REALISMO, ANTI-REALISMO E ENSINO DE FÍSICA

## REALISMO, ANTI-REALISMO E ENSINO DE FÍSICA

## Paulo de Faria Borges , 1

1 Centro Federal de Educação Tecnológica Celso Suckow da Fonseca/Departamento de Ensino Médio e Técnico/Laboratório de Aprendizagem, pborges@cefet-rj.br

## Resumo

O construtivismo de Piaget e Vigotskii e desenvolvido por Ausubel, Novak em seu trabalho sobre aprendizagem significativa, é denominado construtivismo pedagógico por Cobern & Loving ou no dizer de Von Glasersfeld "construtivismo trivial". A consideração trivial deve ser porque tanto Piaget quanto Vigotskii, o primeiro por ser Estruturalista e o segundo por ser Marxista, defenderam uma Epistemologia realista. O construtivismo radical de Von Glasersfeld defende que o conhecimento científico não tem nenhum vínculo com alguma realidade independente do ser humano e, portanto se refere a uma Epistemologia anti-realista. Este trabalho propõe uma abordagem das idéias dos construtivistas clássicos, Piaget e Vigotskii, acompanhadas da Epistemologia de Bachelard na discussão da relação sujeito / objeto do conhecimento em contraposição a Epistemologia anti-realista de Von Glasersfeld. Em contraste com a discussão epistemológica, apresentaremos alguns resultados relativos ao fenômeno da descoerência. Este fenômeno, que começou a ser estudado com maior atenção no final dos anos 1980, é o fenômeno que orienta a passagem do mundo quântico para o mundo clássico, estabelecendo uma fronteira clara entre os dois mundos. Além disso, este fenômeno tem características de irreversibilidade e produção de entropia que permitem supor que ele é espontâneo e que em certo sentido todo o universo caminha inexoravelmente para um estado clássico após um tempo suficiente longo. O mundo clássico objetivo e realista muito bem descrito e explicado pela Física Clássica. Desta forma, discutimos neste trabalho, se o realismo epistemológico comum nas concepções espontâneas dos sujeitos pode ter uma razão além da argumentação filosófica e se sim, quais suas consequências para o ensino da Física. Argumentamos ent ã o que esta pode ser uma boa base epistemol ó gica com suporte em dados experimentais para apoiar um ensino realista da F sica na perspectiva do realismo de entidades. í

Palavras-chave : realismo, anti-realismo, descoerência.

## Introdução

Historicamente, dois modelos de mundo evoluíram das formulações gregas até o décimo sétimo século e então ao século XXI, cada etapa desta evolução conduziu a uma correção dos conceitos usados na etapa anterior para descrever a natureza, apresentando um nível de sofisticação crescente em sua habilidade de explicar o mundo. Estes ajustes foram acompanhados por uma crescente complexidade filosófica e tecnológica (Bachelard, 2005).

- É possível colocar estas transformações em um contexto Piagetiano: mudanças que conduzem à evolução dos perfis epistemológicos podem ser consideradas como uma série de equilíbrios e desequilíbrios que exigem a construção de novos esquemas de assimilação, que permitirão a acomodação do novo conhecimento na estrutura cognitiva do individuo, primeiramente, e a seguir no

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interior da herança social comum. Nós podemos deduzir desta evolução histórica como perturbar as estruturas cognitivas do individuo, por uma série de equilíbrios e desequilíbrios, e como o processo histórico de produção do conhecimento pode ser usado na compreensão da série de equilíbrios e desequilíbrios associados ao processo de ensino-aprendizagem individual (Piaget & García, 1989).

