Efecte Sagnac

El efecte Sagnac, també conegut com a interferència de Sagnac, cridat aixina en honor del físic francés Georges Sagnac, és un fenomen interferométrico associat al moviment de rotació. Es manifesta en una configuració denominada interferometría d'anell: un fes de llum es dividix en dos rajos que seguixen trayectòries en direccions opostes. Per a actuar com un anell, la trayectòria de la llum deu rodejar un àrea, tornar al punt d'entrada i formar un patró d'interferència en eixir de l'aparat. La posició de les franges d'interferència depén de la velocitat angular de l'instalació. Esta disposició també es diu un interferómetro de Sagnac. L'efecte Sagnac és l'equivalent electromagnètic de la mecànica de rotació.

Un giroscopi montat sobre una suspensió Cardán seguix apuntant en la mateixa direcció encara que gire la base sobre la que estiga montat, sent utilisat com a referència per a un sistema de guia inercial. L'interferómetro Sagnac medix la seua velocitat angular sobre la seua sistema de referència inercial local. Per lo tant, de la mateixa manera que el giroscopi també pot proporcionar una referència per a un sistema de guia inercial. No obstant, els principis físics en els que es basen els dos dispositius són diferents: el giroscopi utilisa el principi de conservació del moment angular, mentres que l'interferómetro es veu afectat per fenomens relativistes.^{cita requerida}

Representació esquemàtica d'un interferómetro de Sagnac.

Representació esquemàtica d'un interferómetro de Sagnac.

Descripció i funcionament

Erro al crear miniatura:

Interferómetro Sagnac utilisat com giróscopo de fibra òptica, a partir d'una fibra òptica en llaç simple o múltiple.

Generalment s'utilisen varis espills per a que els rajos de llum seguixquen una trayectòria triangular o quadrada. La fibra òptica també es pot amprar per a dirigir la llum. L'interferómetro d'anell està situat en una plataforma que pot girar. Quan la plataforma està girant, les llínees del patró d'interferència són desplaçades en comparació a la posició del patró d'interferència quan la plataforma no gira. La cantitat de desplaçament és proporcional a la velocitat angular de la plataforma giratòria. L'eix de rotació pot no estar dins del recint recorregut per la llum.

Quan la plataforma està girant, el punt d'entrada i el punt d'eixida es mouen durant el temps de trànsit de la llum. En conseqüència, un raig ha cobert menys distància que l'atre, lo que crea el canvi en el patró d'interferència. Per lo tant, s'obtindrà un patró d'interferència (en funció de les característiques de la plataforma) en un particular desplaçament de fase propi de cada velocitat angular.

En esta descripció, la velocitat de rotació mencionada sempre es medix sobre un marc de referència inercial.^{cita requerida}

Història

Vore també: Història de la relativitat especial

En teoria, la primera sugerència per a portar a terme l'experiment de interferometría va ser feta pel físic britànic Oliver Joseph Lodge en 1897 i més vesprada pel nortamericà Albert Abraham Michelson en 1904. Esperaven que si es podia realisar tal experiment (l'objectiu del qual era medir la rotació de la terra per mijos òptics), seria possible provar o refutar les idees relatives a l'immovilitat de l'éter o al complet arrastre de l'éter per la Terra. És dir, si l'éter es moguera en la terra (o en l'interferómetro) el resultat seria negatiu, mentres que un éter estacionario donaria un resultat positiu.

Max von Laue en 1911 va continuar el treball teòric de Michelson i també va incorporar la relativitat especial en els seus càlculs. Va predir un resultat positiu (de primer orde en v/c) tant en el supòsit de la relativitat especial com en el de l'éter estacionario, perque en eixes teories, la velocitat de la llum és independent de la velocitat de la font, i per lo tant, el temps de propagació dels rajos no és el mateix vist des dels dos sistemes de referència inerciales; només el model d'arrastre complet de l'éter donaria un resultat negatiu. Mentres Laue va llimitar les seues investigacions als sistemes de referència inerciales, Paul Langevin (1921/35) i molts uns atres varen descriure l'efecte des dels propis sistemes de referència en rotació (analisant els sistemes de coordenades associats a la relativitat especial i general).

En la pràctica, el primer experiment de interferometría destinat a observar la correlació entre velocitat angular i desplaçament de fase va ser realisat pel francés Georges Sagnac en 1913, raó per la qual l'efecte du el seu nom. El seu propòsit era detectar "l'efecte del moviment relatiu de l'éter". Sagnac només va mencionar la consistència de l'experiment en un éter estacionario. No obstant, com ya s'ha explicat, dos anys abans Max von Laue ya va predir este efecte sobre la base de la relativitat especial, per lo que este efecte és consistent en la relativitat especial. L'experiment realisat en 1911 per Franz Harress, encaminat a realisar medicions del coeficient d'arrastre de propagació de Fresnel del moviment de la llum a través del vidre, en 1920 va ser reconegut per Laue com un experiment de Sagnac. Harress no havia atribuït el "biaix inesperat" del resultat del seu experiment a motius relativistes.

En 1926 es va desenrollar un ambiciós experiment de interferometría d'anell dirigit per Albert Michelson i Henry Gale. L'objectiu era averiguar si la rotació de la Terra té un efecte sobre la propagació de la llum en les proximitats de la seua superfície. l'experiment de Michelson-Gale-Pearson utilisava un interferómetro d'anell molt gran (en un perímetro d'1,9 quilómetros), lo suficientment gran com per a detectar la velocitat angular de la terra. El resultat de l'experiment va ser la confirmació de l'exactitut de la medició de la velocitat angular de la Terra calculada fins a llavors d'acort en procediments astronòmics. L'interferómetro de l'anell de l'experiment de Michelson-Gale no va poder ser calibrat en comparació a una referència externa (lo que no va ser possible, perque l'instalació estava fixada sobre la pròpia Terra). A partir del seu disseny, es podria deduir a on deuria estar la franja d'interferència central si la Terra no girara. El desplaçament medit va ser 230 parts sobre 1000, en una precisió de 5 parts en 1000. El canvi previst era de 237 parts en 1000.