On appelle effet Sagnac le décalage temporel de la réception de deux signaux lumineux tournant en sens inverse autour de la circonférence d'un disque en rotation (par rapport à un référentiel inertiel), quand ils sont émis par un émetteur-récepteur fixé sur ce disque.

Schéma d'un dispositif possible.

L'effet Sagnac a été découvert par Georges Sagnac en 1913[1]. En physique classique, il est interprétable comme une asymétrie de la vitesse des signaux lumineux par rapport à la circonférence du disque en rotation. En physique relativiste, l'effet correspond à l'impossibilité de synchroniser des horloges sur une courbe fermée soumise à la gravitation, ou à une accélération (en cas de rotation).

En 1925, Michelson et Gale mesurèrent la rotation de la Terre grâce à un grand interféromètre en utilisant l'effet Sagnac. Le gyroscope à fibre optique utilisé comme gyromètre est une application directe de l'effet Sagnac.

Théorie

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Prévision en physique relativiste

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On appelle « effet Sagnac » le décalage temporel de la réception de signaux lumineux « tournant en sens inverse » quand ils sont émis par un émetteur-récepteur fixé sur un disque tournant. En effet, si un émetteur placé sur un disque en rotation envoie deux signaux lumineux contraints de suivre la circonférence du disque, chacun dans un sens, les deux signaux reviennent à l'émetteur après un tour complet mais avec un léger décalage temporel qui dépend de la vitesse de rotation du disque.

En relativité restreinte, on suppose que la vitesse de la lumière c est invariante, et la même pour les deux trajets, dans le rérérentiel centré sur le centre du disque, mais ne tournant pas avec lui. En supposant c invariant ce décalage temporel entre les instants d'arrivée des deux signaux lumineux tournant en sens inverse se calcule comme suit[2].

Les signaux lumineux partant dans des sens opposés parcourent des distances différentes avant de rencontrer à nouveau l’émetteur qui tourne avec le disque.

Le long de la circonférence d'un disque de rayon R tournant à la vitesse (au niveau du rayon R) on fait tourner :

  • un rayon lumineux dans le même sens que le disque et, en notant t le temps qu'il met pour rencontrer à nouveau l'émetteur, l'observateur du laboratoire vérifie l'égalité , avec , d'où
  • un rayon lumineux dans le sens opposé à celui du disque et, en notant t' le temps qu'il met pour rencontrer à nouveau l'émetteur, l'observateur du laboratoire vérifie l'égalité , avec , d'où

Le décalage entre les arrivées des deux signaux lumineux pour une petite vitesse de rotation.

Prévision en physique classique

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En physique classique, on suppose que la vitesse de la lumière est dans le référentiel du laboratoire (supposé être celui de l'éther), et ou dans le référentiel tournant.

Le différentiel de temps est celui pour parcourir avec la vitesse ou  :

On retrouve exactement la même expression qu'en physique relativiste, par un raisonnement différent. L'expérience de Sagnac, avec la lumière, ne permet pas de départager la physique relativiste de la physique classique[3].

En revanche, si on cherche à calculer un effet Sagnac avec des signaux de vitesse quelconque, avec les formules de la relativité restreinte, alors il apparait que les prédictions de l'effet selon la relativité est différente des prédictions avec la physique classique. Cela ouvre la possibilité de départager avec des expériences avec des signaux de vitesse inférieure à la vitesse de la lumière[3].

Universalité de l'effet Sagnac

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On peut montrer que l'effet Sagnac est indépendant de la vitesse des signaux et ne dépend que de la vitesse de rotation du disque, en prenant pour hypothèse l'isotropie de la vitesse des signaux (vitesse des signaux voyageant dans les sens opposés identiques par rapport au disque), et en calculant les vitesses selon la loi de composition des vitesses en relativité restreinte. C'est l'universalité de l'effet Sagnac. On ne peut pas démontrer cette universalité en physique classique[4].

Si cette prédiction est vérifiée expérimentalement, cela permet de vérifier que l'effet Sagnac est non seulement compatible avec le relativité restreinte, mais même une prédiction de celle-ci.

