
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.
L'effet Sagnac a été découvert par Georges Sagnac en 1913. 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.
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.

Le long de la circonférence d'un disque de rayon R tournant à la vitesse (au niveau du rayon R) on fait tourner :
Le décalage entre les arrivées des deux signaux lumineux pour une petite vitesse de rotation.
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.
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.
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.
Si cette prédiction est vérifiée expérimentalement, cela permet de vérifier que l'effet Sagnac est non seulement compatible avec le relativité restreinte, mais est même une prédiction de celle-ci.
La démonstration suit les étapes suivantes :
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.
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 et les rayons X.
Pour la matière, c'est-à-dire pour les ondes de de Broglie et les particules associées, l'effet Sagnac universel a également été détecté, avec des vitesses de signal inférieures à celle de la lumière :
L'effet Sagnac dû à la rotation de la Terre a été mesuré avec des interféromètres à ondes de matière :
L'effet Sagnac n'est pas prédictible dans le cadre de la théorie corpusculaire de la lumière d'Isaac Newton. Il a été prédit, pour les ondes lumineuses, avant l'avènement de la relativité restreinte, dans le cadre de la théorie de l'éther. Le physicien britannique Oliver Lodge (-) est le premier à le prévoir, dès ,, pour un interféromètre entraîné par la rotation de la Terre puis en , pour un interféromètre monté sur un plateau tournant. Par la suite, le physicien américain Albert A. Michelson (-) en puis le physicien français Georges Sagnac (-) en prévoient tous deux l'effet, toujours dans le cadre de la théorie de l'éther.
L'effet Sagnac est parfois dit « effet Harress-Sagnac » car il s'est avéré avoir été observé pour la première fois en - 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. 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.
Dès , le physicien allemand Max von Laue (-) relève que la relativité restreinte prédit elle aussi l'effet,. Par la suite, von Laue lui-même en , — au premier ordre en v / c — puis le physicien français Paul Langevin (-) en , et en , reprennent la démonstration de l'effet en relativité restreinte.
L'effet Sagnac est généralement considéré comme un effet de la relativité restreinte,,,,. En effet, d'une part, l'effet Sagnac est un effet « purement relativiste », ; et, d'autre part, l'effet est « purement cinématique » : il n'est pas lié à la gravitation, ; ainsi, la relativité restreinte suffit pour prédire exactement l'effet : il n'est pas nécessaire de se placer dans le cadre de la relativité générale.
Le gyromètre à fibre optique est une application directe de l'effet Sagnac.