Кіріспе

Сагнак эффектісі, сондай-ақ Сагнак интерференциясы деп аталады, француз физигі Жорж Сагнақтың есімімен аталған, бұл айналудан туындаған интерферометрияда кездесетін құбылыс. Сагнак эффектісі сақиналы интерферометр немесе Сагнак интерферометрі деп аталатын құрылымда көрінеді. Жарық сәулесі екіге бөлініп, екі сәуле бірдей жолмен, бірақ қарама-қарсы бағытта жүріп отырады. Кіру нүктесіне оралғанда екі жарық сәулесінің сақинадан шығуына және кедергіге ұшырауына рұқсат етіледі. Екі шығу сәулелерінің салыстырмалы фазалары, демек кедергі жиектерінің орналасуы, құрылғының бұрыштық жылдамдығына сәйкес өзгереді. Басқаша айтқанда, интерферометр айналмауы мүмкін емес жүйеге қатысты тыныш тұрғанда, жарық сақинаны екі бағытта да өту үшін бірдей уақыт жұмсайды. Бірақ интерферометр жүйесі айналғанда, жарық сәулесінің біреуі механикалық жүйенің бір айналымын аяқтау үшін екіншісіне қарағанда ұзақ жолдан өтеді, сондықтан көбірек уақыт жұмсайды, нәтижесінде екі сәуле арасында фазалық айырмашылық пайда болады. Жорж Сагнак 1913 жылы Эйнштейннің арнайы салыстырмалылық теориясы қажет емес деп санайтын эфирдің бар екенін дәлелдеу үшін осы тәжірибені жүргізді. Сагнак эффектісін арнайы салыстырмалылық теориясы аясында алғаш рет 1911 жылы Макс фон Лауэ сипаттады, Сагнак өз тәжірибесін өткізгенге дейін екі жыл бұрын. Микельсонның (1904) теориялық жұмысын жалғастыра отырып, фон Лауэ инерциялық анықтамалық жүйемен шектелді (оны «жарамды» анықтамалық жүйе деп атады) және түсіндірмеде «жарамды жүйеге қатысты айналатын жүйе жарамсыз» деп жазды. Сагнак өзінің нәтижелері тұрақты эфирдің бар екенін дәлелдей алады деп сенді. Бірақ, жоғарыда айтылғандай, фон Лауэ 1911 жылы осы эффектінің арнайы салыстырмалылық теориясына сәйкес келетінін көрсетті. 1911 жылы Харрес тәжірибесі қозғалатын шыны арқылы таралатын жарықтың Френель созылуын өлшеуге бағытталған. Сагнак эффектісін білмейтін Харрес өлшеулерінде «күтпеген бұрмалау» бар екенін байқады, бірақ оның себебін түсіндіре алмады. Харрес нәтижелерді талдағанда қателік жіберді, ал 1914 жылы Пол Харцер оларды қайта талдап, нәтижелер ерекше салыстырмалылық теориясына қайшы екенін мәлімдеді. Бұл Айнштейн тарапынан жоққа шығарылды. Харрес Бірінші дүниежүзілік соғыс кезінде қайтыс болды, ал оның нәтижелері 1920 жылы фон Лауэ Харрес көмекшісі болған Отто Кнопфты оларды жариялауға көндіргенге дейін көпшілікке қол жетімді болған жоқ. Харрес нәтижелері экспериментте Сагнак эффектісінің рөлін көрсеткен фон Лауэ талдауымен бірге жарияланды. Осы координаттардан қарсы таралатын сәулелердің әртүрлі келу уақыттарын алуға болады, бұл эффектті Пол Лангевин (1921) көрсетті. Немесе осы координаттар айналатын жүйелерде жарықтың жаһандық жылдамдығын есептеу үшін пайдаланылғанда, бағытқа байланысты әртүрлі көрінетін жарық жылдамдықтары алынады, бұл эффектті Лангевин басқа мақалада көрсетті (1937). Бұл ерекше салыстырмалылыққа және фон Лауэдің жоғарыдағы жарық жылдамдығына үдеу әсер етпейді деген түсіндірмесіне қайшы келмейді. Себебі айналатын жүйелердегі жарықтың осы айқын өзгермелі жылдамдығы тек айналатын координаттар қолданылғанда ғана пайда