturaleza cuantica;ademas, su uso generalizado en las investigaciones de Fundamentos de Mecanica Cuantica, ha resultado en que la mayorıa de bibliografıadisponible en el tema haga referencia explıcita a estos sistemas

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El entrelazamiento confirma la independencia de losdominios clasico y cuantico, tambien comentada en laprimera secuencia a proposito del principio de indeter-minacion. Dicha independencia se debe a la irreductibi-lidad de los fenomenos cuanticos: la nueva fısica reque-rida en la comprension de su comportamiento no puedereducirse a ningun resultado de las teorıas previas a lamecanica cuantica. Antes bien, la superposicion y elentrelazamiento se presentan como resultados formales(nuevos) que expresan la naturaleza de los sistemascuanticos, en particular, nuevas maneras de ser y deunirse.

El criterio de predictibilidad para los resultados de me-diciones de propiedades en sistemas cuanticos se basaen la nocion fısico-matematica de amplitud de proba-bilidad. En efecto, concordando con la sugerencia deMichel Paty [19] de extender el significado de probabi-lidad en el dominio cuantico, esta ya no remite a unaignorancia sobre eventos posibles ni solo a una frecuen-cia relativa en experimentos repetidos, sino a una nuevapropiedad fısica. Ası, la amplitud de probabilidad queaparece en el estado de superposicion expresa que di-cho estado es una combinacion de posibilidades fısicas,que puede ser contextualmente actualizado en una me-dicion. Ası mismo, aunque en terminos netamenteinstrumentales, Asher Peres [20] acuna la expresion de-terminismo estadıstico para caracterizar la prediccionen MC: en un prueba cuantica se predicen con certeza(aspecto determinista) las probabilidades de ocurrenciade los resultados posibles (aspecto estadıstico). La MCpredice probabilidades, lo que constituye otro rasgodistintivo respecto de las teorıas clasicas.

Estas sutilezas conceptuales, tal vez las mas contro-versiales del ideario cuantico, se discuten con algo dedetalle en la secuencia Medicion, complementando lasreferencias previas de Paty y Peres con las presen-taciones de [13], [21] y [22] sobre el problema de lamedicion, que formalmente surge de que hay dos tiposde evolucion (cambios de estado debido a interacciones)irreconciliables que desarrollan los sistemas cuanticos:la evolucion lineal de la ecuacion de Schrodinger (en laque superposiciones evolucionan a superposiciones) y elcolapso o reduccion de estado (en la que una superpo-sicion se proyecta a uno de sus estados posibles). Estadoble forma de evolucionar de los sistemas cuanticosencuentra su expresion formal en el esquema de medici-ones cuanticas ideales, en que se modela la interacciondel sistema con el aparato mediante su entrelazamiento,lo que produce que la naturaleza cuantica del sistemase amplifique al aparato.

En la secuencia Experimentos se describen los monta-jes experimentales listados (ver Tabla 1), ası como elsistema cuantico, la propiedad que quiere determinarsey/o el rasgo cuantico que quiere observarse. Se buscaevidenciar que un tratamiento apropiado para com-prender la interaccion del sistema con el instrumento,y sus resultados, requiere de la estructura conceptualmecanico-cuantico estudiada en las secuencias anteri-ores: se aplicaran entonces la superposicion, el entre-lazamiento; la indeterminacion, la incompatibilidad yla probabilidad; la evolucion lineal y el colapso. Enotras palabras, se trata de ver en los montajes experi-mentales lo que se comprende en estos conceptos. Ensegundo lugar, se busca explicitar la equivalencia deestas pruebas cuanticas entre sı: hacer manifiesto quese utiliza el mismo esquema conceptual para compren-der el comportamiento de los sistemas, ası las pruebassean diferentes, y que esto es posible, de nuevo, graciasal principio de superposicion como representante gene-ral del estado cuantico. De este modo podemos ver lamecanica cuantica como el procedimiento intelectualpara dar sentido fısico a las observaciones experimen-tales.

La ultima de las secuencias describe algunas de lasAplicaciones de la MC. Aplicaciones conceptuales ytecnologicas que sirven de criterio de versatilidad delconocimiento cuantico. Primero en la ciencia: la MCsirve para describir una vasta gama de fenomenos a to-das las escalas y en diversas areas de la fısica, la quımicay la biologıa, desde partıculas elementales hasta cosmo-logıa del universo temprano.9 Segundo, se destaca laimportancia de la MC para el desarrollo de tecnologıasque cambiaron radicalmente el mundo: el transistor yel laser en otros.

