Este trabalho é a narrativa de uma experiência didática de aplicação de um módulo que abordou um tópico de Física Moderna e Contemporânea, a Teoria da Relatividade Restrita, no Ensino Médio. A proposta foi aplicada em uma escola particular situada no município de Arroio do Meio, RS, em uma turma de terceira série do nível médio regular, sob o referencial teórico da teoria cognitiva de Jean William Fritz Piaget (1896-1980) e sob o referencial epistemológico de Thomas Samuel Kuhn (1922-1996). Descreve-se o planejamento das aulas, a implementação da proposta e os resultados obtidos com sua aplicação em sala de aula na modalidade de um curso extraclasse. A forma como o módulo foi pensado e o nível de profundidade que foi possível alcançar aparecem ao longo do texto, que também oferece uma revisão da literatura em que a relevância da inclusão da Física Moderna e Contemporânea no currículo do Ensino Médio é discutida. Os resultados indicam que é possível trabalhar tópicos de Física Moderna e Contemporânea no ensino regular, que os alunos apreciaram e mostraram disposição para aprender assuntos atuais e que o esforço para introduzir pequenas atualizações curriculares é válido e precisa ser incentivado como uma das possíveis alternativas para se alcançar a melhoria de qualidade de ensino na Educação Básica. Ao final, um produto educacional em formato de texto de apoio, orientação e motivação aos professores de Física é apresentado. / This work is the narrative of a didactic experience of application of a module that addressed a topic of Modern and Contemporary Physics, the Special Theory of Relativity, in High School. The proposal was applied in a private school located in the county of Arroio do Meio, RS, for one group of third grade of regular secondary level, under the theoretical framework of cognitive theory of Jean William Fritz Piaget (1896-1980) and under the epistemological framework of Thomas Samuel Kuhn (1922-1996). It describes the planning of classes, the implementation of the proposal and the results obtained from its application in the classroom in the form of an extracurricular course. The way the module has been designed and the level of depth that was achieved is discussed throughout the text, which also provide a review of the literature in which importance of inclusion of Modern and Contemporary Physics in High School curriculum is discussed. The results indicate that it is possible teach subjects of Modern and Contemporary Physics in regular education. The results also indicated that students enjoyed and showed willingness to learn current issues and the effort to introduce small curriculum updates is valid and needs to be encouraged as one of the possible alternatives to achieve the improvement of teaching quality in basic education. At the end, an educational product in form of text, guidance and motivation to physics teachers is presented.