болады, ал егер Сагнак эффектісі сыртқы инерциялық координаттар жүйесінің көзқарасынан сипатталса, жарық жылдамдығы, әрине, тұрақты болып қалады – сондықтан Сагнак эффектісі инерциялық координаттарды (төмендегі бөлімдегі формулаларды қараңыз) немесе айналатын координаттарды (төмендегі бөлімдегі формулаларды қараңыз) қолданғаннан кейін пайда болады. Яғни, арнайы салыстырмалылық теориясы бастапқы пішімінде инерциялық емес, айналатын координаттар жүйелеріне бейімделген. Альберт Эйнштейн арнайы салыстырмалылық теориясын енгізген мақаласында «жарық әрқашан бос кеңістікте белгілі бір жылдамдықпен таралады, ол сәуле шығарушы дененің қозғалыс күйіне тәуелсіз» деді. Эйнштейн жарық жылдамдығы тек бос кеңістіктің вакуумында тұрақты екенін нақты айтты, сызықтық және параллель инерциялық жүйелерде ғана қолданылатын теңдеулерді пайдаланды. Бірақ Эйнштейн үдемелі анықтамалық жүйелерді зерттей бастағанда, ол «жарықтың тұрақтылық принципі үдемелі анықтамалық жүйелер үшін өзгертілуі керек» екенін байқады. Макс фон Лауэ 1920 жылғы мақаласында Сагнак эффектісіне жалпы салыстырмалылық теориясының әсерін терең қарастырып, «Жалпы салыстырмалылық теориясы, әрине, осыған қатысты кейбір мәлімдемелер жасай алады, және біз алдымен үдеудің көзге көрінбейтін әсерлері күтілмейтінін көрсетуге тырысамыз» деді. Ол неміс физигі Вильгельм Виенмен болған талқылар туралы түсіндірме берді. Сондай-ақ, Ирвин Шапиро 1964 жылы жалпы салыстырмалылықты түсіндірді: «жарық толқынының жылдамдығы оның жолындағы гравитациялық потенциал күшіне байланысты». Бұл Шапиро кешігуі деп аталады. Бірақ, гравитациялық өріс маңызды болуы керек болғандықтан, Лауэ (1920) бұл эффектінің себебі кеңістіктегі қозғалысымен жолдың қашықтығын өзгерткеніне байланысты болуы мүмкін деген қорытындыға келді. 1926 жылы Альберт Микельсон мен Генри Гейл амбициялы сақиналы интерферометриялық тәжірибе жүргізді. Мақсаты Жердің айналысы Жер маңындағы жарық таралуына әсер ететінін анықтау болды. Микельсон–Гейл–Пирсон тәжірибесі өте үлкен сақиналы интерферометр болды (шеңбері 1,9 километр), Жердің бұрыштық жылдамдығын анықтауға жеткілікті. Тәжірибе нәтижесінде Жердің бұрыштық жылдамдығы астрономиямен өлшенгендей, өлшеу дәлдігі шегінде расталды. Микельсон–Гейл тәжірибесінің сақиналы интерферометрі сыртқы анықтамамен салыстырылып калибрленбеді (бұл мүмкін болмады, өйткені құрылым Жерге бекітілген). Оның дизайнынан егер ауытқу болмаса, орталық кедергі жиегінің қайда болуы керектігін анықтауға болады. Өлшенген ауытқу 1000 бөліктен 230 бөлігін құрады, дәлдігі 1000 бөліктен 5 бөлігін құрады. Күтілген ауытқу 1000 бөліктен 237 бөлігін құрады. Сагнак эффектісі оның мағынасы мен интерпретациясы туралы ғасырлық пікірталасқа түрткі болды. Ең қарапайым туындысы радиусы R және бірлік сындыру көрсеткіші бар дөңгелек сақина үшін, бұрыштық жылдамдығымен айналады, бірақ нәтиже басқа пішіндердегі контурлар үшін де жалпылама. Егер жарық көзі айналатын сақинадағы бір нүктеден екі бағытта шықса, айналу бағытына қарай қозғалатын жарық көзден артта қалу үшін сақинаның бір шеңберінен артық жолдан өтуі керек. Көзден артта қалу үшін қажетті уақыт:

... (формулалар)

Жалпыланған формула

Тәжірибенің өзгертілген нұсқалары ұсынылды, онда жарық көзіне (қажетті түрде дөңгелек емес) жарық жолымен қозғалуға рұқсат етілді. Бұл конфигурация фазалық айырмашылықтың тағы бір себебін тудырады: жарық көзіне сәйкес, екі сигнал кеңістікте әртүрлі жолдармен өтеді. Кейбір авторлар бұл құбылысты Сагняк эффектісі деп атайды, бірақ бұл жағдайда сәйкессіздік бір мезгілделік сызықтары жабық контур құрамайтындықтан туындауы міндетті емес. Өзгертілген конфигурацияның мысалы 5-суретте көрсетілген. Суретте сол жақта көрсетілген стандартты оптоволокнолық гироскопта және оң жақта көрсетілген модификацияланған оптоволокнолық конвейерде өлшенген фазалық айырмашылық Δt = 2vL/c2 теңдеуіне сәйкес келеді, бұл теңдеу жарық жылдамдығының тұрақтылығына негізделген. Бұл формуладан жалпы уақыт кешігуі талшықтың барлық ұзындығы бойынша жинақталған уақыт кешігуіне тең екендігі көрінеді, талшық конвейердің айналмалы бөлігінде немесе түзу бөлігінде орналасқандығына қарамастан. Алайда, егер жарық көзінің кеңістіктегі жолы жарық сигналдарының жолынан өзгеше болса, мысалы, стандартты айналатын платформада (FOG), бірақ дөңгелек емес жарық жолымен, онда бұл теңдеу жарамсыз. Бұл жағдайда фазалық айырмашылық формуласы міндетті түрде Стокстің теоремасына сәйкес жарық жолымен шектелген аумақты қамтиды. Егер талшық бұрыштық жиілігі ω болатын қатаң дене сияқты қозғалса, жылдамдық v болады және сызықтық интегралды контурдың ауданы арқылы есептеуге болады: Бұл кез келген пішін мен геометриядағы сақиналық интерферометрлер үшін Сагняк формуласын береді. Егер созуға да рұқсат етілсе, Физоның интерференциялық формуласын қайта қалпына келтіруге болады. Сагняк интерферометрінің жағдайында келу уақытының айырмашылығын интерференциялық жіптерді жасау және жіптердің ығысуын бақылау арқылы анықтауға болады. Ал импульстарды бүкіл әлемге тарату кезінде келу уақытының айырмашылығы импульстардың нақты келу уақытынан тікелей алынады. Екі жағдайда да келу уақытының айырмашылығының механизмі бірдей: Сагняк эффектісі. Хафеле-Китинг эксперименті де Сагняк эффектісі физикасының баламасы ретінде танылады. Көліктің түрі (ұзақ қашықтыққа ұшу) уақыттың өзгеруіне әкелді, сондықтан әртүрлі үлестерді бөлу үшін есептеулер қажет болды. Егер көлікте өте баяу жылдамдықпен тасымалданған сағаттарды қарастырсақ (теориялық тұрғыдан), көліктен туындаған уақыттың өзгеруі елеусіз болса, сағаттар бастапқы нүктеге оралған кездегі уақыт айырмашылығы бүкіл әлемді айналып өтетін импульстар тізбегі үшін анықталған уақыт айырмашылығына тең болады: 207 наносекунд.