Pero la aplicacion tecnologica y conceptual central esla de informacion cuantica. Esta eleccion tiene que vercon que la hoy establecida area de informacion cuanticaemerge a instancias del prolongado debate iniciado porEinstein y Bohr sobre el significado fısico del estadocuantico, y en general sobre la validez descriptiva de lamecanica cuantica. Ası vista, la informacion cuantica esel resultado de una controversia intelectual (cientıfica,pero tambien filosofica) en la que es posible distinguirla crıtica como criterio cientıfico de trabajo: las ideastienen una historia, son producidas en el seno de unacomunidad, son una actividad cultural, y las cientıficasen particular expresan el pensamiento crıtico en su evo-lucion. Es esta crıtica justamente la que promueveemergencias y modificaciones en los programas de in-vestigacion. En el caso de la informacion cuantica unode sus conceptos clave es el entrelazamiento, que fue

9A este respecto la secuencia hace eco de la exposicion del primer capıtulo de [23] sobre la mecanica cuantica como teorıa fundamental,y en la que estas aplicaciones son presentadas de una manera accesible a la gran audiencia.

10Es decir, como un objeto tecnologico, particularmente en el procesamiento de informacion. A este respecto ver [25] y el capıtulo 9de [13].

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concebido inicialmente como una “misteriosa accion adistancia” [24] y que es visto hoy como un recurso.10

Otra razon para la eleccion de esta “aplicacion” es me-todologica: a pesar de su sofisticacion, formal y expe-rimental, ha habido notables esfuerzos en divulgarla.11

3. Secuencias didacticas

La funcion de las secuencias es proponer y ordenar unaserie de actividades para ser implementadas en el aula,con el objetivo propiciar el aprendizaje de la nociono procedimiento que trata cada una; ademas, permitehacer seguimiento continuado de este aprendizaje me-diante actividades de evaluacion: preguntas, ejerciciosy problemas. Cada secuencia remite a una Lectura otexto de apoyo que sirve de base para las discusiones yactividades en el aula.

Cada actividad esta pensada para realizarse en unahora de aula. En procura de una participacion activadel aprendiz, los contenidos han sido presentados a lamanera de situaciones problema, en orden ascendentede complejidad, cuya solucion es esencial para poderavanzar en el desarrollo de la secuencia, es decir, enel aprendizaje de dichos contenidos. A los aprendicescorresponde leer, escribir y exponer, individualmente yen grupo, las situaciones que van encontrando en su ex-ploracion del mundo cuantico. Por su parte, el docentepropone discusiones a partir de reflexiones que hace dela lectura del texto de apoyo, y presenta las situacionesproblema, y los terminos para su solucion. En ninguncaso le corresponde a el resolverlas.

La forma de las secuencias se basa en las Unidades deEnsino Potencialmente Significativas (UEPS)12 idea-das por Marco Moreira. Con todo y que la escriturade las secuencias ha tratado de ser fiel a su filosofıa, yen la medida de lo posible implementa sus principiosprogramaticos, no son, propiamente hablando, UEPS.Harıa falta un estudio mas profundo de sus teorıas deaprendizaje subyacentes. En cualquier caso, son apro-ximaciones a dichas UEPS, y tienen el mismo objetivode ordenar los contenidos de la materia de ensenanzaen provecho de un proceso de aprendizaje exitoso.

De otro lado, las Lecturas son adaptaciones de textosdivulgativos o textos guıa de mecanica cuantica que sehan organizado en secuencias de situaciones problemade complejidad creciente, tratando ası de convertirseen materiales de ensenanza.13

Por ultimo, la Fig. 1 es un mapa conceptual de la pro-puesta.

3.1. Superposicion

En la seccion 4.1. se muestra en detalle esta secuenciadidactica.

3.2. Algoritmo

3.2.1. Objetivo

Estudiar las matematicas usadas en el algoritmocuantico, para sistemas de dos niveles, en funcion desu significado fısico. Esto es posible enfatizando queel formalismo expresa ante todo relaciones entre con-ceptos fısicos. Si bien es importante ejercitarse en suoperatividad, y esto es tenido en cuenta en las activi-dades propuestas, esa operatividad deviene en apren-dizaje toda vez que exprese apropiadamente su sentidofısico, que en este caso sirve de base para la “intuicioncuantica” pendiente de la secuencia anterior. Por otrolado, el nivel de exposicion es el propio de un estudiantede secundaria: el aprendiz no requiere de conocimientossofisticados para iniciarse en el estudio de la mecanicacuantica.

3.2.2. Descripcion

Esta secuencia consta de dos partes, Modelos ma-tematicos, que tiene siete actividades y Algoritmocuantico, que tiene cinco, incluida la evaluacion final.La primera parte es una presentacion de las ideas devector, espacio vectorial y operador, y sus operacionesprincipales. Los ejemplos usados, y las actividades pro-puestas, son en el espacio vectorial real, con todo, secomenta el hecho que el espacio general es complejo. Amedida que van surgiendo nuevas definiciones, se intro-duce su significado fısico, es decir, las correspondenciasmediante las cuales es posible expresar el mundo fısicocon entidades matematicas. A este respecto, la secuen-cia inicia con una reflexion del uso que la fısica hace delas matematicas: ante todo sirven para expresar rela-ciones, y no tanto para hacer cuentas, o “resolver ecua-ciones”. Esta reflexion es retomada en la segunda parte,donde se establecen con mas firmeza las corresponden-cia que en la primera solo fueron enunciadas. De estemodo la superposicion encuentra su expresion formal ysu significado fısico: expresa cualquier estado cuanticoen terminos de los autoestados de algun operador ob-servable.Dos referencias claves en la presentacion del formalismocuantico para el nivel deseado fueron [9] y el capıtulo 2de [21].