- O pensamento de Vigotskii pode igualmente ser usado em uma análise baseada nas mediações sociais e linguísticas que permitiram este desenvolvimento conceitual. Além disso, a experiência de mundo do individuo deve negociar seu / sua relação com o desenvolvimento histórico das idéias (Vigotskii 1994, 2001). Um exemplo desta mediação pode ser considerado nas respostas dos estudantes quando apresentados à incerteza do quantum na natureza: rejeição e incompreensão (Freire Jr. et al, 1995; Baily & Finkelstein, 2009). No entanto, Stathopoulou & Vosniadou, 2007 defendem que existe uma forte correlação entre o nível de sofisticação da epistemologia do estudante e o maior ou menor sucesso na aprendizagem de Física. Relacionando o conceito Bachelardiano de mediação tecnológica com a mediação sociolinguística de Vigotskii e a interação sujeito / objeto em Piaget, procuramos mostrar que a mediação tecnológica entre o sujeito e o objeto permite que se obtenha informação sobre o objeto a ser conhecido e tem características de realismo baseado no experimento, como proposto por Hacking em 1983. Por outro lado, a mediação sociolinguística permitirá a negociação dos significados contidos nesta informação, permitindo supor a radicalidade proposta por Von Glasersfeld em 1989 se desconsideramos os limites que nos são impostos pelo mundo em que estamos inseridos.

Piaget, Vigotskii e Bachelard (Piaget & García 1989 p.3, Vigotskii 1994, 2001; Bachelard 2000, 2005) defendem a independência entre o sujeito e objeto estabelecida pela necessidade de negociar esta relação tanto no contexto dos realismos positivista (Cobern & Loving, 2008) e histórico (Skordoulis, 2008) quanto no abstrato (Bachelard, 2005).

A Física, especialmente após o advento da Teoria Quântica, tem sido a base de uma visão anti-realista da Ciência. No entanto, esta mesma teoria, a partir da chamada interpretação lógica da Mecânica Quântica (Omnès, 1992, 1994, 1999), trouxe uma nova sustentação ao realismo. Esta interpretação usa a emergência do mundo clássico a partir do fenômeno da descoerência e o conceito de histórias consistentes (Griffiths, 1984) para advogar uma visão realista da Ciência. É o estudo da descoerência que traz as maiores contribuições à controvérsia realismo x antirealismo ao mostrar de forma simples onde deve ser posta a fronteira entre o quântico e o clássico na nossa visão do mundo.

No texto a seguir algumas das idéias devidas a Bachelard, Piaget e Vigotskii serão apresentadas e usadas para justificar a defesa de uma abordagem parcialmente realista no ensino das ciências em geral e da Física em particular.

## Pensamento Piagetiano

As teorias de Jean Piaget (Piaget, 1973) são baseadas nos processos da interação entre o indivíduo e o objeto de seu conhecimento. Neste trabalho, os objetos do conhecimento são o atomismo e a Teoria Quântica e os mediadores que aproximam os sujeitos dos seus objetos de conhecimento são a história da ciência e o laboratório.

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Na visão mais ampla devida a Piaget, desenvolvimento cognitivo representa um relacionamento entre equilíbrio e desequilíbrio, em que cada nível sucessivo de equilíbrio reflete a adição e a reorganização de elementos cognitivos com a aquisição de conhecimento novo de melhor qualidade. Na opinião de Piaget, o desenvolvimento cognitivo de todos os indivíduos se dá através de assimilação, que significa o uso de uma estrutura cognitiva já formada, e acomodação, um processo que envolve a modificação das estruturas já desenvolvidas para dar conta de uma situação nova.

- O indivíduo constrói esquemas mentais da assimilação para lidar com a realidade usando mediadores para interagir com o objeto a ser conhecido. Para Piaget, todos os esquemas de assimilação são construídos e toda aproximação à realidade envolve um esquema da assimilação. O indivíduo procura assimilar idéias e conceitos usando as possibilidades de compreensão construídas por ele. Se o indivíduo é incapaz de assimilar a situação nova, ocorre o fenômeno nomeado por Piaget como a acomodação. Neste processo, os indivíduos mudam seus conceitos e hipóteses previamente estabelecidas para ajustá-los aos novos fatos, conceitos, idéias, etc. e para produzir novos esquemas de assimilação.

Não há acomodação sem assimilação, pois acomodação é a reestruturação da assimilação. O equilíbrio entre assimilação e acomodação é a adaptação à situação. Experiências acomodadas dão origem, posteriormente, a novos esquemas de assimilação. Um novo estado de equilíbrio é atingido (Moreira, 1999, pág. 100).