La démonstration suit les étapes suivantes[5] :

  • On définit d'abord les distances parcourues ( et ) et les temps d'arrivée ( et ) pour chaque signal depuis le référentiel fixe du laboratoire.
  • En utilisant la loi relativiste de composition des vitesses, les vitesses des signaux ( et ) sont exprimées en fonction de la vitesse du signal () par rapport au disque.
  • Lors du calcul de l'intervalle de temps total dans le laboratoire (), le terme s'annule car il est présent à la fois au numérateur et au dénominateur des équations.
  • Enfin, l'intervalle de temps est converti pour le référentiel tournant () en appliquant la formule de dilatation du temps. Le résultat final démontre que le décalage temporel ne dépend que du rayon du disque () et de sa vitesse de rotation (), et on retrouve la formule de l'effet Sagnac pour la lumière (dont la vitesse n'est qu'un cas particulier de ).

Mathématiquement[5]

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Distances parcourues:

Vitesses et temps :

Temps de parcours déduits :

Intervalle de temps mesuré dans le laboratoire :

Loi de composition des vitesses permettant d'exprimer et en fonction de la vitesse du signal par rapport au disque  :

Intervalle de temps dans le laboratoire (simplifié) disparait :

Intervalle de temps mesuré dans le référentiel tournant (temps propre) :

Décalage temporel final. Effet Sagnac universel :

On retrouve la formule de l'effet Sagnac pour la lumière, pour des vitesses de rotation négligeables par rapport à celle de la lumière. Le terme en s'avère être non pas la vitesse du signal lumineux (comme le croyait Sagnac), mais une constante fondamentale liée à la géométrie de l'espace-temps de Minkowski[6].

Résultats expérimentaux

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L'effet a d'abord été constaté et mesuré en analysant les franges d'interférences des signaux lumineux. Depuis, l'utilisation de laser, d'horloges atomiques et d'autres dispositifs, permet d'autres mesures et en particulier la mesure directe du décalage temporel.

En 1913, Sagnac a vérifié les prédictions prérelativistes de l'effet qui porte son nom en utilisant un interféromètre en rotation rapide. Il avait lui-même prédit les résultats ci-dessus dans le cadre de la physique classique. Ce fut aussi le premier résultat expérimental rapporté de ce qui fut nommé l'effet Sagnac.

En 1925, Michelson et Gale mesurèrent la rotation de la Terre grâce à un grand interféromètre.

Depuis les années soixante, des mesures de plus en plus précises ont pu être effectuées grâce à l'emploi des lasers.

Déjà, en 1914, Harzer avait constaté que l'effet subsiste en présence de la réfraction, c'est-à-dire dans un milieu où la lumière va moins vite que .

Pour les ondes électromagnétiques, l'effet a été détecté pour les ondes radioélectriques[7] et les rayons X[7].

Pour la matière, c'est-à-dire pour les ondes de de Broglie[7] et les particules associées, l'effet Sagnac universel a également été détecté, avec des vitesses de signal inférieures à celle de la lumière :

Rotation de la Terre

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L'effet Sagnac dû à la rotation de la Terre a été mesuré avec des interféromètres à ondes de matière :

  • en par Werner et al. avec des neutrons[23] ;
  • en par Lenef et al. avec des atomes de sodium (Na)[23] ;
  • en puis en par Gustavson et al. avec des atomes de césium (Cs)[23] ;
  • en par Canuel et al. avec des atomes de césium (Cs) refroidis[23].

Historique de la découverte de l'effet

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Prédictions prérelativistes

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L'effet Sagnac n'est pas prédictible dans le cadre de la théorie corpusculaire de la lumière d'Isaac Newton[24]. Il a été prédit, pour les ondes lumineuses, avant l'avènement de la relativité restreinte, dans le cadre de la théorie de l'éther[25]. Le physicien britannique Oliver Lodge (-) est le premier à le prévoir, dès [26],[27],[28] pour un interféromètre entraîné par la rotation de la Terre[25] puis en [26],[29] pour un interféromètre monté sur un plateau tournant[25]. Par la suite, le physicien américain Albert A. Michelson (-) en [25] puis le physicien français Georges Sagnac (-) en prévoient tous deux l'effet, toujours dans le cadre de la théorie de l'éther[25].