11En particular, la secuencia hace uso del libro de Anton Zeilinger [26], concebido para exhibir el comportamiento de los fotones atodo publico.

12www.if.ufrgs.br/~moreira/UEPSport.pdf13Ver nota al pie 7.

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Figura 1 - Mapa conceptual de la MCF.

3.3. Entrelazamiento

En la seccion 4.2. se muestra en detalle esta secuenciadidactica.

3.4. Medicion

3.4.1. Objetivo

Enunciar el problema de la medicion en mecanicacuantica. Interesa particularmente estudiar el vınculoque establecen modelos teoricos y resultados experi-mentales, y su objetivo comun de comprender el mundofısico. Esta manera fısica de conocer vale tanto para eldominio clasico como para el cuantico, y el proceso ge-neral que la rige es la medicion. Con todo, la naturaleza

cuantica irreductible al mundo clasico (superposiciony entrelazamiento) hace que su proceso de mediciondescalifique la creencia en que los sistemas fısicos po-seen propiedades independientes de su observacion (me-dicion). Se busca ası hacer manifiesto el contraste entreesta percepcion infundada, por la experiencia cotidiana,y el concepto de medicion que hay que comprender enel dominio cuantico.

3.4.2. Descripcion

Tanto en fısica clasica como en mecanica cuantica, elproceso de medicion consiste en estudiar la interaccionentre el sistema fısico (cuyas propiedades quieren me-dirse) y el aparato de medicion. Este estudio comporta

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a la vez los aspectos teoricos y experimentales de dichainteraccion, cuyo vınculo principal es la verificacion delas predicciones del primero en los resultados del se-gundo. En esta secuencia se proponen lecturas y acti-vidades dirigidas a enfatizar el contraste entre la ideacorriente (clasica) de medicion, segun la cual es un pro-ceso que “revela” el valor de las propiedades medidas(vision a su vez sustentada en la impresion cotidianaque atribuye valores determinados a dichas propieda-des), y su contra parte cuantica, que antes de basarseen impresiones cotidianas, se erige como un concepto.Para construir este concepto de medicion, llamado es-quema de mediciones cuanticas ideales se revisa pri-mero la idea de probabilidad, identificando la trans-formacion que sufre dicha nocion, respecto a los usosque de ella hace la fısica clasica, cuando aparece comopropiedad fısica de los sistemas cuanticos y que es pre-dicha por el principio de superposicion. Seguido se pre-sentan los dos tipos de evoluciones cuanticas, a saber,la dinamica lineal de Schrodinger y el colapso de vonNeumann, y el conflicto entre ellas, que da lugar al fa-moso problema de la medicion en mecanica cuantica.Problema con cuyo planteamiento termina la secuen-cia, mostrando una nueva perspectiva para apreciar lanovedad de los sistemas cuanticos y la descripcion quede ellos hace la mecanica cuantica.

3.5. Experimentos

3.5.1. Objetivo

Contextualizar los principios y conceptos cuanticos dis-cutidos en las secuencias anteriores, en cuatro montajesexperimentales. En cada uno de ellos se logra identi-ficar el sistema y sus propiedades de interes, ası comoel instrumento de medicion y sus registros, de los queson obtenidos los resultados experimentales. Los expe-rimentos crean las condiciones materiales que permitenver el fenomeno cuantico; pero estas “imagenes” ca-recen de sentido fısico sin el formalismo que deja leerdicho fenomeno. Por eso las descripciones ofrecidas deestos experimentos traen tambien sus expresiones for-males. Por ultimo, las correspondencias entre el ver yel leer se logran mediante los conceptos, con los cualeses posible comprender el fenomeno: superposicion, me-dicion, indeterminacion, entrelazamiento, entre otros.

3.5.2. Descripcion

La fısica es una ciencia experimental. Todas sus teorıas,la mecanica cuantica incluida, se basan en conceptoscuyo sentido y significado dependen de observacioneso mediciones, o en general, de experimentos. Quizasera esto lo que Asher Peres querıa expresar en uno desus aforismos mas famosos: Los fenomenos cuanticosno ocurren en un espacio de Hilbert, ocurren en un la-boratorio. El texto de apoyo de dichas actividades se

esmera en describir los montajes y resultados de cuatroexperimentos fundamentales de la mecanica cuantica:el experimento de la doble rendija, el experimento deStern-Gerlach, el interferometro de Mach-Zehnder, yuna modificacion de este ultimo en el que se observael fenomeno de borrado cuantico. Todos estos experi-mentos se realizan sobre una coleccion grande de sis-temas cuanticos individuales, o mas exactamente, cadaexperimento consiste en una coleccion de experimen-tos identicos, uno por cada sistema cuantico individual:solo ası es posible evidenciar el determinismo estadısticomecanico-cuantico.