Практикалық қолдану

Сагнак эффектісі қазіргі технологияда қолданылады. Оның бір қолданысы – инерттік навигациялық жүйелерде. Сақиналы лазерлік гироскоптар айналуларға өте сезімтал, сондықтан инерттік навигациялық жүйе дәл нәтижелер беруі үшін оларды ескеру қажет. Сақиналы лазер сонымен қатар "1-режим" деп те аталатын жұлдыздық күнді анықтай алады. GPS, GLONASS, COMPASS немесе Galileo сияқты жаһандық навигациялық спутниктік жүйелер (GNSS) радиосигналдарды қолданып сағаттарды синхрондау процедураларында Жердің айналысын ескеретін болуы керек.

Сақиналы лазерлер

Оптикалық талшықты гироскоптар кейде «пассивті сақиналық интерферометрлер» деп аталады. Пассивті сақиналық интерферометр жарықты сырттан кіргізеді. Алынған интерференциялық сурет – фриндж суреті, ал өлшенетін нәрсе – фазалық ығысу. Сонымен қатар, мүлдем басқа құрылымға негізделген, өздігінен толыққан сақиналық интерферометрді құруға болады. Бұл сақиналық лазер немесе сақиналық лазерлік гироскоп деп аталады. Жарық лазерлік қоздыруды жарық жолына енгізу арқылы туындайды және сақталады. Сақиналық лазерде не болатынын түсіну үшін, үздіксіз жарық генерациялайтын лазерлік орналымдағы лазерлік процестің физикасын қарастыру пайдалы. Лазерлік қоздыру басталғанда, қуыстың ішіндегі молекулалар фотондарды шығарады, бірақ молекулалардың жылулық жылдамдығы болғандықтан, лазерлік қуыстың ішіндегі жарық бастапқыда жылдамдықтардың статистикалық таралуына сәйкес келетін жиіліктер диапазоны болып табылады. Стимулданған эмиссия процесі бір жиілікті басқа жиіліктерден тез басып озады, содан кейін жарық монохроматикалыққа жақын болады. Жеңілдік үшін, барлық шығарылған фотондар сақинаға параллель бағытта шығарылады деп есептейік. 7-сурет сақиналық лазердің айналу әсерін көрсетеді. Сызықтық лазерде толқын ұзындығының толық еселігі лазерлік қуыстың ұзындығына сәйкес келеді. Бұл лазерлік жарық алға-артқа қозғалғанда, оның жиілігінің толық циклдар санынан өтетінін білдіреді. Сақиналық лазерде де осы принцип сақталады: лазерлік жарықтың жиілігінің циклдарының саны екі бағытта да бірдей. Екі бағыттағы циклдар санының бұл қасиеті сақиналық лазерлік орналым айналғанда сақталады. Сурет толқын ұзындығының ығысуын (соның салдарынан жиілік ығысуын) көрсетеді, осылайша таралудың екі бағытында да циклдар саны бірдей болады. Лазерлік жарықтың екі жиілігін араластыру арқылы соққы жиілігін алуға болады; соққы жиілігі екі жиіліктің арасындағы айырмашылықты құрайды. Бұл соққы жиілігін уақыт бойынша интерференциялық сурет деп қарастыруға болады. (Интерферометрияның кең таралған интерференциялық жиектері кеңістіктік сурет болып табылады). Бұл соққы жиілігінің периоды инерциялық кеңістікке қатысты сақиналық лазердің бұрыштық жылдамдығына тура пропорционал. Бұл – қазіргі заманғы инерциялық навигациялық жүйелерде кеңінен қолданылатын сақиналық лазерлік гироскоптың принципі.