Submitted by Johan Renzo Salazar Malpartida (johanrenzosm@gmail.com) on 2018-09-24T18:20:35Z No. of bitstreams: 1 0-Thesis.pdf: 349725 bytes, checksum: a61b999c76db9b574769428cae02bc08 (MD5) / Rejected by Hellen Sayuri Sato null (hellen@ift.unesp.br), reason: Solicitamos que realize correções na submissão seguindo as orientações abaixo: - Passar na biblioteca para elaborar a ficha catalográfica que deverá ser inserida na dissertação antes de inserir no repositório. A ficha deve consta no PDF - Corrigir o título, pois no pdf o título está em inglês. Portanto, o campo título deve ser preenchido em inglês e o campo titulo alternativo em português - entrada do seu nome deve ser pelo sobrenome do seu pai. - Se o sobrenome do seu pai for Malpartida --> deve ser preenchido Malpartida, Johan Renzo Salazar - Se o sobrenome do seu pai for Salazar --> deve ser preenchido Salazar Malpartida, Johan Renzo - Faltou inserir o abstract - Faltou preencher o campo área de concentração - Faltou preencher o campo Linha de pesquisa on 2018-09-25T17:29:41Z (GMT) / Submitted by Johan Renzo Salazar Malpartida (johanrenzosm@gmail.com) on 2018-09-26T13:20:52Z No. of bitstreams: 2 ficha catalográfica -Johan Renzo Salazar malpartida (1).pdf: 84996 bytes, checksum: 67952920d1945336e50e78b9a7752d7d (MD5) 0-Thesis.pdf: 440560 bytes, checksum: b830fa43b5d20651d6f0b7a1cd7998c9 (MD5) / Rejected by Hellen Sayuri Sato null (hellen@ift.unesp.br), reason: Johan, Conforme orientação que foi dada ontem, a ficha catalográfica precisa ser inserida no pdf da dissertação, logo após a folha de rosto, onde consta o titulo, seu nome, orientador... on 2018-09-26T14:44:32Z (GMT) / Submitted by Johan Renzo Salazar Malpartida (johanrenzosm@gmail.com) on 2018-09-26T15:50:22Z No. of bitstreams: 3 ficha catalográfica -Johan Renzo Salazar malpartida (1).pdf: 84996 bytes, checksum: 67952920d1945336e50e78b9a7752d7d (MD5) 0-Thesis.pdf: 440560 bytes, checksum: b830fa43b5d20651d6f0b7a1cd7998c9 (MD5) 0-Thesis.pdf: 471654 bytes, checksum: 992ba3db7e6190e79618954b961abc5e (MD5) / Rejected by Hellen Sayuri Sato null (hellen@ift.unesp.br), reason: Johan, Por favor, a ficha precisa ser anexada do jeito que foi enviada. A mesma ficou desconfigurada no pdf. Ela tem que ficar centralizada na parte inferior da página, do jeito que foi enviada Favor deletar os arquivos antigo e manter um único arquivo on 2018-09-26T18:16:10Z (GMT) / Submitted by Johan Renzo Salazar Malpartida (johanrenzosm@gmail.com) on 2018-09-26T18:37:13Z No. of bitstreams: 1 0-Thesis-merged.pdf: 573271 bytes, checksum: 37b052e0c5e3b1c119f1f920c0d3eaaa (MD5) / Approved for entry into archive by Hellen Sayuri Sato null (hellen@ift.unesp.br) on 2018-09-27T17:57:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 salazarmalpartida_jr_me_ift.pdf: 573271 bytes, checksum: 37b052e0c5e3b1c119f1f920c0d3eaaa (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-27T17:57:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 salazarmalpartida_jr_me_ift.pdf: 573271 bytes, checksum: 37b052e0c5e3b1c119f1f920c0d3eaaa (MD5) Previous issue date: 2018-08-01 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Como é bem conhecido, a relatividade especial de Einstein, cuja cinemática é governada pelo grupo de Poincaré, deixa de valer na escala de Planck devido à existência de uma escala de comprimento invariante, dada pelo comprimento de Planck. Por essa razão, ela é incapaz de descrever a cinemática naquela escala. Uma solução possível para esse problema, a qual preserva a simetria de Lorentz — e consequentemente a causalidade — é substituir a relatividade especial de Einstein por uma relatividade especial na qual a cinemática é governada pelo grupo de de Sitter. Claro que uma mudança na relatividade especial irá pruduzir mudanças concomitantes na relatividade geral, a qual se torna o que chamamos de relatividade geral modificada por de Sitter. Trabalhando no contexto dessa teoria, o objetivo desse trabalho é deduzir a fórmula geral da aceleração relativa entre duas geodésicas próximas, a qual leva à equação do desvio geodésico modificada por de Sitter. Uma análise simples dos efeitos adicionais induzidos pela cinemática local de de Sitter é apresentada. / As is well-known, the Poincaré invariant Einstein special relativity breaks down at the Planck scale due to the presence of an invariant length, given by the Planck length. For this reason, it is unable to describe the spacetime kinematics at that scale. A possible solution to this problem that preserves Lorentz symmetry — and consequently causality — is arguably to replace the Poincaré invariant Einstein special relativity by a de Sitter invariant special relativity. Of course, a change in special relativity produces concomitant changes in general relativity, which becomes what we have called de Sitter modified general relativity. By working in the context of this theory, the purpose of this work is to deduce the general relative acceleration between nearby geodesics, which leads to the de Sitter modified geodesic deviation equation. A simple analysis of the additional effects induced by the local de Sitter kinematics is presented. / 33015015001P7

Este trabalho tem o objetivo de contribuir para a atualização curricular da disciplina de Física no ensino médio, a partir da inserção da Relatividade Restrita, como tema foco da Física Moderna e Contemporânea. Esta pesquisa teve como referencial teórico a aprendizagem significativa de David Ausubel e a teoria de ensino de D. B. Gowin. Como materiais educativos foram utilizados um vídeo, um aplicativo e um texto didático para, juntamente com a mediação do professor, procurar promover a aprendizagem significativa de conceitos básicos da Relatividade Restrita. O estudo foi aplicado a 50 alunos da Escola Estadual Protásio Alves, de Porto Alegre, num total de oito encontros. Foram também realizadas entrevistas com 11 professores do ensino médio para verificar a real necessidade da inserção de tópicos de FMC no currículo de Física nesse nível, bem como as condições para tal. O resultado encontrado ao final desse trabalho foi o de que é viável a inserção de alguns tópicos de FMC no ensino médio, em particular a Relatividade Restrita, e de que há boa aceitação por parte dos alunos. / The aim of this study is to contribute for the updating of the physics curriculum at high school level, starting with the insertion of Special Relativity, a subject in Modern and Contemporary Physic (FMC), in such a curriculum. This research had as theoretical framework Ausubel’s meaningful learning theory and Gowin’s teaching model. A video, a software and a text were used as instructional aids in order to facilitate, together with teacher’s mediation, the meaningful learning of basic concepts of Special Relativity. This study was applied to 50 students of the Protásio Alves State School, in a total of eight encounters. Interviews with 11 high school teachers were accomplished in order to verify the real need of the insertion of FMC topics in physics education at secondary level school, as well as the conditions for that. The main finding are that there is a real need of inserting FMC subjects at secondary level school, that the insertion of some topics, specially Relativity, is viable, and that they have good acceptance from the part of the students.