3.6. Aplicaciones

3.6.1. Objetivo

Describir usos y tecnologıas relacionadas con lamecanica cuantica desde tres perspectivas: la mecanicacuantica como una teorıa fundamental, tecnologıas deorigen cuantico e informacion cuantica.

3.6.2. Descripcion

Las aplicaciones son materializaciones del campo de co-nocimientos al que remiten. Generalmente, son disposi-tivos o practicas con funciones especıficas. La mecanicacuantica, cuyos conceptos y experimentos fundamenta-les han sido estudiados en las actividades pasadas, tienetambien una importante coleccion de aplicaciones, quehan modificado para siempre nuestra vida cotidiana yque aspira a seguir transformandola, por ejemplo, con lanueva teorıa cuantica de la informacion. En esta ultimasecuencia de actividades se describen tres diferentes cla-ses de aplicaciones la mecanica cuantica: como herra-mienta de conocimiento, como recurso para el disenode dispositivos (el transistor, el laser y la resonanciamagnetica nuclear en el diagnostico medico), y comoinformacion (criptografıa cuantica, teletransportacioncuantica y algoritmo de Deutsch-Josza).

4. Superposicion y entrelazamiento endetalle

En esta seccion se presentan las secuencias didacticassobre la idea de superposicion y el fenomeno de entre-lazamiento tal como aparecen en el texto completo dela MCF.14

4.1. Secuencia didactica Superposicion

Las actividades de esta secuencia son recomendacio-nes sobre como presentar y discutir los contenidos deltexto de apoyo, tambien titulado Superposicion (a cadaseccion en el texto corresponde una actividad en estasecuencia). En el texto hay preguntas y ejercicios quesirven para orientar al aprendiz en la busqueda de los

14Ver nota al pie 7.

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nuevos conocimientos.15

El proposito principal de la secuencia es propiciar unaprendizaje significativo del concepto cuantico de su-perposicion, proponiendo situaciones problema, en or-den ascendente de complejidad, en las que la super-posicion aparece como solucion o conocimiento de undominio especıfico de fenomenos, a saber, el domi-nio cuantico. Que dicho aprendizaje sea significativodepende de que el aprendiz desee y logre posicionarla superposicion en la estructura conceptual llamada“Mecanica Cuantica” como el principio que define lossistemas cuanticos como objetos fısicos: entidades a lasque es posible asociar un estado cuantico (de superpo-sicion) que representa su naturaleza fısica.

4.1.1. Actividad 1: Bloques logicos

Esta actividad es sobre la percepcion cotidiana segunla cual los objetos tienen propiedades fijas, que no de-penden, en particular, de su observacion. Todavıa no essobre fısica cuantica, pero sirve para introducir la nuevaclase de propiedades que poseen los objetos cuanticos:mas precisamente, aquellos rasgos que no compartencon los objetos no-cuanticos. Esta distincion de obje-tos, o mejor, de la naturaleza de los atributos de dichosobjetos, sirve a su vez para definir dos mundos o do-minios: el clasico y el cuantico, lo cual conducira, pos-teriormente, a la necesidad de una teorıa fısica nuevapara el cuantico, en la medida que el clasico resulta ina-decuado para describirlo. El objetivo de la actividad esacordar con el aprendiz que un objeto fısico (los bloqueslogicos) puede ser conocido en virtud de sus propieda-des (forma, color). Especıficamente, por el valor deestas propiedades (este es un bloque de forma circular,este es de color rojo). El nucleo de la actividad consisteen realizar una secuencia de tres de “experimentos” conlos bloques logicos:

1. Seleccionar (forma) los bloques que sean circula-res y triangulares.

2. Seleccionar (color) los bloques que sean azules yrojos.

3. Seleccionar, por ultimo (forma y color), los blo-ques comunes a las selecciones previas.

Un resultado importante de estos “experimentos” esque las propiedades de los bloques logicos pueden serdeterminadas simultaneamente: este bloque es de formacircular y es de color rojo. Resultado tecnicamente co-nocido como compatibilidad. Ası mismo, selecciones

adicionales que se hagan del ultimo conjunto muestranque las propiedades de los bloques son fijas: si entrelos cırculos, por ejemplo, selecciono los rojos, una se-gunda seleccion de forma resultara, invariablemente,en que todos son cırculos. Convencerse de estos resul-tados triviales sera importante al momento de ejecutarexperimentos de seleccion equivalentes sobre objetoscuanticos: se vera entonces que sus propiedades nocumplen la logica de atribucion de los bloques (ni deningun objeto clasico en general).