Нөлдік нүкте калибрлеу

Пассивті сақиналы интерферометрлерде жиектердің ығысуы бұрыштық орнының бірінші туындысына пропорционалды; сақиналы интерферометрдің нөлдік бұрыштық жылдамдығына сәйкес жиектердің ығысуын анықтау үшін мұқият калибрлеу қажет. Ал, сақиналы лазерлік интерферометрлер нөлдік бұрыштық жылдамдыққа сәйкес келетін нәтижені анықтау үшін калибрлеуді қажет етпейді. Сақиналы лазерлік интерферометрлер өздігінен калибрленеді. 8-сурет сақиналы лазерлік интерферометрдің өзін-өзі калибрлеу қасиетін қамтамасыз ететін физикалық қасиетті көрсетеді. Сұр нүктелер лазер қуысының ішіндегі резонаторлар ретінде әрекет ететін молекулаларды көрсетеді. Сақина қуысының кез келген бөлігінде жарық жылдамдығы екі бағытта да бірдей болады. Лазерлік сақина айналғанда, ол осы фондық кеңістікке қатысты айналады. Яғни, жарық жылдамдығының өзгермейтін қасиеті сақиналы лазерлік интерферометрдің өзін-өзі калибрлеу қасиетіне анықтама береді.

Блоктау

Сақиналы лазерлік гироскоптар төмен айналу жылдамдықтарында (100°/сағ-тан кем) "құлыптану" деп аталатын құбылысқа ұшырайды. Өте төмен айналу жылдамдықтарында, қарсы таралатын лазерлік режимдердің жиіліктері дерлік бірдей болады. Мұндай жағдайда қарсы бағыттағы сәулелер арасындағы өзара әрекеттесу инъекциялық құлыптануға алып келуі мүмкін, нәтижесінде тұрқыма толқын белгілі бір фазада "қалқып" кетеді, әр сәуленің жиілігін бір-біріне бекітіп, айналудың біртекті өзгеруіне жауап бермейді. Лазерлік қуысты жоғары жылдамдықпен (жүздеген герц) шағын бұрышпен алға-артқа қозғалту арқылы құлыптану тек айналу жылдамдығы нөлге жақын болатын қысқа сәттерде ғана пайда болады; осылай туған қателер кезектесетін тоқтап тұру кезеңдері арасында бірін-бірі өтеді.

Оптика талшығынан жасалған гироскоптар мен лазерлік сақиналы гироскоптар

Жарықталды оптикалық гироскоптар (FOG) және лазерлік гироскоптар (RLG) екеуі де жабық оптикалық жол бойынша сағат тілімен және сағат тіліне қарсы бағытта қозғалатын жарық сәулелерінің таралу уақытының айырмасын бақылау арқылы жұмыс істейді. Олар құн, сенімділік, өлшем, салмақ, қуат және басқа да өнімділік сипаттамалары бойынша айқын ерекшеленеді, оларды нақты қолданба үшін бағалау кезінде ескеру қажет. RLG-лерге дәл механикалық өңдеу, жоғары дәлдікті айналардың қолданылуы және таза бөлме жағдайында құрастыру талап етіледі. Олардың механикалық тербеліс жинағы салмақты біршама арттырады, бірақ маңызды емес. RLG-лер бөлме температурасына жуық жағдайларда 100 000 сағаттан астам жұмыс істеуге қабілетті. Олардың лазерлері салыстырмалы түрде жоғары қуатты талап етеді. Интерферометриялық FOG-тар толығымен қатты күйде болады, механикалық тербеліс компоненттері қажет емес, дәл өңдеуді қажет етпейді, икемді геометрияға ие және өте кішкентай болуы мүмкін. Олар телекоммуникация индустриясының көптеген стандартты компоненттерін пайдаланады. Сонымен қатар, FOG-тың негізгі оптикалық компоненттері телекоммуникация индустриясында өнімділігін дәлелдеді, олардың қызмет ету мерзімі ондаған жылдармен өлшенеді. Дегенмен, бірнеше оптикалық компоненттерді дәлдікті гироскоп құралына құрастыру қымбатқа түседі. Аналогтық FOG ең төменгі құнды ұсынады, бірақ өнімділігі шектеулі; цифрлық FOG кең динамикалық диапазонды және қатаң талаптарға жауап беретін қолданбалар үшін қажетті дәл масштабтық коэффициентті түзетуді ұсынады. Ұзын және үлкен катушкаларды қолдану сезімталдықты арттырады, бірақ температура өзгерістеріне және дірілге сезімталдықты да арттырады.