A matéria não é uniformemente distribuída no Universo, mas é organizada em galáxias, aglomerados de galáxias e mesmo em superaglomerados de galáxias. Conseqüentemente, conforme a Relatividade Geral de Einstein, a curvatura do espaço-tempo não permanece constante indefinidamente, mas flutua. Nós mostramos aqui que, surpreendentemente, estas flutuações podem causar estabilização em trajetórias de fótons mesmo em modelos com curvatura negativa constante e topologia compacta, que se caracterizam por serem extremamente caóticas. Essa estocasticidade tem sido usada para explicar a homogeneidade pré-inflacionária, e o fato de que as flutuações na radiação cósmica de fundo são gaussianas, numa margem de 97%. Mostramos analítica e numericamente que flutuações randômicas na curvatura podem levar à estabilização estocástica de trajetórias de fótons. Também mostramos a analogia desse problema com a dinâmica do pêndulo invertido, e discutimos as conseqüências dessa estabilização para a gaussianidade das flutuações de temperatura da radiação cósmica de fundo. / Matter is not uniformly distributed in Universe but it is organized into galaxies, galaxies dusters and even superdusters of galaxies. Consequent1y, from the General Relativity of Einstein, the spatial curvature of the universe fluctuates. We show here that these fluctuations can cause stabilization of photon trajectories even in models with constant negative spatial curvature and compact topologies, which imply chaotic photonic dynamics. This has been put forward as an explanation of pre-inflationary homogeneity and to the fact that fluctuations in the cosmic microwave background are dose to gaussian. We show here analytically and numerically that random fluctuations in the curvature can lead to stochastic stabilization of photon trajectories. It is also discussed the analogy with the problem of the inverted pendulum dynamics, and the consequences for the gaussianity of temperature fluctuations of the Cosmic Microwave Background.

A questão de como sistemas quânticos correspondem a sistemas clássicos existe desde o surgimento da mecânica quântica e parece ser algo natural de se perguntar. E também desde o principio da mecânica quântica estados coerentes são usados para responder esse tipo de questão, já que eles são, em certo sentido, os estados quânticos mais próximos a estados que descrevem sistemas clássicos. Seguindo os resultados de Hepp, que mostrou a correspondência tantopara o caso da mecânica quântica não relativística quanto para o caso de camposBosônicos relativísticos, mostramos a correspondência entre sistemas Bosônicos livres em um espaço-tempo de de Sitter e soluções da equação de Klein-Gordon neste mesmo espaço.Após introduzir os conceitos relevantes e construir a álgebra que descreve sistemas Bosônicos livres em um espaço globalmente hiperbólico, construímos estados coerentes para álgebras CCR na forma de Weyl e provamos o limite semi-clássico para uma região próxima à origem (ou, para um tempo fixo, em todo espaço de de Sitter). Além disso provamos que este limite independe do estado de vácuo---que, em geral, não é único. / The question of the correspondence between quantum and classical systems is an issue since the beginnings of quantum mechanics and it seems like a natural question. Also since the start of quantum mechanics coherent states were used to answer this sort of question, since they are, in a sense, the quantum states closest to states that describe classical systems. Following the results of Hepp, who showed the correspondence for the case of non-relativistic quantum mechanics as well as for relativistic Bosonic fields, we show the correspondence between free Bosonic field in a de Sitter space-time and the solutions of the Klein-Gordon equation in that same space-time. After introducing the relevant concepts and the construction of the algebra that describes free Bosonic systems in a globally hyperbolic space-time, we construct coherent states for CCR algebras in Weyls form, and we prove the semi-classical limit for a region close to the origin (or, for a fixed time, in the whole de Sitter space-time). We also prove that this limit is independent of the vacuum statewhich might not be unique.