Metodologıa: exposicion del docente, acompanado debloques logicos para hacer los “experimentos”. Al finalpuede mencionarse la existencia de otro mundo, en elque sus objetos tambien pueden ser conocidos por suspropiedades, pero de comportamiento muy diferente.

4.1.2. Actividad 2: Experimentos con qubits

En esta actividad se definen los sistemas fısicoscuanticos que se estudiaran en todo la propuesta: losqubits. El qubit es un sistema cuantico de dos niveles:sus propiedades fısicas solo pueden tomar dos valores.En particular, se estudian las propiedades espın z yespın x, cuyos valores posibles16 son +1 y −1. El obje-tivo de la actividad es presentar la naturaleza cuanticade los qubits, a saber, el estado cuantico, a la luz deunos esquemas experimentales con los que se determi-nan sus propiedades.17 Por ejemplo, en el analisis deresultados del esquema de la Fig. 2, llamado Com-plementariedad, se enuncia el principio de indetermi-nacion, segun el cual no es posible, por razones fun-damentales, determinar simultaneamente los valores depropiedades cuanticas incompatibles.

Figura 2 - Propiedades complementarias. No podemos predecircon certeza las mediciones espın z de qubits preparados en algunvalor de espın x (|x+⟩ en la figura). Solo podemos prever es-tadısticamente que la mitad de los qubits seran preparados en|z+⟩ y la mitad restante en |z−⟩.

Ası mismo, de la secuencia de esquemas de la Fig. 3 seconcluye que no es posible asegurar que una propiedadde los qubits permanezca fija cuando otra propiedad esdeterminada: aunque en el primer experimento se esta-blece que los 100 qubits tienen espın |z+⟩, el segundo,

15Gran parte del texto de este apoyo es una adaptacion del primer capıtulo de [21].16En este punto de la discusion no se hace referencia al significado del espın ni a sus unidades. El espın funciona como propiedad

generica de los qubits, que a su vez son el nombre generico de los sistemas de dos niveles.17Estos esquemas son simplificaciones de experimentos para determinar los valores de espın (z o x) de los qubits, solo hacen referencia

al instrumento que hace la medicion y al sistema medido, pero no a la interacion especıfica entre ellos. Pero la secuencia Experimentos,justamente, describe dichas interacciones para cuatro montajes diferentes.

Mecanica cuantica fundamental, una propuesta didactica 1505-9

que envıa los 50 qubits preparados en |x+⟩ de nuevo auna medicion de espın z, borra la determinacion inicial,porque el resultado es que no todos estos qubits estanen |z+⟩. Es decir, un comportamiento muy diferenteal que se habıa encontrado para los objetos clasicos(bloques logicos). En el analisis de los esquemas ex-perimentales se presenta la ocasion de introducir, sinprofundizarlo, el termino Probabilidad, como el gradode posibilidad de la ocurrencia de un evento. Los even-tos en cuestion son que en un experimento los qubitsresulten con uno u otro de los dos valores posibles que seles puede atribuir, esto es, sus dos estados (cuanticos)posibles.

Metodologıa: tras la exposicion del docente, en la quese enfatiza la diferencia de resultados de experimen-tos equivalentes para cada clase de objetos, cuanticos yclasicos, se pide a los aprendices que listen las diferen-cias y semejanzas que encuentran de dichos resultados.Y tambien que traten de “solucionar” la discrepancia.Esto con el fin de motivar la discusion, y para adver-tirles de una tentativa erronea de solucion: que existanotros experimentos posibles que reproduzcan los resul-tados clasicos. Hay que enfatizar que estos resultadosexpresan nuevas maneras de ser, y que es por eso quehay que buscar nuevas formas de entenderlos, y que esesto, precisamente de lo que trata la mecanica cuantica.(Experimentos I - V del texto de apoyo).

4.1.3. Actividad 3: Interferometro de espines

Consiste de una secuencia de cinco esquemas experi-mentales realizados sobre un interferometro de qubits.Los experimentos discutidos en la actividad anteriorson la base para entender estos, que aumentan encomplejidad. Ası mismo, refuerzan lo hallado en losanteriores: que la determinacion clasica de propiedadesno aplica para describir los resultados de experimentoscon sistemas cuanticos (qubits).

Metodologıa: sea este el momento de enfrentar a losaprendices con las situaciones problema (esquemas ex-perimentales) que se estudian en la actividad, todoslos cuales son variaciones del Interferometro de qubits,descrito en el texto de apoyo. El docente debe limi-

tarse a describir el principio de funcionamiento del in-terferometro, y a lo sumo su Calibracion. El tiemporestante de la clase sera dedicado a los cuatro experi-mentos propuestos en el texto de apoyo (ExperimentosVI - IX). El docente debera abstenerse de dar respues-tas: ahora debe fomentar preguntas.