Entretanto, nós não podemos esquecer que os indivíduos podem ignorar ou contornar o conflito cognitivo utilizando esquemas de assimilação construídos anteriormente e é igualmente acomodação. A reorganização cognitiva é favorecida pela interação social e com instrumentos, os mediadores da relação entre os indivíduos e os seus objetos de conhecimento.

A própria linguagem utilizada deixa entrever que todo conhecimento e objeto de conhecimento é exterior ao indivíduo, o que é explicitamente afirmado por Piaget e Garcia, 1989.

## O Pensamento de Lev S. Vigotskii.

- A teoria de Vigotskii é baseada na premissa que para compreender o desenvolvimento cognitivo do indivíduo nós devemos considerar o contexto social e cultural em que o mesmo está inserido. O desenvolvimento cognitivo é influenciado fortemente pelo ambiente social. "Em nosso ponto de vista, o curso real do desenvolvimento do pensamento não vai do indivíduo à sociedade, mas da sociedade ao individuo" (Vigotskii 1994, 2001). Neste caso, as relações sociais são transformadas em funções mentais superiores (pensamento, linguagem) com a mediação das ferramentas e dos símbolos. O instrumento é usado para fazer alguma coisa e o símbolo é algo que tem significado.
- O desenvolvimento cognitivo ocorre com a internalização das ferramentas e dos sistemas de símbolos (Moreira, 1999). Neste contexto, a história da ciência fornecerá o sistema de símbolos e as atividades do laboratório serão as ferramentas que mediam a interação entre o sujeito e o objeto. O papel do professor é ser o mediador, o parceiro mais capaz, que ao interagir com os indivíduos, tem a tarefa de fazê-los compartilhar os mesmos significados. Concepções espontâneas e conceitos científicos podem coexistir simultaneamente nas mentes dos estudantes que, de acordo com as circunstâncias, usam um ou o outro. Este processo não mostra uma

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resistência às mudanças conceituais, mas a existência de um processo cognitivo em mudança, uma etapa na construção de uma estrutura cognitiva nova. Assim, os indivíduos construirão seus próprios signos que serão usados em um contexto social específico enquanto interagem com o ambiente social. Com esta interação, os signos definem os sentidos e estes podem ser comparados com aqueles compartilhados dentro do grupo. O significado final será o resultado da interação social. No entanto o conhecimento científico não pode ter seu significado final definido somente pela interação social, porque neste caso qualquer conclusão ou teoria a que os estudantes consensualmente chegarem será uma boa conclusão ou teoria. Este é o ponto de vista de Von Glasersfeld. Vigotskii, no entanto, procura adequar sua psicologia ao materialismo dialético (Vigotskii, 2004), uma filosofia realista. Como está subjacente a linguagem utilizada na descrição teórica, também para ele os objetos de conhecimento são exteriores e independentes do indivíduo que aprende. Apenas os sentidos podem ser negociados.

## O Pensamento de Gastón Bachelard.

- O filósofo Gastón Bachelard (1884 - 1962) foi um crítico da imagem tradicional que os indivíduos fazem da ciência. A perspectiva positivista criticada por Bachelard é um dos principais obstáculos epistemológicos apresentados por estudantes de Teoria Quântica (Baily & Finkelstein, 2009). Baily & Finkelstein também mostram um resultado indicando que uma perspectiva realista entre os estudantes funciona com um forte obstáculo epistemológico para a aprendizagem da Física Moderna, ibid 2009.

Para Bachelard todo o conhecimento deve começar com perguntas, um conflito cognitivo, uma dúvida que procura a solução de um problema. Quando não há nenhuma pergunta, não há nenhum conhecimento. O cientista contemporâneo deve esforçar-se para superar obstáculos epistemológicos. Isto inclui desistir dos conceitos derivados exclusivamente das imagens, da realidade diretamente observada. A técnica deve mediar a relação entre sujeito e objeto do conhecimento, ao mesmo tempo em que garante a credibilidade do conhecimento adquirido. Desta forma, uma separação é colocada entre o sujeito e o objeto de seu conhecimento: a técnica mediadora e legitimadora deste conhecimento. O ato de saber deve exceder a si próprio, deve ousar, usando a técnica, que cumpre um papel importante na mediação desta construção. O conhecimento imediato obtido diretamente da natureza não é análogo aos objetos e ao conhecimento científico. As técnicas experimentais disponíveis ao conhecimento científico permitem reconstruir a realidade, trabalhando com um conhecimento reiniciado (Bachelard, 2000, 2005).

