CURIOSIDADES DA FÍSICA
José Maria Filardo Bassalo
www.bassalo.com.br

Efeito Kaluza-Harress-von Laue-Sagnac e o Monitoramento Aéreo Espacial: RLG e GPS.

 

Segundo vimos em verbete desta série, em 1881, o físico germano-norte-americano Albert Abraham Michelson (1852-1931; PNF, 1907) inventou o interferômetro com o objetivo de testar a existência do éter luminífero cartesiano. Nesse aparelho, um raio de luz é dividido em dois (r1, r2) quando incide sobre uma lâmina de vidro P, cuja face posterior é coberta por uma camada fina de prata (Ag). O raio r1 é refletido pela superfície de prata e dirige-se para um espelho M1 colocado a uma distância d de P; o raio r2 atravessa P e atinge o espelho M2 colocado à mesma distância d de P. Após a reflexão de r1 em M1 esse raio percorre a mesma distância d até a placa P; uma parte dele reflete e a outra atravessa P dirigindo-se para um telescópio manipulado por um observador O. Por sua vez, o raio r2 após refletir-se em M2 percorre a mesma distância d até a placa P; uma parte dele reflete e a outra atravessa P dirigindo-se para o telescópio do observador O. Michelson acreditava que, quando esses dois raios chegassem nesse telescópio, haveria um deslocamento das franjas de interferência, quando o interferômetro sofresse uma rotação. Esse deslocamento decorria da diferença de tempo percorrida pela luz nos dois braços iguais do interferômetro, diferença essa calculada usando-se a lei de composição de velocidades galileana, paradigma, até então, da Física. Contudo, ele observou apenas um minúsculo deslocamento, indicando ser a presença do éter luminífero cartesiano incompatível com aquela lei. Registre-se que, em 1887, Michelson, juntamente com o químico norte-americano Edward William Morley (1838-1923), realizou a célebre experiência de Michelson-Morley, na qual confirmaram o resultado obtido por Michelson, em 1881.    

                   Em 1899 (Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences de Paris 129, p. 758; 818) e 1900 (Journal de Physique 9, p. 177), o físico francês Georges M. M. Sagnac (1869-1928) descreveu experiências que realizara sobre  a propagação da luz através da matéria, baseadas na ideia de um éter estacionário com a mesma elasticidade e densidade em qualquer lugar. Tendo em mente a ideia de um éter imóvel, Sagnac idealizou e construiu um interferômetro de rotação em que todos os seus componentes – espelhos, fontes de luz e chapa fotográfica – situavam-se em um disco que podia ser girado em várias velocidades. Desse modo, a luz viajava em torno desse disco e ao longo de um circuito poligonal determinado por sucessivas reflexões em quatro espelhos colocados sobre o perímetro do disco. Assim, a luz proveniente da fonte é dividida em dois feixes que viajam em torno do disco em direções opostas e, ao se combinarem na chapa fotográfica, produzem figuras de interferência pela ação do vento etéreo, efeito esse denominado por ele de efeito turbilhonar óptico (effet tourbillionaire optique). A construção desse interferômetro e as experiências que realizou com esse instrumento óptico foram descritas por Sagnac em artigos publicados em 1910 (Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences de Paris 150, p. 1302) e 1911 (Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences de Paris 152, p. 310). É importante destacar que essas experiências de rotação, envolvendo discos girantes e raios luminosos, foram concebidas pelo físico inglês Sir Oliver Joseph Lodge (1851-1940), em 1893 (Philosophical Transactions of Royal Society of London A184, p. 727) e em 1897 (Philosophical Transactions of Royal Society of London A189, p. 149), para estudar a interferência entre dois raios de luz viajando em sentidos opostos, no espaço entre um par de discos de aços girantes e paralelos. Com essa experiência, Lodge mostrou que o éter não era transportado, embora o físico francês Augustin Jean Fresnel (1788-1827), em 1821 (Annales de Chimie 17, p. 180), haja demonstrado que o éter era parcialmente arrastado em sua famosa explicação da dispersão da luz (vide verbete nesta série).       

              Contudo, em 1913, Sagnac fez uma observação surpreendente com o equipamento que inventara, ou seja, observou que, quando a direção da rotação era revertida, havia um deslocamento (z) nas franjas de interferência de seu interferômetro, dado pela expressão: z = 4ωS/(λV0), onde ω é a velocidade angular do interferômetro, S é a área compreendida entre os caminhos da luz de comprimento de onda λ, e V0, segundo Sagnac, é a velocidade constante da luz no éter lorentziano. [A demonstração da expressão acima, por intermédio da TRG, pode ser vista em: Lev Davidovich Landau et Evgeny Mikhaillovich Lifc(s)hitz, Théorie du Champ (Éditions de la Paix, s/d)]. Essa observação, que foi publicada, ainda em 1913 (Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences de Paris 157, p. 708; 1410) e, depois, em 1914 (Journal de Physique Théorique et Appliquée 4, p. 177). Note que esse resultado contradizia a Teoria da Relatividade Restrita. Registre que essa observação, que passou a ser conhecida como Efeito Sagnac (ES), já havia sido constatada por F. Harress, em 1911, e sua previsão teórica, no vácuo, foi apresentada, ainda em 1911 (Sitzungsberichte der Bayerischen Akademie der Wissenachaften zu München, p. 404) [e, posteriormente, em 1920 (Annalen der Physik 62, p. 448)], pelo físico alemão Max Theodor Felix von Laue (1879-1960; PNF, 1914), previsão essa que era consistente, quer com a Teoria Lorentziana do éter luminífero estacionário (éter lorentziano), quer com a TRR. Antes, em 1910 (Physikalische Zeitschrift 11, p. 977), o matemático e linguista alemão Theodor Kaluza (1885-1955) demonstrou o ES no espaço tetra-dimensional minkowskiano. [Sigalia Dostrovsky, IN: Dictionary of Scientific Biography (Charles Scribner´s, 1981);  Roberto Lalli, The Sagnac Effect: An Historical Study of Its Discovery and Its Earlier Interpretation, Istituto di Fisica Generale Applicata, Universitá degli Studi di Milano (Itália, 2008)].