4.1.4. Actividad 4: Superposicion: la maneracuantica de ser

El objetivo de la actividad es conducir al aprendiza la necesidad de comprender una nueva manera de“ser de las cosas” para los objetos cuanticos: la su-perposicion. En particular, convencerlo de que no hayopciones clasicas para decir de un qubit que es estoo aquello, que es pertinente idear una definicion queexprese lo propio de los resultados de los experimen-tos sobre los qubits, de nuevo, lo que esta llamada aproveer la superposicion. No obstante, en el espıritudel curso esta “naturalizar” lo mas posible este y otroscontenidos mecanico cuanticos, es decir, promover enel aprendiz una “intuicion cuantica” para orientarse enla fenomenologıa de este dominio fısico. Y he aquı quela guıa que resulta mas conveniente se encuentra en elformalismo matematico cuantico, y esto en virtud de laefectividad de las matematicas para expresar relacionesabstractas, que es el tipo de relaciones que mejor seajustan lo que ocurre a los qubits respecto de sus pro-piedades fısicas. Por tal razon la definicion “completa”de superposicion debe postergarse hasta despues de in-troducir al aprendiz en los rudimentos del formalismocuantico, que se hace en la secuencia siguiente.

Metodologıa: la actividad se inicia con la revision delos resultados esperados por los aprendices de los ex-perimentos de la clase anterior. Con atencion especialal Experimento VIII, cuyos resultados sirven para laejemplificar la superposicion, y al mismo tiempo paramostrar su naturaleza cuantica irreducible a cualquierintuicion clasica. A este respecto, el paragrafo Experi-mento VIII revisado, en el texto de apoyo, es un analisisde sus resultados en el que se descartan una a una lasopciones logicas clasicas, sugiriendo ası la necesidad deuna nueva opcion para darle sentido a los resultados delexperimento: la superposicion cuantica.

Figura 3 - Medidas secuenciales. Medimos el espın x de 100 qubits inicialmente preparados en |z+⟩. De este resultado, medimos denuevo el espın z de los qubits |x+⟩. Al medir el espın x se destruye la informacion |z+⟩ inicial, por eso los resultados de la segundamedicion espın z: 25 qubits |z+⟩ y 25 |z−⟩.

1505-10 Castrillon et al.

4.1.5. Actividad 5: Revision

Evaluacion escrita de los contenidos de las actividadesprevias. Ver ultima seccion del texto de apoyo.

4.2. Secuencia didactica Entrelazamiento

Los fısicos reportan sus investigaciones en artıculos, ysu escritura, evaluacion y estudio es parte esencial desu trabajo; por lo general son textos de pocas paginas,auto-contenidos, no obstante con referencias a otrosartıculos o libros. Esta secuencia es una lectura crıticadel artıculo divulgativo Entrelazamiento.18 Desde elpunto de vista didactico queremos diversificar los ma-teriales de estudio: no solo con libros se aprende.Queremos explotar la riqueza didactica y comunica-tiva de los artıculos. En cuanto a lo disciplinar, en elfenomeno de entrelazamiento dos sistemas pueden estartan ıntimamente conectados entre sı que la medicionde uno instantaneamente cambia el estado cuantico delotro, sin importar cuan separados esten. Como ve-remos, esta conexion sin equivalente clasico modificopara siempre nuestra imagen del mundo. Hemos com-plementado el artıculo con algunas preguntas, ejerciciosy problemas con el fin afianzar las ideas principales dela exposicion de Zeilinger.

El objetivo de la secuencia es exponer el fenonomenode entrelazamiento, y el intento fallido del realismo lo-cal por describirlo. Un aprendizaje significativo de estanocion es posible dotando al aprendiz de las herramien-tas intelectuales que le permitan apreciar su significadoy novedad. Y esto se logra describiendo un esquemaexperimental donde se observa entrelazamiento y se-guido, evidenciando la imposibilidad del realismo localpara construir una imagen cuantica del mundo, es decir,para predecir el fenomeno de entrelazamiento. Expone-mos entonces las tesis del realismo local, que argumentaque las propiedades de los objetos pre-existen ası no lasmidamos, y que las medidas de objetos distantes no seinfluencian entre sı. Estas tesis encuentran su expresionformal en la desigualdad de Bell, que ejemplificamos conuna situacion clasica en la cual las tesis del realismo lo-cal son “auto-evidentes”. No obstante esta “obviedad”la naturaleza cuantica no cumple la desigualdad de Bell,y por lo tanto, no es posible “visualizarla” en base alrealismo local.

4.2.1. Actividad 1: Resumen, Palabras clave eIntroduccion

Aquı presentamos el fenomeno de entrelazamiento. Elartıculo inicia describiendo su contexto historico, enparticular, comentando la crıtica que los fısicos AlbertEinstein, Boris Podolsky y Nathan Rosen hicieron de

la descripcion mecanico cuantica de la realidad: escri-bieron un artıculo, conocido desde entonces como elartıculo EPR (por sus iniciales), en el que imaginaronun experimento de entrelazamiento cuyos resultados,tal como son predichos por la mecanica cuantica, es-tarıan en contra de la idea de realidad definida porestos autores. Para la epoca de la crıtica, 1935, nohabıa condiciones experimentales para comprobar susituacion fısica imaginada; pero fue su curiosidad laque motivo investigaciones que en los anos 1970 ter-minaron en experimentos reales, cuyos resultados, a suvez, fueron el germen de la nueva ciencia de informacioncuantica. Despues de la crıtica de EPR y antes de losexperimentos que dirimieron su objecion, aparece en1964 un artıculo del fısico irlandes John Bell en el quededuce una expresion muy simple, la desigualdad deBell, a partir de la cual fue posible idear los experimen-tos ulteriores.