Nesta tese, nós estabelecemos algumas correspondências entre a dinâmica de campos escalares clássicos em certos espaço-tempos de fundo e duais algébricos apropriados. Os cenários estudados incluem soluções tipo buraco negro com constante cosmológica não nula e os espaçostempos conhecidos como geometrias quase-extremas. Com base em várias propostas na literatura, associamos certos elementos próprios da dinâmica escalar a uma representação apropriada de uma álgebra relacionada com a invariância das equações de movimento escalar sob transformações conformes. Em particular, nós associamos representações de peso maior de dimensão infinita da álgebra sl(2,R) com modos e frequências quase-normais de campo escalar em geometrias quase-extremas e geometrias assintóticamente Anti de Sitter. / In this thesis, we establish some correspondences between dynamics of classical scalar fields in certain background spacetimes and appropriate algebraic duals. The scenarios studied include black hole solutions with non-zero cosmological constant and the spacetimes known as near extremal geometries. Based on several proposals in the literature, we associate certain elements proper to scalar perturbative dynamics to an appropriated representation of an algebra related with the invariance of the scalar equations of motion under conformal transformations. In particular, we associate infinite dimensional highest weight representations of the algebra sl(2,R) to quasinormal modes and frequencies of scalar fields in near extremal geometries and asymptotically Anti de Sitter geometries.

Nesta dissertação são explorados efeitos clássicos e semi-clássicos em espaços-tempos quase-extremos. Na classe de geometrias tratadas aqui, uma região estática entre dois horizontes é considerada, de forma que estes horizontes estão muito próximos e as suas gravidades superficiais são muito pequenas. Este limite quase-extremo surge em vários contextos de interesse, envolvendo buracos negros assintoticamente de Sitter, buracos de minhoca e buracos negros em universos com seção espacial compacta. No trabalho desenvolvido, buracos de minhoca ligando duas regiões com horizontes cosmológicos são estudados em detalhes. Uma vez caracterizada, algumas das propriedades clássicas destas estruturas e efeitos semi-clássicos são explorados. O tratamento quântico proposto leva naturalmente a uma caracterização termodinâmica associada aos horizontes atrapantes presentes na geometria. Consideramos especificamente propriedades térmicas associadas a um campo escalar nos espaços-tempos de interesse. Uma revisão do formalismo de Hayward é feito, com a sua adaptação para espaços-tempos importantes. Buracos de minhoca no regime quase-extremo são discutidos em detalhes. / In this dissertation, classical and semi-classical effects in quasi-extreme spacetimes are explored. In the class of geometries treated here, a static region between two horizons is considered, in such a way that these horizons are very close and their surface gravities are very small. This quasi-extreme limit appears in several contexts of interest, such as asymptotically de Sitter black holes, wormholes and black holes in universes with compact spatial section. In the developed work, wormholes connecting two regions bounded by cosmological horizons are studied in detail. Once some of the classical properties of these structures are characterized, semi-classical effects are explored. The proposed quantum treatment naturally leads to a thermodynamic characterization associated to the trapping horizons present in the geometry. We specifically consider thermal properties associated to a scalar field in the spacetimes of interest. A review of Hayward\'s formalism is presented, with a proper adaptation to important space-times. Wormholes in the near extreme regime are discussed in detail.

Analisamos, em particular, a estabilidade das soluções tipo tracker. Nossa análise é global, baseando-se na existência de funções de Lyapunov para pontos críticos previamente identificados na literatura e já estudados no regime linear local. Aplicamos a metodologia desenvolvida no contexto cosmológico para encontrar soluções superaceleradas, definidas quando a equação de estado é muito negativa ( = p/ < -1), e estimar a bacia de atração em torno dos pontos fixos estáveis. Baseado nestes resultados, propomos um modelo livre de instabilidades clássicas e/ou quânticas capaz de descrever a recentemente descoberta fase de expansão acelerada do Universo, incluindo os eventuais regimes superacelerados levemente favorecidos pelos dados observacionais disponíveis atualmente. / We analyzes, in particular, the stability of tracker solutions. Our analyzes is global, based in the existence of Lyapunov functions for fixed points previously identified in the literature and studied in the local linear regime. The methodology developed in the cosmological context is applied to find superaccelerated solutions, defined when the equation of state is very negative ( = p/ < -1), and to obtain the attraction basin around the stable fixed point. Based in these results, we propose a model free of classical and/or quantum instabilities, capable of describing the recently discovered fase of accelerated expantion of the Universe, including the possible superaccelerated regime slightly favored by the available observational data.