Prédécouverte

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L'effet Sagnac est parfois dit « effet Harress-Sagnac »[30] car il s'est avéré avoir été observé pour la première fois en -[31] par Franz Harress dans une expérience de Fizeau. Harress n'a pas su expliquer les causes du déplacement des franges d'interférence qu'il observait[32]. En , l'astronome allemand Paul Harzer (-) rediscute les résultats de l'expérience de Harress et montre qu'elle met en évidence l'effet Sagnac, avec une plus grande précision que celle obtenue par Sagnac[32].

Réinterprétation relativiste

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Dès , le physicien allemand Max von Laue (-) relève que la relativité restreinte prédit elle aussi l'effet[32],[33]. Par la suite, von Laue lui-même en [32],[34]  au premier ordre en v / c[32]  puis le physicien français Paul Langevin (-) en [32],[35] et en [32],[36] reprennent la démonstration de l'effet en relativité restreinte.

L'effet Sagnac est généralement considéré comme un effet de la relativité restreinte[37],[38],[7],[39],[40]. En effet, d'une part, l'effet Sagnac est un effet « purement relativiste »[41],[42] ; et, d'autre part, l'effet est « purement cinématique »[43] : il n'est pas lié à la gravitation[42],[44] ; ainsi, la relativité restreinte suffit pour prédire exactement l'effet[43] : il n'est pas nécessaire de se placer dans le cadre de la relativité générale[43].

Applications

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Le gyromètre à fibre optique est une application directe de l'effet Sagnac.

Notes et références

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  1. Les systèmes des savants sur Google Livres
  2. Spagnou 2012, Annexe A, p. 118.
  3. 1 2 Spagnou 2012, Annexe A, p. 119.
  4. Spagnou 2012, Annexe A, p. 120.
  5. 1 2 Spagnou 2012, Annexe A, p. 121.
  6. Spagnou 2012, Annexe A, p. 122.
  7. 1 2 3 4 Malykin et Pozdnyakova 2013, chap. 2, sec. 2.1, p. 8.
  8. 1 2 3 4 Rizzi et Ruggiero 2003, sect. 2, § 2.3, p. 184.
  9. 1 2 3 Gautier et al. 2022, introduction, p. 1, col. 1.
  10. Gautier et al. 2022, références et notes, no 9, p. 5, col. 2.
  11. Werner et al. 1979.
  12. Atwood et al. 1984.
  13. Gautier et al. 2022, références et notes, no 10, p. 5, col. 2.
  14. Riehle et al. 1991.
  15. Gautier et al. 2022, références et notes, no 11, p. 5, col. 2.
  16. Hasselbach et Nicklaus 1993.
  17. Gautier et al. 2022, références et notes, no 12, p. 5, col. 2.
  18. Schwab et al. 1997.
  19. Gautier et al. 2022, références et notes, no 13, p. 5, col. 2.
  20. Simmonds et al. 2001.
  21. Gautier et al. 2022, références et notes, no 14, p. 5, col. 2.
  22. Wright et al. 2013.
  23. 1 2 3 4 Gourgoulhon 2010, chap. 13, sect. 13.5, § 13.5.6, p. 468.
  24. Deruelle et Uzan 2018, liv. 2, Ire part., chap. 3, sec. 3.2, p. 202.
  25. 1 2 3 4 5 Gourgoulhon 2010, chap. 13, sect. 13.5, § 13.5.4, p. 465.
  26. 1 2 Malykin et Pozdnyakova 2013, chap. 2, sec. 2.2, § 2.2.1, p. 17.
  27. Malykin et Pozdnyakova 2013, bibliographie, no 466, p. 274.
  28. Lodge 1893.
  29. Malykin et Pozdnyakova 2013, bibliographie, no 465, p. 274.
  30. Darrigol 2014, sec. 7, § 7.9, p. 824.
  31. Darrigol 2014, sec. 7, § 7.7, p. 823.
  32. 1 2 3 4 5 6 7 Gourgoulhon 2010, chap. 13, sect. 13.5, § 13.5.4, p. 466.
  33. Laue 1911.
  34. Laue 1920.
  35. Langevin 1921.
  36. Langevin 1937.
  37. Bhadra, Ghose et Raychaudhuri 2022, sec. 1, p. 1, col. 2.
  38. Malykin 2000, sec. 1, p. 1229, col. 2.
  39. Pascoli 2017, sec. 3, p. 567.
  40. Tartaglia et Ruggiero 2015, résumé, p. 427.
  41. Gourgoulhon 2024, préf., p. 5.
  42. 1 2 Spagnou 2024, chap. 4, sec. 4.1, p. 88.
  43. 1 2 3 Spagnou 2024, chap. 4, sec. 4.2, p. 89.
  44. Spagnou 2024, chap. 4, sec. 4.1, p. 89.