Metodologıa: esta es la primera actividad sobre en-trelazamiento, entonces hay que hacer un introducciongeneral del tema y del artıculo. El docente entrega ypresenta el artıculo. Primero, definiendo el tema de quetrata: fenomeno de entrelazamiento, y su procedencia:Tıtulo, Autor, Publicacion, Ano. Seguido presentacada una de las partes del artıculo: Resumen, Palabrasclave, Introduccion, los tıtulos de las secciones y lasconclusiones: esta presentacion da una idea general delmaterial de estudio para la secuencia. Pero en esta ac-tividad basta con leer cuidadosamente las tres primeraspartes, previa descripcion, por parte del docente, de susfunciones, a saber:

Resumen Es un breve texto que contiene los objetivos,hipotesis y resultados del artıculo.Palabras clave Son las definiciones o ideas que hay queaprender al final de la lectura, y tambien sus ideasprincipales.Introduccion En una presentacion general de lashipotesis, resultados y conclusiones mas importantesdel artıculo. Tambien sirve para contextualizar al lec-tor, explicarle el tema y la materia que lo estudia.

Despues que los aprendices hayan leıdo estas tres par-tes, el docente puede iniciar la discusion, por ejemplo,pidiendo que escriban y/o expongan las Palabras clavetal y como las entendieron.

4.2.2. Actividad 2: Correlaciones perfectas yEinstein, Podolsky, y Rosen

Esta actividad es de fundamentacion. Ofrece a losaprendices los terminos en los cuales se estudia el en-trelazamiento. En ese sentido es un marco teorico.Ademas plantea el problema de interes: las hipotesis y

18En realidad se trata de una adaptacion del texto Entanglement, a quantum puzzle for everybody, de Anton Zeiliger, que aparece enel apendice de [26].

Mecanica cuantica fundamental, una propuesta didactica 1505-11

el esquema experimental donde se observa el fenomeno,ver Fig. 4. En este esquema se describen pares de siste-mas (A y B), que son sub-sistemas del “par” provenientede una fuente (S), y a los que interesa determinar losvalores de tres de sus propiedades (x, y, z), cada unacon dos valores posibles (+ y −). Las correlaciones per-fectas hacen referencia al hecho que cuando en ambossub-sistemas se mide la misma propiedad, el resultadoes siempre el mismo: esto es un tipo de entrelazamiento.Por ultimo, nos presenta un conflicto entre el fenomenode entrelazamiento, tal y como lo predice la mecanicacuantica, y las ideas de realismo local de EPR.

Figura 4 - Montaje para la observacion experimental del entrela-zamiento. Una fuente S emite pares de sistemas entrelazados. Unsistema es registrado por la estacion de medicion A, el otro por laestacion de medicion B. Usando un interruptor en cada estacionde medida, los experimentadores pueden decidir que propiedad,x, y o z, se mide a los respectivos sistemas. Los resultados de lamedicion para cada posicion de los interruptores tiene solo dosposibilidades, + o −.

Metodologıa: tras la lectura de esta seccion, los apren-dices, en grupos, haran exposiciones del esquema expe-rimental y del modelo del realismo local que pretendeexplicar dicho experimento. Al final de la seccion hayun problema propuesto que puede tambien trabajarseen grupo.

4.2.3. Actividad 3: Desigualdad de Bell parano-fısicos

La desigualdad de Bell permite hacer predicciones demodelos que se basan en las hipotesis del realismo lo-cal. En esta seccion deducimos dichas prediccionespara una situacion clasica en la que interesa establecerproporciones entre observaciones de caracterısticas deuna muestra de gemelos identicos. En particular, trescaracterısticas (de dos valores) que son, color de ojos(azules o negros), de cabello (pelinegros o rubios), yaltura (altos o bajos): estas son las propiedades delos gemelos como sistemas clasicos. La desigualdadası obtenida es traducida a los pares de sistemas en-trelazados del esquema experimental de la actividadanterior, ası que tenemos una prediccion clasica (rea-lismo local) para sistemas entrelazados. En cuanto a lodidactico, esta parte del artıculo es la descripcion de unmodelo para predecir, clasicamente, un fenomeno. No

hay referencias directas a la mecanica cuantica, porquelo que interesa es buscar una prediccion alternativa adicha teorıa, que recordemos, esta en conflicto con lashipotesis del realismo local.