Vários sistemas físicos podem ser tratados como problemas de espalhamento e, para esses problemas, uma quantidade observada surge naturalmente: a razão entre as intencidades reetidas e incidentes, a que damos o nome de coeciente de reexão. Essa dissertação está preocupada com o fenômeno conhecido como superradiância, isto é, quando esse coeciente é maior que a unidade. Exploraremos vários exemplos de tais sistemas e, mais importante, veremos como, além do interesse por si só, superradiância está relacionada com um número de questões importantes de pesquisa atual. Começamos com um pequeno resumo de resultados impotantes no capítulo um. No capí- tulo dois estabeleceremos um critério geral para decidir se espalhamento superradiante é observado baseando-se nas equações diferenciais ordinárias lineares homogêneas de segunda ordem (EDO) ou sistema linear de EDO homgêneas de primeira ordem que descrevem o processo e daremos um exemplo de sistema em que superradiância é observada. No capítulo três, focaremos em superradiância em buracos negros em rotação, e mostraremos como podemos calcular explicitamente o coeciente de reexão para ondas incidentes de diferentes spins. O capítulo quatro é dedicado à relação com a termodinâmica. Desenvolveremos a chamada termodinâmica de buracos negros, particularmente às assim chamadas primeira e segunda leis da termodinâmica de buracos negros, e aplicaremo-nas no contexto da superradiância de forma a generalizar alguns dos resultados do capítulo dois a buracos negros mais genéricos. Finalmente no capítulo cinco, exploraremos muitos dos aspectos quânticos da superradiância, incluindo a relação com o paradoxo de Klein e a versão quântica da superradiância de buracos negros. Para a última, explicaremos brevemente como normalmente se quantiza campos em espaço-tempo curvo. Exploraremos uma outra conexão com termodinâmica. Ao longo de todo o texto, analisamos a conexão entre superradiância, spin e estatística. / Several physical systems can be treated as a scattering process, and, for these processes, a natural observed quantity arises: the ratio between the reected and incident intensities, known as the reection coecient. This dissertation is concerned with the phenomenon known as superradiance, that is, when this coecient is larger than unity. We shall explore many examples of such systems, and, more importantly, we shall also see how, apart from the interest in its own right, superradiance is related to a number of important current research physical issues. We begin with a small survey of important results on chapter one. On chapter two, we establish a general criteria to decide whether or not superradiant scattering is observed based on the linear, second order, homogeneous ordinary dierential equation (ODE) or linear, rst order homogeneous systems of ODEs which describes the process and we shall give an example of system in which superradiance is observed. On chapter three, we focus on spinning black hole superradiance, we shall describe how one can compute explicitly the reection coecient for dierent spin waves. Chapter four is dedicated to the relations with thermodynamics. We develop what is meant by black hole thermodynamics, particularly the so-called rst and second law of black hole thermodynamics, and apply them in the context of superradiance, so we can generalise some of the results from chapter three to more general black holes. Finally, on chapter ve, we explore many of the quantum aspects of superradiance, including the relation with the Klein paradox, and the quantum version of black hole superradiance, for the later we will explain briey how one usually quantise elds in curved space-time. A further connection with thermodynamics is explored. Thorough all this text we analyse the connection between superradiance and spin and statistics.

Obtivemos famílias de soluções estáticas e esfericamente simétricas para buracos negros numa brana com vácuo, constante cosmológica não nula e imersa num bulk 5-dimensional assintoticamente anti-de Sitter. Para o caso das geometrias assintoticamente de Sitter, o único membro da família obtida foi a geometria Schwarzschild-de Sitter extrema. Para o caso de geometrias assintoticamente anti-de Sitter, obtivemos toda uma família de soluções, onde cada elemento desta família é determinado por uma constante C. Estudamos o comportamento destas soluções próximo e longe do horizonte de eventos. A seguir, analisamos a evolução de um campo escalar não massivo no exterior dos buracos negros obtidos. Verificamos analiticamente e numericamente o comportamento do potencial efetivo em função da coordenada tartaruga próximo ao horizonte de eventos. Para qualquer geometria ou solução desta família observamos que o campo escalar não massivo decai com o tempo, e o tipo de decaimento depende do valor da constante C. Assim, toda a família de soluções obtida mostrou-se estável. / We found classes of static and spherically symmetric black hole solutions on the brane for a vacuum configuration, non-null cosmological constant, embedded into a 5-dimensional asymptotically anti-de Sitter bulk. In the asymptotically de Sitter case, the only solution obtained was the extreme Schwarzschild-de Sitter geometry. In the asymptotically anti-de Sitter case, a class of solutions was obtained where a particular geometry is fixed by a constant, C. We studied the behaviour of these solutions near and far from the horizon. Next, we studied the time evolution of a scalar field outside the black hole. For the effective potential as function of tortoise coordinate, the analytical results near the horizon agree with numerical calculations. The scalar field decays with time and the particular form of decay depends of the value for C. Thus, all solutions in the obtained class are stable.