Bachelard argumenta que o conhecimento não vem de uma experiência desligada de uma estrutura teórica que retrate acuradamente os fatos. Os fatos são produzidos pela mediação técnica e exigem uma estrutura teórica para sua interpretação a semelhança do ponto de vista Vigotskiiano. Agora não é a herança social que define os sentidos, mas o modelo teórico que conduziu a pergunta que está sendo respondida pela mediação técnica utilizada. A mediação da técnica causa a distinção entre a realidade objetiva e a realidade científica. O fenômeno é realidade objetiva, o mero evento. A realidade adquire o caráter de ciência se é um objeto da mediação técnica (Lopes, 1996). No entanto, objeto e sujeito ainda são distintos.

## O Pensamento de Von Glasersfeld.

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- O construtivismo radical, como é chamada a teoria construtivista de Von Glasersfeld, afirma que a fé na objetividade do conhecimento, especialmente no conhecimento chamado científico é uma tolice (1989, p121).

Além disso, radical construtivismo condena a noção de que conhecer qualquer aspecto da realidade pode ser referido ao conhecimento ou que conhecimento exista além de nossas construções individuais (Cobern & Loving, 2008).

Mais, Von Glasersfeld rejeita a noção de que conhecimento pode ou deve ser uma representação de uma realidade independente do observador e a substitui com a noção de que conhecimento seja o que é viável na realidade experimentável do objeto a ser conhecido (1989, p122).

Esta é uma visão completamente anti-realista da Ciência e em completa oposição aos realismos subjacentes as epistemologias defendidas por Piaget, Vigotskii e Bachelard especialmente no que se refere a distinção entre sujeito e objeto do conhecimento. A relativização proposta por Von Glasersfeld entende que conhecimento é relativo ao indivíduo e a cultura onde o mesmo está inserido, quase um conhecimento (arbitrário) para cada indivíduo. Este ponto de vista, de certa forma, poderia estar de acordo com a hipótese de estados relativos de Everet III (Freitas, 2007) que apresenta uma visão não realista da natureza. Por outro lado, a distinção sujeito/objeto feita nas outras epistemologias poderia reforçar uma posição realista em relação a natureza.

## Descoerência: O que diz a Teoria Quântica?

Em 1991, Wojciech H. Zurek publicou um trabalho famoso "Descoerência e a transição do mundo quântico ao mundo clássico." Neste trabalho, o fenômeno da descoerência foi apresentado a um grande número de Físicos e estudantes de Física que não se dedicavam especialmente à Teoria Quântica. A grande questão discutida neste trabalho se refere ao lugar onde deve ser posta a fronteira entre os mundos clássico e quântico, e como consequência a fronteira entre realismo e objetividade, e anti-realismo e subjetividade. Doze anos após este artigo ter sido publicado, Zurek voltou ao tema e atualizou os resultados e as conclusões relativas ao fenômeno que nos interessa e a posição da fronteira.

- O papel da medição em teoria quântica é converter estados quânticos e correlações quânticas, com sua indefinição e maleabilidade, em resultados clássicos bem definidos (Zurek, 2002). Assim, descoerência e o problema da medição caminham juntos no desenvolvimento da teoria.