                   Como Sagnac não encontrou muito apoio sobre a existência do éter previsto em sua experiência de 1913, começou então a escrever uma série de artigos (envolvendo aspectos teóricos e experimentais) para confirmar essa sua previsão. Com efeito, em 1919 (Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences de Paris 169, p. 529; 643; 783; 1027), 1920 (Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences de Paris 170, p. 800; 1239; 171, p. 99) e 1923 (Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences de Paris 176, p. 161), desenvolveu sua Teoria Mecânica do Éter que refutava as Teorias da Relatividade Einsteinianas: Especial ou Restrita (TRE/TRR) (1905) e Geral (TRG) (1915) (vide verbetes nesta série sobre essas Teorias), artigos esses que foram aceitos pelos anti-relativistas e criticados pelos relativistas. Por exemplo, em 1921, os físicos franceses, Paul Painlevé (1863-1933) (Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences de Paris 173, p. 677) mostrou que a TRG não explicava o ES, enquanto Paul Langevin (1876-1946) (Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences de Paris 173, p. 831) demonstrou o ES usando a TRG. Mais detalhes sobre o ES, ver: Lalli, op. cit.; http://www.ldolphin.org/sagnac.html.

                   Mesmo depois da morte de Sagnac, em 1928, a polêmica entre os anti e os prós relativistas sobre a explicação do ES continuou, porém, com menos intensidade. Por exemplo, em 1937 (Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences de Paris 204, p. 1322; 1925), 1939 (Comptes Rendus Hebdomadaires des Séances de l’Académie des Sciences de Paris 208, p. 988) e 1942 (Journal de Physique et le Radium 3, p. 153), os físicos franceses A. Dufour e F. Prunier realizaram experiências nas quais confirmaram o ES, efeito esse que, conforme vimos acima, refuta a TRE(R).

                   A invenção do laser, em 1960 (vide verbete nesta série), deu ensejo aos físicos norte-americanos Warren M. Macek e D. T. M. Davis Junior, em 1963 (Applied Physics Letters 2, p. 67), construírem o Ring Laser Gyroscope (RLG) (“Anel Giroscópico a Laser”) que tem como princípio o ES. A partir da década de 1970, o RLG passou a ser usado na navegação aeroespacial. Observe que, hoje, essa navegação é auxiliada pelo Sistema de Posicionamento Global, o famoso GPS (Global Positioning System), idealizado inicialmente pelos Estados Unidos, em 1973, com finalidades militares, em virtude da Guerra Fria, em consequência do lançamento do satélite Sputnik, em 1957, pela então União Soviética. O GPS consiste de um conjunto de 28 satélites (“espelhos”) sendo 4 sobressalentes em 6 planos orbitais. Esses satélites, construídos pela Rockwell, foram lançados entre fevereiro de 1978 e novembro de 2004. Cada um deles circula a Terra duas vezes por dia, numa altitude de 20.200 km e a uma velocidade de 11.265 km/h. Mais detalhes, ver os sites da wikipedia.org/wiki, sobre RLG e GPS, e o artigo de James H. Sharp, Laser Gyroscopes (Google, acesso em 02 de dezembro de 2010).     

                   Concluindo este verbete é interessante anotar que a observação do ES em um interferômetro de nêutron, em 1993 (Science 262, p. 1384), pelo físico austríaco Helmut Rauch (n.1939), esse efeito voltou a ser objeto de polêmica, pois, segundo vimos neste trabalho, ele refuta as Teorias Relativistas. Assim, o físico italiano Franco Selleri (n.1936), em uma série de artigos escritos, em 1996 (Foundations of Physics 26, p. 641); em 1997 [Foundations of Physics Letters 10, p. 17 (com F. Goy); IN: M. Ferrero and A. Van der Merwe (Editors), Fundamental of Theories of Physics v.81, p. 381 (Kluwer Academic Publishers)]; e em 2004 [IN: G. Rizzi and M. L. Ruggiero (Editors), Fundamental of Theories of Physics v.135, p. 57 (Kluwer Academic Publishers)], mostrou que o ES é um paradoxo na TRR e, para resolvê-lo, descartou a simultaneidade (sincronização) relativa einsteiniana e considerou que a simultaneidade é absoluta (sincronização de Selleri), o que resulta em uma espécie de espaço absoluto ou éter lorentziano. Por sua vez, o físico francês Jean Vigier (1920-2004), em 1997 (Physics Letters A234, p. 75), resolveu o paradoxo referido acima sugerindo que o fóton tinha massa e, portanto, o ES poderia ser deduzido da TRG. Assim, com esse argumento, mostrou que existe um referencial inercial privilegiado e, portanto, uma espécie de éter espacial (Lalli, op. cit.).