Voir aussi

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Articles connexes

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Liens externes

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Bibliographie

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Ouvrages généraux
  • Jean Hladik, Pierre-Emmanuel Hladik, Le calcul tensoriel en physique, 3e édition Dunod. (ISBN 2100040715), (ISBN 2225846537), (ISBN 2225841446)
  • V. Ougarov, Théorie de la Relativité Restreinte, Deuxième Edition, Editions Mir, Moscou. Traduction française Editions Mir, 1979.
  • Edgard Elbaz, Relativité Générale et Gravitation, Editions Ellipses-Marketing, 1986, (ISBN 2729886516) (épuisé)
  • Charles W.Misner, Kip S. Thorne et John Archibald Wheeler, Gravitation, W.H. Freeman and Company, New York. (ISBN 0716703440)
Autres sources

Manuels d'enseignement supérieur

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Publications historiques

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Oliver Lodge
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Georges Sagnac
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Max von Laue
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Paul Langevin
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Expériences

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  • [Atwood et al. 1984] (en) D. K. Atwood, M. A. Horne, C. G. Shull et J. Arthur, « Neutron phase shift in a rotating two-crystal interferometer », Phys. Rev. Lett., vol. 52, no 19, , p. 1673 (DOI 10.1103/PhysRevLett.52.1673, résumé).
  • [Hasselbach et Nicklaus 1993] (en) Franz Hasselbach et Marc Nicklaus, « Sagnac experiment with electrons : observation of the rotational phase shift of electron waves in vacuum », Phys. Rev. A, vol. 48, no 1, , p. 143 (DOI 10.1103/PhysRevA.48.143, résumé).
  • [Riehle et al. 1991] (en) F. Riehle, Th. Kisters, A. Witte, J. Helmcke et Ch. J. Bordé, « Optical Ramsey spectroscopy in a rotating frame : Sagnac effect in a matter-wave interferometer », Phys. Rev. Lett., vol. 67, no 2, , p. 177 (DOI 10.1103/PhysRevLett.67.177, résumé).
  • [Schwab et al. 1997] (en) Keith Schwab, Niels Bruckner et Richard E. Packard, « Detection of the Earth's rotation using superfluid phase coherence », Nature, vol. 386, , p. 585-587 (DOI 10.1038/386585a0, résumé).
  • [Simmonds et al. 2001] (en) R. W. Simmonds, A. Marchenkov, E. Hoskinson, J. C. Davis et R. E. Packard, « Quantum interference of superfluid 3He », Nature, vol. 412, , p. 55-58 (DOI 10.1038/35083518, résumé).
  • [Werner et al. 1979] (en) S. A. Werner, J.-L. Staudenmann et R. Colella, « Effect of Earth's rotation on the quantum mechanical phase of the neutron », Phys. Rev. Lett., vol. 42, no 17, , p. 1103 (DOI 10.1103/PhysRevLett.42.1103, résumé).
  • [Wright et al. 2013] (en) K. C. Wright, R. B. Blakestad, C. J. Lobb, W. D. Phillips et G. K. Campbell, « Driving phase slips in a superfluid atom circuit with a rotating weak link », Phys. Rev. Lett., vol. 110, no 2, , article no 025302 (DOI 10.1103/PhysRevLett.110.025302, résumé).