Este tem sido um campo de pesquisa bastante ativo e além de Zurek outros pesquisadores tem contribuído sobre o tema. Os resultados de pesquisa são os seguintes:

- -Descoerência é o processo natural que permite aos sistemas físicos realizar a transição do mundo quântico para o mundo clássico (Zurek, 1991, 2002);
- - Descoerência é independente da intensidade do acoplamento com o meio, permitindo que mesmo uma partícula livre em contato com um reservatório a temperatura zero possa sofrer descoerência com o passar do tempo devido ao espalhamento do pacote de onda enquanto a distribuição de probabilidades é preservada (Ford et al., 2001; O' Connel, 2005; Ford & O'Connel, 2001);

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- -Descoerência pode ocorrer tanto em sistemas fechados quanto em sistemas abertos (Castagnino, Fortin, Laura & Lombardi, 2008);
- - Estabelece uma fronteira efetiva entre o quântico e o clássico, que não se baseia no colapso do pacote de onda, ou em algum outro deus ex machina (Zurek, 2002);
- - Entropia deve crescer porque o estado inicial de um sistema quântico, completamente emaranhado, é um estado puro, enquanto o estado final é um estado misto (Zurek, 2002);
- - O ambiente também é um sistema quântico, ou seja: descoerência induzida pelo ambiente é um processo que se inicia no mundo quântico (Zurek, 2002);
- - Se o detector é quântico e não existe descoerência então a superposição dos registros da medição existe e é um registro da superposição de medições;
- - O processo de perda de coerência é irreversível (Zurek, 2002);
- - Estados de objetos clássicos ou correlações clássicas são objetivos. Eles existem independentemente das medições (Zurek, 2002);
- - O ambiente, de fato, mede o estado de um objeto, e isto é suficiente para destruir a coerência quântica. A conseqüente descoerência induz então a transição para o mundo clássico (Zurek, 2002);
- - Medidas não destrutivas permitem obter informação sobre um sistema quântico sem induzir uma mudança em seus estados quânticos (Zurek, 2002);
- - Os testes experimentais que confirmam os resultados citados podem ser consultados em Brune et al., 1996; Haroche, 1998; Turchette et al., 2000 entre outros.

Os resultados acima permitem algumas especulações:

- - Se o processo de descoerência é espontâneo e ocorre com aumento de entropia, ele provavelmente é irreversível. Ou seja, este processo acontece todo o tempo com todos os objetos físicos. Como o nosso universo não é completamente clássico, podemos supor que existem mecanismos que limitem a velocidade do processo de descoerência, protegendo os estados quânticos e mantendo suas propriedades. Pode-se mostrar que o tempo de descoerência é inversamente proporcional à massa e à temperatura (Zurek, 2002). Ou seja, partículas subatômicas e sistemas criogênicos resistem mais tempo ao processo de descoerência. Isto permite inferir que podemos ter uma gradação de estados entre o quântico e o clássico: estados mais bem protegidos permanecem mais quânticos, enquanto estados menos bem protegidos se tornam mais clássicos. O que parece indicar que depois de um tempo suficientemente longo tudo se tornará clássico. No presente, os sistemas que estão em estados clássicos são objetivos e, portanto, satisfazem a uma epistemologia realista, enquanto aqueles que estão em estados quânticos não são objetivos, mas podemos ter uma medida deles usando medidas não destrutivas cujo resultado é objetivo.

## Conclusões

Eis a questão! Nosso mundo é realista e objetivo justificando uma epistemologia realista? Ou os resultados do processo de descoerência não mudam o mundo quântico e devemos ser anti-realistas apesar da possibilidade de medidas não destrutivas? Responder a esta pergunta ainda não é possível de forma

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definitiva, mas certamente algumas implicações para o ensino da Física podem ser deduzidas dos trabalhos de Freire Jr. et al. e Baily & Finkelstein relativos à rejeição dos estudantes a uma visão não realista da natureza. Jovens estudantes recusam uma visão não realista da natureza, assim, uma abordagem realista da Física mesmo que só nos limites do realismo experimental das entidades e da tecnociência de Bachelard pode ser um caminho para ultrapassar estas dificuldades com o apoio de uma base epistemológica com raízes no pensamento científico e nos resultados experimentais do mais surpreendente dos ramos da Física: a Teoria Quântica.

Agradecimentos: A CAPES pelo apoio durante estágio no OISE / University of Toronto; Ao Ontario Institute for Studies in Education da University of Toronto pela gentil hospitalidade e suporte. Uma parte deste trabalho foi realizado durante o estágio senior.

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