Сагняк интерферометрі және гравитациялық толқындарды анықтау

Сагнак топологиясын алғаш рет 1886 жылы Микельсон сипаттады, ол Физо экспериментін қайталау кезінде осы интерферометрдің жұп рефлексиялық түрін қолданды. Микельсон интерферометрдің бұл түрімен алынған интерференциялық суреттердің өте тұрақты екенін атап өтті: айналар тураланған кезде ақ жарықтан интерференциялық суреттер бірден пайда болды. Екі жолды интерферометрлерде ақ жарықтан интерференциялық суреттерді алу қиын, себебі екі жолдың ұзындығы бірнеше микрометрге дейін сәйкес болуы керек (ақ жарықтың когерентті ұзындығы). Бірақ, Сагнак конфигурациясы жалпы жол интерферометрі болғандықтан, екі жолдың ұзындығын өзінен-өзі теңестіреді. Микельсон сондай-ақ интерференциялық суреттердің үлгісі оптикалық жолдың астынан тұтандырылған шамды ұстаған кезде де тұрақты болатынын байқады; көптеген интерферометрлерде шамның үстіндегі жылы ауадан туындаған сындыру көрсеткішінің өзгеруіне байланысты интерференциялық суреттер күрт өзгеріп отырады. Сагнак интерферометрлері айналардың немесе сәуле бөлгіштің орын ауысуына дерлік сезімтал емес. Сагнак топологиясының осы ерекшелігі, оларды ерекше жоғары тұрақтылықты қажет ететін қолдануларда пайдалануға мүмкіндік берді. Сагнак интерферометрінде айналудан туындаған интерференциялық суреттердің өзгерісі, жарық жолының қоршалған ауданына пропорционал, ал бұл аудан айналу осіне қатысты анықталуы тиіс. Сондықтан, егер цикл қарама-қарсы бағытта (сағат тілі бойынша немесе сағат тіліне қарсы) оралса, циклдің ауданының таңбасы өзгереді. Екі бағытта да циклдерді қамтитын жарық жолының жалпы ауданы, сағат тілі бойынша және сағат тіліне қарсы циклдердің аудандарының айырмасымен анықталады. Екі тең, бірақ қарама-қарсы циклдің ерекше жағдайы нөлдік ауданды Сагнак интерферометрі деп аталады. Нәтижесінде, айналуға сезімтал болмай, Сагнак топологиясының тұрақтылығын көрсететін интерферометр пайда болады. Бұл ұсыныстардың бірі Сагнак нөлдік ауданды дизайнға негізделген. Бірдей ауданға ие, бірақ қарама-қарсы бағыттағы екі циклден тұратын жарық жолымен нөлдік тиімді аудан алынады, осылайша Сагнак эффектісі оның әдеттегі мағынасында жойылады. Бұл конфигурация төмен жиілікті айнаның қозғалысын, лазер жиілігінің өзгеруін, қолдар арасындағы шағылысудың тепе-теңдігін және термиялық түрде туындаған қос сындыруды сезінбейді, бірақ астрономиялық маңызы бар жиіліктерде гравитациялық толқындардың өтуіне сезімтал. Дегенмен, оптикалық жүйені таңдауда көптеген факторлар қарастырылады, және нөлдік ауданды Сагнак дизайнының кейбір салалардағы артықшылықтарына қарамастан, үшінші буын LIGO үшін оптикалық жүйені таңдау бойынша әлі консенсусқа қол жеткізілген жоқ.