Metodologıa: la deduccion de la desigualdad de Bellpara los gemelos identicos, y su ulterior traducciona sistemas entrelazados, requiere de unas operacionesbasicas, suma y comparacion de conjuntos. El artıculoexpone dicha deduccion en forma con ecuaciones sim-ples y con graficas. Al final de la seccion hay un ejercicioque sirve para evaluar la recepcion de la desigualdad deBell en los aprendices.

4.2.4. Actividad 4: Fotones entrelazados

En la seccion pasada obtuvimos la desigualdad de Bellpara sistemas entrelazados, en esta se particularizalo anterior para el caso de fotones entrelazados. Asımismo, la situacion experimental de la seccion II estraducida al caso de los fotones, donde sus propiedadesson la polarizacion en tres direcciones perpendicula-res.19 La seccion termina entonces con la desigualdadde Bell para fotones entrelazados, y con dos preguntasmuy importantes (1) ¿que predice la mecanica cuanticade dichos fotones? La respuesta es que predice algodiferente a la desigualdad y (2) ¿cual modelo (el dela mecanica cuantica o el del realismo local) es el quemejor se ajusta a los resultados experimentales? Lanaturaleza se decide por la mecanica cuantica.20

Metodologıa: este es el punto clave de todo el artıculo.Muestra que las ideas aparentemente obvias del rea-lismo local no son validas en el mundo cuantico. Trasla exposicion del docente, este debe propiciar la dis-cusion, por ejemplo, preguntando a los aprendices cuales el conflicto del final de la seccion, y que es lo queocurre en el experimento.

4.2.5. Actividad 5: Conclusiones

La interpretacion de este conflicto entre el realismo lo-cal y el entrelazamiento cuantico aun es un problemaabierto. En esta seccion se especula sobre las posiblesfallas del realismo local, y sobre las consecuencias fi-losoficas de dicha falla. La pregunta guıa es entonces,¿la MC es no-local y no-realista? En cualquier caso,la MC requiere una nueva imagen del mundo, y ladiscusion previa provee los terminos para captar estanecesidad.

Metodologıa: la exposicion del docente debe carac-terizar y diferenciar las tres diferentes “imagenes delmundo” disponibles tras el ocaso del realismo local, que

19Se trata del caso de las tres direcciones de polarizacion que exhiben complementariedad maxima, cada una con dos valores posibles.20Es importante aclarar que no se hace el desarrollo formal de la prediccion mecanico-cuantico que viola la desigualdad. Lo importante

a este nivel es mostrar dicha violacion de la desigualdad, y el hecho que los experimentos confirman la prediccion cuantica.

1505-12 Castrillon et al.

de acuerdo con Zeilinger [26] son: (1) La realidad de-pende de nosotros: un objeto es real despues que lomedimos, no antes, (2) el determinismo total: inclusonuestra supuesta libertad de elegir que mediciones re-alizar esta predeterminada, y (3) El espacio y tiempotienen otro significado diferente al que pensamos. Unbuena idea es invitar a los aprendices a que tomen par-tido por alguna de las opciones y traten de argumentarsu defensa.

5. Perspectivas y conclusiones

La ensenanza de la mecanica cuantica es un campo enformacion, con todo, las propuestas de su implemen-tacion deben tener en cuenta el estado controversial deesta teorıa, en sus conceptos y consecuencias, su granvariedad de aplicaciones y su porvenir tecnologico.En este texto se justifican los contenidos de la MCF,que presenta los fenomenos cuanticos como un domi-nio fısico problematico, y recurre a su teorıa, esto es, lamecanica cuantica, como fuente de los conceptos funda-mentales a partir de los cuales se encuentran solucionesa tales problemas.

Los dos pilares de la propuesta son los conceptos desuperposicion y entrelazamiento, la nueva fısica que ex-presan, y su formalismo en el caso de los sistemas massimples. En esto consisten las tres primeras secuencias,las tres restantes pueden ser vistas como consecuenciasy aplicaciones de estos fundamentos conceptuales.

El aula de fısica esta en crisis. Entre otras cosas porquehay un desfase entre los contenidos ofrecidos y las inves-tigaciones mas activas de esta ciencia, y sus tecnologıasderivadas, tambien las que mas incidencia tienen en lavida moderna. Deliberadamente, se esta excluyendoa los jovenes de secundaria de esta actividad culturalinteresante y productiva. La mecanica cuantica es unateorıa fundamental presente en la cultura cientıfica, tec-nologica y filosofica actual, es un ejemplo del quehacercientıfico contemporaneo. De nada sirve repetir la in-fundada creencia segun la cual no es posible ofrecerla alpublico no-cientıfico: no es menos abstracta ni menos“difıcil” que cualquier otra teorıa fısica, acaso sı masfundamental y acorde al estado actual del pensamientocientıfico. El tiempo de presentarla a los jovenes en for-macion es ahora, esta es la motivacion para presentaresta primer entrega, y las por venir, de la MCF.

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